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关于相对论多普勒效应的最新实验验证
[楼主] 作者:physicist  发表时间:2002/07/21 04:21
点击:1382次

是1994年R. Grieser等人做的。实验原理类似于Ives-Stillwell试验,粒子的速度是0.064c。 实验测得的激光共振频率是512 667 592.4(3.1) MHz 按相对论预言的共振频率是512 667 588.3(0.8) MHz 经典理论预言的共振频率是514 776 111.3(0.8) MHz 其中括号中的数字是实验误差的方差。相对论的预言完全落在两倍方差的范围内,而非相对论的预言则远在误差的百万倍之外。现在逆子先生怎么看? 也提请hudemi先生注意,这个实验所验证的,已远远超出了两阶效应,三阶、四阶,乃至五阶效应都验证了。你也该检验检验你的理论了。 有关文献: R. Grieser, R. Klein, G. Huber, S. Dickopf, I. Klaft, P. Knobloch, P. Merz, F. Albrecht, M. Grieser, D. Habs, D. Schwalm, and T. Kuhl, Applied Physics B 59, 127 (1994).
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[楼主]  [2楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/21 04:25 

补充,1997年改进后他们重做了这个实验
把实验精度又提高了差不多一倍。
 [3楼]  作者:hudemi  发表时间: 2002/07/21 13:37 

PHYSICIST,感谢你提供的信息
PHYSICIST,你好! 感谢你提供这样的信息,你知道,对相对论我完全是一种业余爱好,因此不可能跟踪到物理前沿,难于了解到最新的实验情况。 对于你提供的实验结果,我乐于用来检验我的假设。可惜短期内我恐怕难于按你提供的找到住处找到原始资料。如果你有空的话,麻烦你代为检验一下我的公式,我推导的光的多普勒公式为: f/f0=1+v/c+vv/(2cc) (水平相向运动) f/f0=1+v/c+vv/(2cc) (水平背向运动) f/f0=1+v/c+vv/(2cc) (垂直方向运动) 希望你能将验算情况帖出,万分感谢! 黄德民
[楼主]  [4楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/21 14:38 

你的理论与这个实验不符
这个实验其实是同时测量了两个多普勒效应,一个相向,一个背向。实验中两束激光频率在多普勒频移后,正好等于两条锂离子光谱线的频率。设激光的频率分别为fa, fb,光谱的频率分别为f1, f2。按相对论多普勒公式, f1 = k * (1 - v/c) * fa f2 = k * (1 + v/c) * fb 相乘,并注意 k*k = 1 / (1-vv/cc),得 f1 * f2 = fa * fb 这个实验验证的就是这个简单的关系。 如按你的理论 f1 = (1 - v/c + vv/2cc) * fa f2 = (1 + v/c + vv/2cc) * fb 相乘,得 f1 * f2 = fa * fb * ((1 + vv/2cc)^2 - vv/cc) 预言的共振频率是 fb = f1 * f2 / fa / ((1+vv/2cc)^2 - vv/cc) 其中 f1 * f2 / fa就是相对论的预言值,为512 667 588.3(0.8) MHz,v/c = 0.064,代入,得 fb = 512 665 438.0(0.8) MHz 与实测值512 667 592.4MHz 相差 2154.4 MHz,而实验的标准方差只有3.1Mhz,你的预言在方差的695倍之外,显然已被这个实验否定。
 [5楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/21 16:36 

在量子时代,结果越精确就越可疑?
以前用来证明相对论的实验一般都有较详细的介绍, 所以大家还可以评论一二, 王利军的实验多少还讲一点内容的吧? (他的实验细分析起来也存在一些疑问的) 还是要有一点实验介绍才好, 至少有些实验方法值得参考,
 [6楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/21 18:34 

你并没有讲明白。
你谈到:实验测得的激光共振频率是512 667 592.4(3.1) MHz 按相对论预言的共振频率是512 667 588.3(0.8) MHz 经典理论预言的共振频率是514 776 111.3(0.8) MHz 为何经典的预言的共振频率与相对论光速度多谱勒频移的相差这样大。在发光体在0.064C的速率下,根本没有如此大的差别。是你或实验者盲目地引和经典关系式了吧? 经典的理论关系式有两个,你引力了哪个来推算的?如果引用f=f^(1-u/c)关系式后,它能与相对论的计算值有差别吗?

※※※※※※
逆子
 [7楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2002/07/21 18:54 

是1994年R. Grieser等人做的。实验原理类似于Ives-Stillwell试验,粒子的速度是0.064c。 实验测得的激光共振频率是512 667 592.4(3.1) MHz 按相对论预言的共振频率是512 667 588.3(0.8) MHz 经典理论预言的共振频率是514 776 111.3(0.8) MHz [[[[[沈建其回复: 黄德民理论在10的-3次方精度瞎与实验不符,而相对论的精度比黄德民好100倍. 所以黄德民的Doppler公式已被实验推翻. 上面的数据支持了相对论Doppler公式在11级效应下还是正确的,因为(6*10^(-2))^11=10^(-9).实验做的越精确,可望在任意阶都正确.实验只支持黄德民仅有的二阶结果,因此黄德民的公式不对.
 [8楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/21 20:07 

vv/2cc从何而来?
如果有以太的存在的话。我们只有确立以太的速度,就可以利用声波的多谱勒频移来推算。 如果没有以太的存在的话,就应利用f=f^(1-u/c)来推算光波的多谱勒频移。即观测者静止,波源运动时的关系式。 如果相信时间可以随速度膨胀的话,那就是相对论中的多谱勒频移的。 以上的三种关系式有足够的理论基础,况且,声波我多谱勒频移已得到理论上与实验上的证实,以此并不可以推导出有vv/2cc的可能性。无论是发射假说,还是牵引假说,还是相对论的时空观都不会有此结果。不知采用是什么原理?

※※※※※※
逆子
 [9楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/22 01:09 

有一点疑问
单从公式和数据上看不出什么问题, 根据经典的光源运动公式, f1*f2= fafb/(1-vv/cc)=1.0041128*fafb 不过还是有一点疑问: 看来这个实验与雷达测速差不多, 是用两束激光同时照射运动的粒子(原子?) “一个相向,一个背向”, 按说只要测量反射激光的频率就可以了, 不过反射回来的激光频率很可能是某个频段的“连续谱”? 那么就要分别找出与固有激光频率fa和fb相差最多的频率fmax和fmin, “向相”频移频率就是fmax=f1, “背向”频移频率就是fmin=f2, 可是怎么又引入了: “正好等于两条锂离子光谱线的频率”的问题呢? 这是一种巧合吗? 还是需要很好的控制粒子的运动速度才行? 如果是反射激光“连续谱”内的某个频率f 与锂离子光谱内的某个频率f1产生了共振, 可是还是要考虑应应该满足如下条件:这个激光反射频率f=fmax, 激光反射频率是某个频段内的连续谱总没有问题吧? 这是由各角度反射激光的频率连续性所决定的, 探测反射激光的探头不可能正好只接收到 粒子正前方(或正后方)的反射激光吧? 可能还要选出“连续谱”中的极值频率---频移量最大的频率, 关键是怎样得到fmax和fmin呢?很不容易吗? 用“锂离子光谱---激光共振”似乎与这个思路不同?不相干? 有点费解,不过这种实验思路很值得参考、借鉴? 逆子说过的两位前辈也做过一些尝试,虽然粒子速度低一点(0.01c), 但能否介绍一下大概的实验情况呢?
[楼主]  [10楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/22 02:29 

实验精度离普朗克常数还差得远呢
这样的实验精度,跟普朗克常数相比还差得远呢。实验的细节都在文献那儿摆着呢,如果你真的要质疑,最好自己去研究文献。这里我简单介绍一下这个实验的原理。 实验用的发射系统,是高速运动的锂离子。实验用到了锂离子的三个能级,不妨称其为能级1(实际上是2^3S能级下的J=1, F=3/2的超精细能级),能级2(2^3S,J=1, F=5/2),能级3(2^3P, J=2, F=5/2)。其中能级1最低,能级3最高,能级2只比能级1高一点点。它的能级图看起来就像希腊字母lambda,所以称为lambda系统。 先考虑静止的情况。通常情况下,锂离子主要存在于能级1上。当我们用一束激光去轰击锂离子时,如果激光的频率正好等于能级3与能级1的差别时,锂离子就会被激发,跃迁到能级3上。但能级3是不稳定的,锂离子会再次跃迁到能级1或能级2上。这样,轰击的结果,会使处于能级2的锂离子数目大幅度增加。 如果这时再用另一束激光去轰击这些锂离子,而这束激光的频率是可调的。那么当激光的频率调到正好对应于能级3与能级2的差时,激光将会被大幅度吸收,并产生荧光。所涉及的两条光谱线的频率已经被精确的测定,设它们是f1(1->3), f2(3->2)。 现在来考虑运动的情况。设有一束高速运动的锂离子,这些离子的速度有大有小,具有一定的分布(当然分布并不是很宽)。现在从这束离子的背后发射激光,而且激光的频率略高于能级3与能级1的差。由于多普勒效应,锂离子接收到的激光的频率会降低一点,降低多少取决于离子的速度。只有某种具有特定速度的锂离子接收到的激光的频率正好对应于能级3和能级1的差,所以只有这部分锂离子才会被激发,因此也只有这部分锂离子才会大量地处在能级2。 现在在从这束锂离子的正面射去可调激光。同样由于多普勒效应,锂离子接收到的激光频率会略高一些。由于只有被第一束激光选中的那种速度的锂离子才会富集在能级2,也只有当第二束激光的频率经过那个速度下的多普勒频移后正好对应能级3与能级2的差时,激光才会被大量吸收。这个第二束激光的频率,就是所谓的共振频率。通过测量系统发出的荧光的强度,可以得知第二束激光是否与系统发生了共振。 设第一束激光的频率是fa, 第二束激光的频率是fb,被选中的锂离子的速度为v。根据上面的原理,四个频率之间满足以下关系: f1 = fa * f(v) f2 = fb * g(v) 两个函数f(v)和g(v)分别是背向和相向的多普勒频移公式,不同的理论给出的函数形式不一样。 对于狭义相对论而言 f1 = fa * k * (1 - v/c) f2 = fb * k * (1 + v/c) 相乘后,得 f1 * f2 = fa * fb (1) 故狭义相对论预言的共振激光频率应为 fb = f1 * f2 / fa 对于经典理论而言 f1 = fa * (1 - v/c) f2 = fb * (1 + v/c) 相乘,得 f1 * f2 = fa * fb * (1 - vv/cc) (2) 故经典理论预言的共振激光频率应为 fb = f1 * f2 / fa / (1 - vv/cc) 实验的目的,就是检验相对论预言的共振频率是否与实测值相符。实验的结果,昨天已经给出,这里再补充得完整一点。 实验中第一束激光的频率是fa = 582 490 603.370(0.130) MHz 实验测得共振激光频率是fb = 512 667 592.4(3.1) MHz 静止参照系下两条谱线的频率分别为[这是另一组实验科学家独立测量的,结果发表在Physical Review A 49, 207 (1994)上。下面两个数据是我自己从这篇文献上找来的。Grieser他们用的数据我没有找到,所以用下面这组数据推算的相对论预言值与昨天给出的会略有不同,但都在误差范围内] f1 = 546 474 963.42 (0.4) MHz f2 = 546 455 145.74 (0.4) MHz 这个实验构思的精巧之处,就在于对狭义相对论而言,最后的公式(1)中没有出现离子的速度。相对光谱而言,速度是一个比较难以测准的量。由于只用到可以精确测量的光谱数据,这个实验就能对狭义相对论作出非常严格的检验。
[楼主]  [11楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/22 02:30 

相差大吗?
只不过不到0.5%的差别,在0.064c下,就是这个差别。 实验的原理我在下面介绍了,我引用的经典公式也写在那儿了,当然是你所说的那个f2。你自己代入数据算算就明白了。
[楼主]  [12楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/22 02:31 

看上面
在了解实验原理之前,不要胡乱猜测。
 [13楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/22 14:56 

只说有疑问的地方:康普顿效应误差?
有一些内容就易于分析了, 这个实验的确设计的比较巧妙,很多东西可以借鉴, 现在只说有疑问的地方,也难免有不当之处,探讨着看吧, 既然“这些离子的速度有大有小,具有一定的分布”, 那就有“康普顿散射”频移对其它速度的锂离子产生影响的问题了, 比如当从离子背后射出的激光频率fa略高于f1时, 除了有因达到“合适速度”而接收到了频率f1以外, 还会有一些速度v并不是“合适速度”的离子吧? 可是由于“康普顿散射”产生的各方向频移, 使得它们这些比“合适速度”大和小的离子也有会接收到f1吧? 那么fb和f2的情况也存在这个问题? 这样在调节f2时,如果频率是按递减调节的(从高向低调), 那么就会被低于“合适速度”而又接收到了“散射f1”的离子误导, 荧光就会提前出现, 如果频率是按增减调节的(从低向高调), 那么就会被高于“合适速度”而又接收到了“散射f1”的离子误导, 亮度就很难说了,可能不应该与亮度相关吧? 总之他们是否考虑过“康普顿散射”频移造成的误差呢?
[楼主]  [14楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/22 15:08 

当然考虑了
考虑的误差来源少说也有十几项。你说的早已包含在实验误差的分析之中了。他们观测的是荧光强度的峰值,而尽量减小峰宽就是实验的关键之一。 实验物理学家不是笨蛋,他们报道的实验误差不是凭空拍脑袋想出来的。
 [15楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/22 22:39 

信口开合?
我说的多谱勒关系式f=f^(1-u/c)与相对论的多谱勒频移关式只差一个膨胀因子。就连相对论者,更甚者教科书上也是这样讲的。在u/c>>1时,它是相对论多谱勒频移的近似式。一般可以用此式作近似的计算。 也就是说,在低速情况下,f^作为观测数值,按相对论的观点,它是除以一的(低速时膨胀因子为一),你可知一个数除以一等于几喽? 你所谈到的发光体的速度为0.064C的情况下,f^应除以0.9979979即可(如对此否认的话,你可以提出来),这样,来算出它两式之间的误差数值。这已不算是相对论的问题,仅是一个数学的问题。不知你的数字是从哪里编造来的?一个数除以一与除以0.9979979会有天壤之别,说说看?不是你有意放大的吧?数子可不能放哟。

※※※※※※
逆子
 [16楼]  作者:逆子  发表时间: 2002/07/22 22:59 

式中的“k”为何物?
你在上贴中谈到,狭义相对论多谱勒频移关系式为: f1 = fa * k * (1 - v/c) f2 = fb * k * (1 + v/c) 我不知你式中的K表示什么?如果K是膨胀因子的话,正确的相对论就是这样的: f1 = fa (1 - v/c) /K f2 = fb (1 + v/c) /K 不信的话可以问问你的老师,也可以查一下书。如还是这种结果的话,那就是逆子看走眼了。确信以后再通知逆子一声。 利用原子自振动周期与策动力的共振发光来测定多谱勒频移也没有如此复杂。何必相乘才有结果呢?

※※※※※※
逆子
 [17楼]  作者:李可111  发表时间: 2002/07/22 23:04 

不信口开河就不是捍相者了。跟他们讨论问题简直是浪费时间。
 [18楼]  作者:李可111  发表时间: 2002/07/22 23:13 

对!因为量子力学和相对论一样没有采用标准描述体系,结果越精确就越证明他们随意取值去迎合某一既定的目的。
越精确就越荒谬。
 [19楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/23 00:56 

这样的话,可能问题就更多了?
我以为他们不会用荧光强度作为测量标准, 如果他们“用荧光强度的峰值”作为判断标准的话, 问题就更多了: 1、固定的fa决定了“适当速度原子”的数量, 如果这个数量小于“不适当速度原子”的数量呢? 它们是否也会产生“荧光强度峰值”? 2、如果出现康普顿散射后的“色散振幅叠加”呢? (王利军的实验也提到过这个问题) “不适当速度原子”的数量即使较少, 也有可能产生“荧光强度峰值”? 3、如果激光辐射影响了被测原子的速度(特别是“相向”辐射), 那么有意义的共振只会出现在极短的一瞬间? 再考虑到上面的两个因素,这一瞬间就有点显得微不足道了吧? 这不就是量子力学的测不准问题吗? ========================== 附文: “这种事态与Heisenberg所阐明的所谓测不准原理有联系。 也许这个原理可解释如下。 一切物理测量都包含着被测量物体和测量仪器 (它也可是观察者本身)之间的能量交换。 例如一束光线照射到物体上,物体反射的一部分色散的光可被测量仪器吸收。 任何这种能量交换将会改变物体的状态,物体在被测量以后将处于一种与 以前不同的状态之中。因此可以说,测量产生刚被测量过程本身破坏的那种 状态的知识。测量过程干扰被测量物体,在宏观物体情况下可以忽略不计, 但在原子物体的情况下则不行;因为这些物体可受到例如光辐射十分强烈的影响。 因此不可能在一个原子已被测量后直接从测量结果中推论出它的状态。” 引自: 第九章 对量子论的若干意见 http://ocr.tab.net.cn/GB/zxzj/b/bopo/kxfx/009.htm
[楼主]  [20楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/23 02:56 

谁在信口开河?
不要老说接近1接近1,没有人否定它接近1。但现在我们在谈论具有亿分之几精度的1994年的实验结果,不是只有百分之几精度的1938年的实验。 首先,不是除以0.9979979,而是(1-0.064*0.064) = 0.995904。这里没有开平方,因为试验涉及两个相反方向的多普勒频移的叠加,要用膨胀因子的平方。 现在自己做个简单的小学算术题去 512 667 588.3 / 0.995904 = ? 是不是514 776 111.3 ?
[楼主]  [21楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/23 03:00 

k = 1 / sqrt(1 - vv /cc) 通常的书上写作希腊字母gamma的那个。 相乘只是分析方便,不相乘当然也有结果。 这个实验的结果,简单点说,就是在相同的速度下,两束激光的频移结果为: 背向:582 490 603.370(0.130) MHz => 546 474 963.42 (0.4) MHz 相向: 512 667 592.4(3.1) MHz =>546 455 145.74 (0.4) MHz 这些都是实测的实验数据。在经典理论下,这两组数据是互相矛盾的;而在狭义相对论下,他们是一致的。 换一个角度也能看出经典理论无法自圆其说:根据第一组数据,速度应该是 v/c = 1 - 546 474 963.42 / 582 490 603.370 = 0.061830422 而根据第二组数据,速度应该是 v/c = 546 455 145.74 / 512 667 592.4 - 1 = 0.065905382 两者不一致。
[楼主]  [22楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/23 03:08 

自己查文献看去
我没时间继续介绍这个实验的细节问题了。看完了有问题再来问。 这不是某个实验的设想,这是一个已经完成的实验。简单的说,你提到的问题,要么已经作为误差来源之一加以考虑,要么根本微不足道,在实验精度内没有可观测的效应。 速度的分布当然是经过控制的。是噪声多还是信号多,实验的原始数据、图谱都在文献上摆着,不是想当然谁多就谁多的。每一项可能的误差的分析也都在那里摆着,是定量的分析,不是你这样的定性思考。 再说一遍,这个实验的精度离普朗克常数还远得很,量子测不准在这里没有那么明显的效应。你可以自己算算那个频率下光子的动量,再算算0.064c的锂离子(锂7同位素)的动量,差多少个数量级?测量能对锂离子的状态产生多少影响?
 [23楼]  作者:xdjxx  发表时间: 2002/07/23 04:51 

回复:锂离子的参照系是否不同?
锂离子高速飞行,与静止的实验者不在一个参照系上,用静止状态下的能级和谱线频率恐怕不合适.运动中的介子寿命都可延长,运动中的锂离子的能级和谱线频率是否也会改变?实验者证明了运动中的锂离子的能级和谱线频率不会改变吗?为什么实验者不用相对论来校正可能的变化或证明相对论不适用于能级和谱线频率?
[楼主]  [24楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/23 05:11 

锂离子是光信号的接收者
应该这样看:锂离子是光信号的接收者。以锂离子为参照系,锂离子本身是静止的,而两束激光分别以0.064c的速度接近它和远离它。
[楼主]  [25楼]  作者:physicist  发表时间: 2002/07/23 05:27 

请不要称我为捍相者
 [26楼]  作者:cavalleria  发表时间: 2002/07/23 07:42 

干脆你就直接说这个实验子虚乌有得了.
作者胡编滥造,编辑一定拿了红包,而且这个文献也是physicist杜撰出来的,因为逆子活了这把年纪,还从没有看到过.
 [27楼]  作者:cavalleria  发表时间: 2002/07/23 07:46 

从来没人把你当"挑战者",物理学界根本不承认你们够得上挑战者,何来捍卫者?
别做你的大头梦了.
 [28楼]  作者:yanghx  发表时间: 2002/07/23 14:29 

那就再等等报道和资料吧,不过怎样计算碰撞光子的数量呢?
动量相差是不少, 可是你怎样确定在原子半径范围内、一段时间内, 与锂原子发生碰撞的“光子”数量呢? 还会差的很远吗? 其实美国人花不少钱想在航天飞机上检验广义相对论, 如果这个实验确实有把握的话,不如花点钱在这上面, 只要狭义相对论得到确证,广义相对论也就有了基础? 不过估计这个实验可能会遇到不少争议, 其实“持相对论”和“疑相对论”的双方都希望实验数据完全没有可质疑的地方, 或者说实验是简单明了,无可争议的, 因为双方都自信只要有这样的实验方法, 就一定能验证自己的推测?
 [29楼]  作者:xdjxx  发表时间: 2002/07/23 15:32 

回复:报告结果的是实验者
锂离子并没有报告自己的观察结果,对于实验者重要的似乎是锂离子运动时的能级和谱线频率与可控激光频率的一致.用静止时的谱线频率代替运动时的数据来计算,似乎不符合相对论的原则,因为这样实际上假设了不同参照系的观察结果是一致的,即锂离子报告的结果等于实验者报告的结果.
 [30楼]  作者:李可111  发表时间: 2002/07/23 22:45 

我并没有指您,我是指资料的始作俑者。您和沈先生都是很有才能和雅量的学者。
只不过,哎……

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