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古老的MM干涉仪是否应该继续发展?(中断了78年的古老实验)
[楼主] 作者:yanghx  发表时间:2008/07/23 23:24
点击:6553次

 

 

从“相对论吧”拖回的这张表,按照张元仲的书修正和补充了几个数字,
还看了几个MM实验的介绍录象,挺有意思的,

===========================================
张元仲 , 《狭义相对论实验基础》 , 1979年9月第1版 , 第26页

    在狭义相对论建立之后,人们又在各种不同的条件下反复做 过迈克尔逊-莫雷型实验,
而且精度越来越高,但都没有观奈到"以 太漂移"效应.  例如,Kennedy(1926)和Illingwarth(1927)
分别用不等臂长的干涉仪做的实验给出"以太漂移"速度的上限分别是5.1公里/秒和2.3公里/秒;
Joos(1930)他用改进的干涉仪做了这种实验,给出的上限是1.5公里/秒,
在用迈克尔逊干涉仪所做的"以太漂移"实验中,这个结果是精度最高的.

============================================================

目前所知,MM干涉实验的最小上限为:1.5 km/s,
距离地球自转"以太风"--- 0.465 km/s 只是一步之遥了?
只要再提高一个数量级,达到0.15 km/s,就基本可以测出 0.465 了,
那么时间过去了78年,难道我们的MM干涉仪的观测水平连一个数量级都没有提高吗?
这是一个很奇怪的事?只差这么一点就突然停止了前进的脚步?

不过可能也事出有因,二战1945年结束,各国的重建工作总要持续10多年,
而到了1960年就出现了一种令人震撼的新光源---激光,以及二战中发展起来的原子钟,
于是很多实验都朝着这个方向发展了,而且都是以"横向sagnac"或测量互垂驻波腔频差为主,
这类实验虽然精度可以很高(如我们做的"大铁盆实验"),但都存在其它的内在问题(另论),

古老的MM干涉仪似乎被人们逐渐淡忘了?
那么我们现在是否有必要重新继续被中断了78年的MM干涉实验呢?
这个问题也许值得考虑?因为这很可能成为今后航天"速度计"的雏形装置,有两个思路:
1、继续设法增加MM干涉臂长度,同时利用现代的干涉环观测方法,
2、直接利用光纤MM干涉仪,这项技术目前还不是很普及,对于民间学者有一定难度,

 

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 [2楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/07/24 01:33 

光纤陀螺可以测量到地球转速,一方面是依赖地球表面不同高度光媒体相对地球存在速度梯度,另一方面依赖高精度的电子测量设备(而非眼睛),再者就是光纤陀螺的光束在旋转坐标系中为单程光,单程光效应要比回程光效应高近千倍。
因此,实验可以采用光纤陀螺的高精度电子分析系统,迈-莫实验中的两方向回程光,但光路采用光纤陀螺中多匝光纤的办法,在小范围轻松实现过千米的臂长。也即实验采用单一光源通过两个相互垂直的多匝光纤,最后回到光纤陀螺的高精度电子分析系统中。实验方法大致同迈-莫实验。只是实验时两个多匝光纤必须都与地球自转面互垂直,以避免萨格纳克(Sagnac)效应的影响。
[楼主]  [3楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/07/24 10:43 

对【2楼】说:

是这个意思,有个示意图:
不过能否直接沿用光纤陀螺的信号处理系统,还不清楚,不妨一试,
因为光纤陀螺是同一条光路,温度和嘈声的干扰可以相互抵消掉不少,所以灵敏度很高,
而光纤MM是两条独立的回路,据说“互异性”差了不少,一般比陀螺的灵敏度低3-4个数量级,
所以可能需要稍不同于陀螺的信号处理方法,具体我也不是很清楚,
而且陀螺的价格对于民间学者来说也不低呀?

 

其实当年的MM干涉仪制作比现在要难得多,因为没有激光,M-G实验据说用的是“碳弧灯”,
估计这是当年干涉实验通常使用的光源了?
从上面那张表可以看出,Miller的光臂最长,达到了32米,参见Miller装置的照片:
那么用现代的激光加上高反射率镜子,按说要把光臂提高到50米应该不是很难吧?
而且当年他们都是用的显微镜肉眼观察,现在可以用光电管加信号放大,怎么也要精确几个数量级吧?
具体的计算我再试试,争取这次别再算错了,呵,

 

这条路可能比较适合民间学者,只是高质量反射镜的价格贵一些,
但也可以先试用一般的反射镜,至少Miller当年也没有什么高质量的东东吧?
只要光臂也能在30米左右,依靠现代的光电放大的观测方法,估计也差不多够了?
再效法老周制作“飞碟”的精神和勇气,这不应该是件很难的事?

 

 [4楼]  作者:欧阳飞  发表时间: 2008/07/24 21:10 

精度最高的是用两激光器干涩,转动180度,检测“以太风”速度。不过现在技术还没能让两个激光器产生的激光产生长时间干涉。现在做的最好的只能维持10-9秒数量级。
[楼主]  [5楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/07/24 22:36 

先推导条纹移动数 ΔN:
t1=2d/c
t2=[d/(c+v)]+[d/(c-v)]=(2d/c)[1/(1- vv/cc)]

Δt=t2-t1 = (2d/c) {[1/(1- vv/cc)] - 1}
=(2d/c) {[cc/(cc-vv)] - 1}
=(2d/c) {[cc- (cc-vv)]/(cc-vv)}
=(2d/c) {vv/(cc-vv)}
=(2d/c) [1/(cc/vv - 1)]
≈(2d/c) [1/(cc/vv)]
=(2d/c) (vv/cc)


光程差δ=c*Δt= 2d(vv/cc)

如果考虑实际的t1=2d/sqr(cc-vv),
则最后的近似变换得到:
δ=c*Δt= d(vv/cc) (具体计算省略),
装置旋转90度,光程增加一倍,移动的条纹数为:
ΔN= 2δ/λ =(2d/λ)(vv/cc)
================================
条纹移动数 ΔN = (2d/λ)(vv/cc)
================================

1、MM实验:
使用的是钠灯:λ=5.9e-7 m,
光臂长:11m,
v/c= 3e4/3e8 =1e-4
应该移动的条纹为:
ΔN= 2 * 11 * (1e-4)(1e-4) / 5.9e-7 = 0.37 ≈0.4

如果要测地球自转465m/s:v/c= 465/3e8 = 1.55e-6,
ΔN= 2 * 11 * (1.55e-6)(1.55e-6) / 5.9e-7 = 8.958 e-5 = 0.00008958 ≈0.0001
基本是1/10000个条纹移动量,
速度v减小近100倍,条纹移动量就要减小近10000倍,

2、Miller的MM实验:
假设使用的也是钠灯:λ=5.9e-7 m,
光臂长:32m,
v/c= 3e4/3e8 =1e-4
应该移动的条纹为:
ΔN= 2 * 32 * (1e-4)(1e-4) / 5.9e-7 = 1.085 ≈1.1

如果要测地球自转465m/s:v/c= 465/3e8 = 1.55e-6,
ΔN= 2 * 32 * (1.55e-6)(1.55e-6) / 5.9e-7 = 2.6e-4 = 0.00026 ≈0.0003
基本是3/10000个条纹移动量,

对于一般的光电管,基本可以胜任,但不是很有把握,要看信嘈比了,
如果信嘈比较高,加上适当的放大后,测量1/10000的条纹移动量应该没有问题,
有条件的话,还可以用机械斩光器得到光脉冲串,然后运用交流锁相放大和好的滤波电路,
这是现在常用的微弱光信号处理方法,

但愿这次没有算错了,各位也帮检查一下吧?
t1=2d/sqr(cc-vv)时的推导方法一般都有介绍,这里就暂时省略了,如果确有必要我再贴吧,


 [6楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/07/24 22:42 

我认为,只要使MM实验装置以中心为轴高速旋转起来,就肯定能观察到与MM实验装置静止状态下的不同现象,这样就可以证明以太存在。
[楼主]  [7楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/07/24 23:07 

对【4楼】说:
这个“独立双光源干涉”是不容易,找了很久,如果能搞成就是很明显的纵向一阶效应,
现在也有用同一束激光激发两个晶体发光的“准双光源”(或者其他的“连通稳频”措施),
但这样的“双光源”似乎并不独立?不知是否可行,好象是存在问题,
不知你说的实验是否也类似于这一类“双光源”的情况?
 [8楼]  作者:欧阳飞  发表时间: 2008/07/24 23:29 

对【7楼】说:

回复7楼,只是本人的一个想法,不知道是否真正可行。

[楼主]  [9楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/07/25 01:03 

对【6楼】说:
是有个“旋转反射”的问题,即光速的方向相对旋转的反射镜,不遵从“反射定律”,
不过这是个非惯性系的问题了,还有“旋转横向光点偏移”的效应在实验中很明显,
不知以后会有什么用,也许是个最简单的激光陀螺吧,能测角速度,
[楼主]  [10楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/07/28 14:48 

现有实验给出的结果:
1、MG实验和光陀螺可以测量出地球自转以太风465m/s(纵向sagnac),
2、激光陀螺的“行波腔”可以测量出465产生的频差,

3、所有利用“横向sagnac”产生横向多普勒效应和横向光点偏移的实验都测不出465m/s,
4、所有互垂激光“驻波腔”都测不出465产生的频差,

====================================================
假设:MM干涉仪最后测量不出465,就有几种可能:
a、以太与地球同步运动,如同空气那样,
b、而光陀螺能测量出465,是因为其具有某种未知的、神奇的、不可思议的特殊性,
c、仍不能确定:纵向sagnac与横向sagnac是否必然同时出现,
d、驻波腔与行波腔在测量sagnac效应方面可能没有多少不同,
e、或者说明以太并不存在,光子有其内在的恒定速度规律,

假设:MM干涉仪最后测量出了465,也有几种可能:
a、以太与地球不同步运动,与空气的情况不同,
b、光陀螺能测量出465的原因很简单,就是陀螺相对以太的转动,
c、基本可以确定:纵向sagnac存在,而横向sagnac很可能不存在,什么原因呢?波源横向初射角改变?
d、驻波腔难以测量sagnac,只有行波腔才能测量出sagnac,
e、说明以太很可能存在,“光子”速度与其他一切物质一样都是相对的,
f、有可能出现相对以太的“速度计”,为进一步探索以太运动、分布规律打下了基础,意义重大,


所以这个MM干涉仪测量465对疑相与持相双方都是意义重大?
可惜现在只有疑相者比较积极设法实现这个实验,持相者是否也可以考虑一下其意义所在呢?

(对于光源旋转可能引起的“初射角变化”还不清楚,但实验中可以观察到很明显的光点偏移,
也许只有当光源做圆周运动时,才有必要考虑一定的“初射角变化”问题?总之这个问题稍微复杂一点了)



 [11楼]  作者:欧阳飞  发表时间: 2008/07/30 23:01 

对【10楼】说:
杨红星:你有没有QQ号,对于相关光学实验,我想和你交流一下,。这里太慢。加我472592744,验证就写你的名字。
[楼主]  [12楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/07/31 10:52 

加了,是填yanghx吗?
 [13楼]  作者:liangjz  发表时间: 2008/07/31 19:53 

干涉是发生在一个光子间的干涉(单光子干涉),即使是同一光源的两个光子也很难发生干涉,两个独立的光源间发生干涉更是不可能的。
[楼主]  [14楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/07/31 22:33 

是不容易,至少到现在为止还没有找到,这条路似乎挺难,
 [15楼]  作者:119.48.86.*  发表时间: 2008/08/23 11:44 

迈克尔逊干涉仪中,即使V=30km/s,两方向的光平均速度(相对仪器)只差1.5m/s.如果有地球自转的几百米以太风,那就更小,10-4数量级。各位高手,难道现在就没办法解决两个独立的光源干涉吗?
[楼主]  [16楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/08/24 15:05 

所以综合比较下来,还是古老的MM干涉仪比较现实一些?
就没有人愿意探讨一下其具体实施的可行性吗?
 [17楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/08/26 21:00 

支持做这个实验!
我原来也想过,没有条件。
这个实验技术上应该是可以完成的。不过国内技术是否能够完成可能就有问题了。
有些高科技的东西,外国对我们是禁运的。据说也包括光纤陀螺仪或其中的关键部件。
即使国内技术没问题,做实验仍然会遇到很多困难。不知道我们能否克服这些困难。
[楼主]  [18楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/08/26 23:40 

光纤MM干涉仪我们现在还不行,以后还是可以试试,
不过多次反射的古老MM干涉仪呢?
简单的迈氏干涉仪我是做过了,挺简单的,很容易产生干涉,
只要再用反射镜把光程增加到10-20米,估计就差不多了,
只是我现在无法分身,所以才张榜寻求愿意下功夫的同道中人,也许是性急了,早了点?

 

光纤MM的好处是光程容易加上去,缺点是嘈声较古老MM大,而且费用较高,
当然古老的反射MM要搞的好,反射镜也是要花不少钱,

 [19楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/08/28 12:25 

我认为希望还是在光纤MM实验上,不知道国内是否有地方做这个实验?
老的MM实验,做出来的效果未必比原来的实验好。
如果用多次反射,误差应该如何处理?恐怕还会有一系列问题会影响测量精度。而提高一点测量精度恐怕要花费很多钱,即使有单位来搞,恐怕也不容易。
而光纤MM实验,可能仅用现成的设备就差不多了。只是不知道是否有地方可以搞这个东西。
[楼主]  [20楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/08/29 00:14 

搞这个光纤MM的单位可能不少,但搞的好的还是军工单位,比如国防科学技术大学(长沙),
不好打听了,反正估计他们也不会说什么的,那是潜艇上用的玩意(水听器),
不过以后我们自己也可以试试,但也只能是搞着玩了,等把“光纤法拉第”搞完再说了,
 [21楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/08/29 12:11 

真想搞的话,自己恐怕是不行的。
西安的有些人可能会有办法?
[楼主]  [22楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/08/29 16:36 

以后也许可能,目前我已不报幻想了,在某种思路指导下做出来的实验挺可怕的,无奇不有呀?
不如找找现成的论文,也许有些实验是可遇不可求的?
担心的是带着某种错误思路或逆反心理做出来的实验,
 [23楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/08/30 22:21 

光纤MM当然可行,现在的塑料光纤一卷就有80km,价格可能几千块,但要两卷,除非你的激光器有如此长的相干长度,整个实验下来要1万左右,还是让别人去干吧,我现在有个几百块的实验,明天先做相对地球静止时的以太漂移实验。
[楼主]  [24楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/08/31 00:31 

塑料光纤不行,传输衰减太大,短距离还凑合,由于是多模(宽频带)传输,干涉长度也很有限,
最好用单模石英光纤,也不很贵,1公里100多元(国产),
不过有时有最小购买量限制,比如最少买3KM或10KM,
主要是光偶合器贵一点,起码1500-3000元,其他光万用表是比不可少的,可以同时解决光源和功率计问题,
但是从光纤里出来的干涉环是什么样还没见过,等等问题吧,要费一番周折,

 [25楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2008/09/01 12:32 

我以为光纤出来的恐怕不是干涉条纹,而只是有强弱变化。
对这种更弱变化的处理可能属于关键技术。

8.28发去的E-Mail收到没有

[楼主]  [26楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/09/01 22:15 

有可能, 中心光亮度也许是主要变化量,
现在的说法是用保偏器件才较稳定, 可是价格就要加倍,
邮件收到了,我再想想,
 [27楼]  作者:fuj0  发表时间: 2008/09/03 10:40 

老杨,

 

新找到一点资料。

原理:

激光的频率和共振腔的长度,及腔内光速有关。

两个腔等长。如果有以太风,两个腔内光速不同,必然会导致发出的激光频率不同。

如图所示,转动360度期间,没有发现任何条文移动。

该试验是1964年作的。后来几次翻版,越来越精细。

这类试验是否可以证明地表没有以太风??? 

 

 [28楼]  作者:wangjqq  发表时间: 2008/09/03 15:44 

yanghx没有看懂张元仲的原文,张元仲书中的图表给出的是以太漂移速度的上限,并不是仪器精度的上限,也就是说:所有的实验均测出了以太漂移的速度,只不过与人们对以太漂移速度的设想相距较远罢了
[楼主]  [29楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/09/03 19:23 

对【27楼】说:

多谢fujo,王汝勇也是这么看的:
“As I know, this kind of experiments has been done in last ten years
with a much higher sensitivity and with a null result. ”

 

我还是怀疑激光驻波腔中的输出频率是否会随465而改变,
你想为什么这么多年过去了,就没有一个与当年古老的MM基本相同的精确实验,
这样的实验真的很难吗?难在哪里?有这方面的专业人事指点一下吗?
根据我自己的粗略分析,目前这类MM实验的精度只是刚刚达到探测需要的精度数量级,
但是要真正得出肯定的数据结论,可能还需要至少提高1-2个数量级,

 

你也知道当年的M-G实验光路有多长,
现在的光纤陀螺的光纤长度也要在近千米左右,
激光谐振陀螺是行波谐振腔,
这三种已经成功测量出地球自转的装置却没有一种可以转而用以测量地球自转以太风的,
你说这是不是有些令人感到困惑、不甘呢?

 

其实估计就象德国、美国(甚至中国)那样的高技术下,
要想制作出能验证地球自转以太风465是否存在的MM装置,并非难事,
估计主要是他们不理解为什么要花钱做这样一个"无聊的东东"?
一旦他们理解了这个实验的重要意义所在(比如"速度计"),估计很快就会有结果的,
当然我不能保证一定就是我们一直期望的结果,但这毕竟是一条思路链条上很关键的一环,
此路一通,整盘棋就走算活了,否则就只有靠民间的漫长积累、推动、修正,时间要的长点,

 

你要能经常顺便跟踪探察一下这类实验的出现,那就是功德无量了,别实验都出来几年了我们才知道,
那不是感觉很冤吗?也希望你能设法促进一下这类实验的早日实施?
我知道国外有很多有钱的民间学者,只要设法使他们发生兴趣,多少钱他们都舍得花?
你就值当我是个顽固的死脑筋,为了让我开窍或目瞪口呆,也值得一试呀?呵,玩笑了,

 

 

[楼主]  [30楼]  作者:yanghx  发表时间: 2008/09/03 19:30 

或者也可以设想:把一个激光驻波腔固定在一个圆盘边缘,旋转圆盘,
看看它能否测量出应有的频率变化?
那不是又出现一种很不错的“激光陀螺”了吗?问题是有吗?
不要说平动,就是转动(线速度)估计也很难测量到驻波腔内应有的频率变化吧?

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