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请大家解释“爱佛斯--斯提威耳实验”
[楼主] 作者:qstt  发表时间:2008/08/21 14:47
点击:1390次

有个和斐索流水实验类似的实验,请大家发挥自我见解解释。

1938年,爱佛斯与斯提威耳作过的精密实验(见图示),他们使气体放电中产生的氢原子注投射到一个管子中,这些氢原子顺着管子运动的速率为u(图中氢原子1,2的速率),用一个平面反射镜观测这些氢原子朝u的相反方向发出的光(例如图中氢原子1反向发出的光),同时可观测氢原子发出的平行于u的光(例如图中氢原子2顺向发出的光);用摄谱仪把这种光中的一个特征谱线拍摄下来,从而在频率标尺上得到标有 V1' 和V2' 两条谱线。

在那同一个照相底片上,也可拍摄与静止氢原子发出的光相应的一条谱线,这样的一条谱线的频率为V。该实验的基本测定量DV/V由下式定义:(D是表示的希腊子母“戴尔塔”;V1等中的数字是字母下标;*为乘号)

     DV/V=DV2-DV1/V

如下图

      DV1     DV2

     1----1-------1

    V1’  V        V2’

上图中的1标示的是直线上的三个点。

DV/V这个量是静止氢原子的光频率V偏离V1’与V2’之间正中位置的程度的量度。

其DV/V的实验值为:

  氢原子速率u(m.s^-1) :  0.865*10^6          1.01*10^6          1.33*10^6

      DV/V的实验值:        0.762*10^-5         1.1*10^-5           1.9*10^-5

注明:V1'与V2'是距离正值。

可见,同一频率光线正反向传播至屏幕后的频率再不一样了。

 

 

                                                                   

                            

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[楼主]  [2楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/21 17:49 

重新传稍大的实验图.
[楼主]  [3楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/21 18:02 

从图片看,应该是:
DV1=V-V1’,
DV2=V2’-V 。
V是光特定频率,V1’,V2’是观测频率。
 [4楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/21 22:04 

正是该实验强有力地证明爱因斯坦根据洛仑兹变换得出的光的直线多普勒效应是正确的。
[楼主]  [5楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/21 23:00 

谢谢平阳睡狮先生第一个参与讨论。
但是,需要的是如何不用那个一团糟的洛变换来解释。
例如,以太观者如何解释?或者说在该实验仪器内的以太怎么样?
 [6楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/21 23:29 

我向来认为洛仑兹变换对于麦克斯韦方程组在互做匀速直线运动的两坐标系保持协变是有意义的。我也利用类洛仑兹变换(用声速替代光速)证明了关于一维声波的波动方程在互做匀速直线运动的两坐标系保持协变,并给出了物理学解释,换言之,对于直线多普勒效应,光波遵循f'=sqrt((c+v)/(c-v)),声波遵循f'=sqrt((u+v)/(u-v))。理由有二:一是所谓声速与观察者在媒质中的运动速度有关,在实验上从无实测,二是固体观察者在流体媒质中运动,周围流体媒质会产生粘性效应。
 [7楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/21 23:36 

关于声波在流体媒质中传播问题的探讨

5. 结论
5.1 当固体在流体中运动时,流体只能从固体周边绕过且附着在固体表面部分的流体会因粘性效应而与固体保持相对静止状态。若声接收体和声发射体在流体媒质中有相对运动,则接收频率与发射频率之间必然存在差异,这种差异恰恰产生于声波在声接收体与声发射体之间有流速梯度变化的那部分流体媒质的传播过程中。
5.2 声多普勒效应经典理论虽比较简单且易被接受,但因其将在流体媒质中真实运动的声发射体和声接收体简单地视为数学上的抽象点,完全没有考虑到真实运动的声发射体如何向媒质中发射声波和真实运动的声接收体如何从媒质中接收声波,与声发射和接收的事实相悖。
5.3 以声波在流动的流体媒质中的传播过程为物理基础,借助仿洛伦兹变换(用声速替代光速)证明,用来描述同一列平面声波的波动方程在互做匀速直线运动的两个坐标系中可保持一种新的协变性关系,并得到新的声多普勒效应频率转换式,是笔者对洛伦兹变换和多普勒效应做出的重新诠释。
本文旨在抛砖引玉,由此而涉及到的更为深刻和广泛的物理学问题,还有待于广大物理学工作者在后续的研究中继续进行突破并加以完善。
[楼主]  [8楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/22 11:18 

楼上的相对论修正如果正确,就请你先拿出你如何用声波/光波推导出洛仑兹变换数学方程组?因为我还未从狭义广义相对论中看到令人信服的洛仑兹变换推导过程。你的推导如正确得无可挑剔,别人能不信服就怪异了!
你的“当固体在流体中运动时,流体只能从固体周边绕过且附着在固体表面部分的流体会因粘性效应而与固体保持相对静止状态。若声接收体和声发射体在流体媒质中有相对运动,则接收频率与发射频率之间必然存在差异,这种差异恰恰产生于声波在声接收体与声发射体之间有流速梯度变化的那部分流体媒质的传播过程中。”
我赞同你的此观点。即运动波源发出的波与观测者之间的经典频率变化,可因波源或观测者表面部分的流体因粘性效应(或加之表面部分空间被拖曳效应)而与波源或观测者保持相对静止状态,因而使经典频率变化不再那么符合了,但还视不同状态而确定是否影响经典频率变化!例如,在流体中的小运动波源,其表面部分的流体会因粘性效应而与波源保持相对静止状态,此相对波源静止状态的流体,只不过等于增大了波源体积!它不会影响经典频率变化!
但是此状态既否定不了伽利略变换,也推导不出洛仑兹变换。
 [9楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/22 18:13 

洛仑兹变换最早是由洛仑兹拼凑出来的,我对爱因斯坦给出的所有推导洛仑兹变换的数学方法一直感到不满意。本人对洛仑兹变换已经思考几十年,迄今也仍未找到在逻辑上自洽的数学推导方法。我给出的仿洛仑兹变换实质上属于一种约定,只要得出的结论f'=sqrt((u+v)/(u-v))符合实验结果,那么它就是可以被接受的。
[楼主]  [10楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/22 20:12 

对你的仿洛仑兹变换,是如何描述时空的?如何将波传播速度c与二惯性系相对运动速度和时空联系起来构建成坐标变换方程组?
我未看到你的推导过程,我不好评说。但首先声明:绝不会同意运动系时空缓缩!例如,判定坐标值必须是某一时刻或者说某一瞬时的开始和终结!即不允许违背ut=ut'和t=t'!如果ut不等于ut'和t不等于t',则不是描述二系之间的时空关系,而只能是描述各自的不同运动过程!
所以我不会同赞用t不等于t'去解释此实验。即光信号从氢原子发出后,在管子中正反方向传播相等距离却要用不同的时间是并不违背伽利略变换的!那不是描述二系之间的时间关系的时间段!
而用伽利略变换照样能解释此实验!


 [11楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/22 21:38 

爱佛斯--斯提威耳实验是我最重视的验证狭义相对论的实验。该实验无疑地证明了直线光多普勒效应频率转换式f'=fsqrt((c+v)/(c-v))的合理性,其理论计算值比利用经典光多普勒效应频率转换式得出的理论计算值更符合实验观测值。关于声多普勒效应频率转换式f'=fsqrt((u+v)/(u-v)),就是将仿洛仑兹变换的1、4式带入f(t-x/u)中,从而得到f'(sqrt((u+v)/(u-v)))(t'-x'/u)。
利用伽利略变换不如利用洛仑兹变换解释爱佛斯--斯提威耳实验优越。不过反相学者们似乎很少关注和讨论该实验。
 [12楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/22 21:47 

用伽利略变换解释此实验,结果肯定连解释者自己都不会感到满意,因为有实验数据作证!我曾有一本罗瑟的著作《相对论导论》对该实验有介绍,这本书后来被我送给研究超光速的黄志洵教授了。
 [13楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/22 23:42 

若按经典多普勒效应,则f1=f(1-v/c),f2=f(1+v/c);若按相对论多普勒效应,则f1=fsqrt((c-v)/(c+v)),f2=fsqrt((c+v)/c-v))。您可以将实验数据与两种理论数据比较一下,看看哪个理论数据更贴近实验数据。
[楼主]  [14楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/23 00:55 

如果用伽利略变换解释该实验的理论数据,其结果是比用洛仑兹变换解释该实验的理论数据更符合该实验数据!
 [15楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/23 07:44 

请您将您用伽利略变换和经典多普勒效应给出的解释阐述一下为盼。
[楼主]  [16楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/23 08:54 

只有等晚上回来再说了.
[楼主]  [17楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/24 00:54 

爱佛斯----斯提威耳实验的解释
供大家批驳!
要解释该实验,首先要注重装置内的空间状态。氢原子注在该管子的空间以速率u向屏幕运动,那么该管子的空间必然被拖曳以速率u'向屏幕运动。
先不管管子内的空间和氢原子注运动到屏幕一端后的归宿;因为,即使空间和氢原子注运动到屏幕一端后不能从屏幕透过,必然形成同样速度的返回式涡流,但它们发出的光传播到屏幕的频率改变,同样和空间及氢原子注整体运动到屏幕一端而发出的光传播频率的改变相同。(在此不讨论此问题)。
于是,我们可得到观测频率V1’和V2’的解。设u'=fu,f<1,f>0,√{[()]}表示括号内数学式的平方根;则:
  V1’=V/{1+[u/(c-u')]}  
               =V/{1+[u/(c-fu)]}

               =V(1-u/c)/{1-[uu(1-f)]/c(c-fu)}
               =V(1-u/c)/√{(1-uu/cc)[2cc(1-f)-2cu(1-f)-uu(1-f)(1-f)/(c-fu)(c-fu)]}

      V2' =V/{1 -[u/(c+fu)]}
              =V(1+u/c)/√{(1-uu/cc)[2cc(1-f)+2cu(1-f)-uu(1-f)(1-f)/(c+fu)(c+fu)]}
上二式最后等号后的复杂化,只不过为了说明该式和用相对论数学式高精度相似!计算时不必用它!
于是,将上二式代入DV1=V-V1', DV2=V2'-V和DV/V=(DV2-DV1)/V就可得到空间向屏幕运动速率u'=fu的f=?最符合观测结果。

 [18楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/24 17:13 

楼主给出的解释完全属于个人独创,除非其有系统思想体系做基础,否则难以被理解和接纳。

根据经典多普勒效应,可设V'1=V/(1+v/c),V'2=V/(1-v/c),故有...,略,因为书写实在太麻烦且易乱套。
[楼主]  [19楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/25 10:00 

郭先生,那就是用经典伽利略变换和经典多普勒效应所做的推论。
系统思想体系就是真空是基础物质,或者说如你们所说的新的“以太”观;只不过我把真空和以太同一,不允许用绝对真空去装纳以太,这你应是知道的。
你试想,在地表某处空间一点(可用地表一点标识),一个人持氢原子发射器和摄谱仪以速度-fu相对该点向一方运动(注意:f<1,而且必须f>0),并不停向地表某处空间那一点方向发射速度为u的氢原子,同时用摄谱仪摄下氢原子发出的频率为V的光谱线,氢原子离开此人的速度为u,地表某处空间那一点也相当于以速度fu离开此人,摄下的光谱线频率就是:
   V1’=V/{1+[u/(c-fu)]}
此式和经典伽利略变换和经典多普勒效应不相违背。
另一个人在某处空间那一点的另一方远处,与持氢原子发射器的那个人总保持相对静止,同时用摄谱仪摄下氢原子发出的频率为V的光谱线,氢原子以速度u飞向他,地表某处空间那一点也相当于以速度fu飞向他,他摄下的光谱线频率就是:
   V2’=V/{1 -[u/(c+fu) )}
此试想也可在水中以声波代替光波做实验,但必须使声速c>u!上二数学式才成立。
 [20楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/25 16:59 

f和fu分别代表什么物理量?它至少在经典理论中并不存在。而且你先是设u'=fu,后面却出现了u/c-fu和u/c+fu(也许是你没有表示清楚,缺少括号,令人费解)。因为u/c为无量纲值而fu为有量纲值,在逻辑上,二者不该存在加减关系,如同u/c-u'或u/c+u',所以建议你再修正一下你的帖子。
[楼主]  [21楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/25 19:55 

确实应谢谢你!!! 
确实应将u/c-fu或u/c+fu改为u/(c-fu)和u/(c+fu),否则误会为u/c再-fu或+fu,等等。
再补充几句,f仅看作u的系数;严格讲f仅看作u的系数时不仅f<1,(也可f=1但失去u'存在价值),而且必须f>0;即f必须是介于0和1之间的正实数。
将u'=fu只不过是方便推出与相对论相似数学式,直接用u'也可。
也就是说:u/(c-fu)或u/(c+fu)就是u/(c-u')或u/(c+u')。
前几天都是很晚匆忙回答,数理逻辑不严,请谅。
 [22楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/25 22:17 

你我都属于以太论者。你所给出的系数f与菲涅耳解释菲佐实验所给出的菲涅耳拖拽系数类似,但你没有对其进行严谨且充分的论证。我对菲涅耳拖拽系数很感兴趣,菲涅耳对菲佐实验的解释之所以未能采信,是因为其与根据光的波动理论和折射理论得出的不同频率的光在介质(如水)中的传播速度不同相悖。在你的V1’=V/{1+[u/(c-fu)]}和V2’=V/{1 -[u/(c+fu) )}中,关键问题在于f值如何确定。如果你能根据爱佛斯----斯提威耳实验的有关已知数据反算出f,且证明这两个关系式中的f值相等,兴许会成为一个有意义的结论。
[楼主]  [23楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/25 23:08 

我刚才看到你发到我邮箱的论文《关于声波在流体媒质中传播问题的探讨》,我一定认真拜读。
关于我对爱佛斯--斯提威耳实验的解释,只是以前未整理的草稿之一,网页上用习惯性手稿写法常常出错。由于装修及搬家,可能要一段时间,手稿也东拉西扯压于包袱内,要过一段时间才能与同仁们交流讨论。
此实验f值与菲涅耳拖拽系数接近而稍高;但我不完全赞同菲涅耳拖拽系数,和你说的原因相同是原因之一,但空间被拖拽系数很可能和液体透光物质的折射率有关连,只不过折射率的产生的物理原因并不清楚,因而难说清为何有关连。还有就是,在光纤内部的空间,光纤高速运动时其内空间被拖拽系数将可能很高,而难与折射率有关连;还有爱佛斯--斯提威耳实验的氢原子注以气体论,其内空间被拖拽系数与菲涅耳拖拽系数接近,也难与折射率有关连。
爱佛斯--斯提威耳实验数据,直接以菲涅耳拖拽系数去解释也比较接近,但和折射率无关。

[楼主]  [24楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/25 23:43 

重要修改:
楼顶的有一公式应为: DV/V=(DV2-DV1)/V。
实在报歉!!!
 [25楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/26 13:54 

你的两个公式所遭遇的困难是:若f无法确定,则V'无从确定。
[楼主]  [26楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/26 15:42 

f只能通过实验数据导出,是:
  f=0.515,即u'=0.515u 。对三组数据都非常符合。
看来这个数值并不比菲涅耳拖拽系数高,例如,斐索实验以速度u运动的水中,钠黄光的拖曳速度u'=0.565u 。
我看了你的《关于声波在流体媒质中传播问题的探讨》一文。
你开始的推论不错,可是你中间不是数学推出,而是直接引用1/√[1-(uu/cc)],所以你的结果套用解释此实验也高度符合;因此现在在科技刊物使用的可能性较大,但还是令人感到遗憾。
该实验观测的是V,V1’,V2’。
V1’是光原以速度u离开观测者,其观测经典频率为:
      V1’=V/(1+u/c)
=V(1-u/c)/(1-uu/cc)
V2’是光原以速度u接近观测者,其观测经典频率为:
      V2’=V/(1-u/c)
=V(1+u/c)/(1-uu/cc)
假如猜测,实际观测结果是上二式的综合效应,于是,把上二式最后结果的等式两端相乘后,再将等式两端都开平方,即得到了与相对论解释的同样公式:

      V1’=V(1-u/c)/√(1-uu/cc)
V2’=V(1+u/c)//√(1-uu/cc)
以此解释即以相对论解释此实验高度符合
 [27楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/26 16:05 

假如猜测,实际观测结果是上二式的综合效应,于是,把上二式最后结果的等式两端相乘后,再将等式两端都开平方,即得到了与相对论解释的同样公式。我也曾经这样考虑过,但是在逻辑上,甚至自己都难以说服自己。我认为你的研究是有意义的,只是对f如何给出物理学解释,目前还缺少必要的和令人信服的实质思想。我说过,我对菲涅耳拖拽系数很感兴趣。也许在地球表面以V运动的物体内部的以太,其流速U受到地球和该物体原子核双重拖拽的影响而有0<U<V,即物体内部的以太的流动速度与物体的运动速度之间存在关系U=fV,其中f为拖拽系数,且0<f<1。
[楼主]  [28楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/26 16:49 

“对f如何给出物理学解释,目前还缺少必要的和令人信服的实质思想。我说过,我对菲涅耳拖拽系数很感兴趣。也许在地球表面以V运动的物体内部的以太,其流速U受到地球和该物体原子核双重拖拽的影响而有0<U<V,即物体内部的以太的流动速度与物体的运动速度之间存在关系U=fV,其中f为拖拽系数,且0<f<1。”
确实如此!就是这个物体内部的以太的流动速度与物体的运动速度之间存在关系U=fV,其中f为拖拽系数,且0<f<1,但要做出物理学解释很难;逻辑上讲空间应该被拖拽,而且被拖拽速度可能不同,才符合物质运动规律;可是用数学直接推出f不好办,用菲涅耳公式其折射率存在矛盾难化解,只能说经典理论解释用实验结果推出被拽引速度约为U=0.515V了。
 [29楼]  作者:平阳睡狮  发表时间: 2008/08/26 23:07 

根据你的V1’=V/{1+[u/(c-fu)]}和V2’=V/{1 -[u/(c+fu) )}可以得出认为,c'1=c-fu,c'2=c+fu,也就是说,由相对于摄谱仪运动的光源(氢原子)发射出的光的传播速度是可变的,c'1<c,c' 2>c。
[楼主]  [30楼]  作者:qstt  发表时间: 2008/08/27 00:24 

不错。
光相对空间的传播速度是c,只有空间相对观测仪静止时才可测量出c;否则必然测得其特征频率改变。其它波速也同样如此。只不过波的特性并不完全相同,即光波在真空只能以“粒子”波(同类于孤子波)方式传播!所以表现为波粒二像性。
这涉及物质的量的问题。空间以各种场方式传播各种波,但是,空间场所表现的质量密度绝不是物质的量的多少!以质量密度表示物质的量将有很多无法解决的矛盾,或者说将有很多解决不了的反逻辑问题。
实际就是说广义空间的体积大小就是物质的量的多少。因此,真空是基础物质观完全符合很早要求的以太特点:即真空无涨缩,而具有比质量密度最高的物质还高的刚性,同时又具有几无阻力的流体特性。

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