这个实验是多年前进行的,过去并没有引起重视,后来好像是西北工业大学杨新铁教授注意到,并由杨红新先生介绍给大家的。
我们知道,光速不变假说和地球拖动表面以太假说都可以解释迈克尔逊--莫雷实验。我国著名相对论物理学家胡宁(中科院理论物理研究所研究员、北京大学教授,中科院院士)在一篇纪念爱因斯坦诞辰一百周年的文章中写到:"如果一个人真正理解了以太模型下的电磁规律,他就不会建议用迈克尔孙干涉仪来测量地面相对于以太的速度。总之,在迈克尔逊实验结果和以太模型之间没有出现任何矛盾。" 胡宁在《狭义相对论实验基础》一书的序言中也指出:"迈克尔逊实验的零结果既可以用以太论来解释,也可以用相对论来解释,也就是说,它既不否定光速不变,也不肯定光速不变。"
而光速不变假说,至今仍然是一种假说,没有得到实验验证。张元仲研究员在《狭义相对论实验基础》说:"在这方面所做的大量实验,其目的是检验光速是否各向同性以及光速与光源运动是否相关。正如后面论证的,至今实验检验的只是回路光速的不变性。"
要验证光速不变假说,必须从两个相对运动的惯性系来测量或比较光速。 但是迄今为止的所有光学实验都是在地面系这一个近似惯性系完成的,根本谈不上验证了光速不变假说。这是我于2008年初意识到的,而王汝涌教授在1980年就撰文指出了,他还提出应该在卫星上重新做迈克尔逊--莫雷实验,他认为应该能检测到光速各向异性。
中日双向时间传递实验的意义,不仅仅是揭示了地球表面光速各向异性,而且从两个不同的惯性系检验了光速是否不变,得出否定答案,从而揭示了一个秘密--地球拖动了表面以太一起绕太阳公转。该实验检测到地球自转Sagnac效应值,但是没有检测到地球公转Sagnac效应,这是从两个不同的惯性系检验了光速不是不变,否定了光速不变假说。可以说,这个实验是判决光速不变假说和地球拖动表面以太假说哪个更接近真理的判决性实验。
正是由于这个原因,相对论支持者对这个实验提出质疑,主要理由是:
1.该实验并没有检测到地球自转Sagnac效应值,该实验的目的是为了校对中日两地的钟同步,而不是为了测量Sagnac效应值。实验中提到的Sagnac效应值是理论计算值,是为了校对中日两地的钟而计算的,一方的钟接收到对方电磁波信号之后,要把接收时刻加减Sagnac效应值进行修正,才能保证两钟时刻同步。他们认为,测量Sagnac效应值首先要确保两地的钟同步,而该实验的目的就是为了让两钟同步,说明开始两钟是不同步的,不同步的钟怎么能够检测Sagnac效应值?
这种理由竟然赢得了一些人的赞同,包括开始也认为该实验足以否定相对论的王飞先生。
这说明他们没有正确理解这个实验的原理。
这个实验之前,中日两国的钟肯定已经通过其它手段与世界上其它的标准钟校对过,已经大概同步。至于什么手段,这个我就不多说了,我只介绍国家授时中心网站介绍的曾经进行的国际合作项目,一个是1981年与美国海军天文台合作的,由美国海军天文台搬运铯原子钟来华,乘我国民航班机在上海、西安、北京之间完成原子钟的时刻比对,然后回到美国。一个是1984-1985年中意利用天狼一号卫星进行时刻比对,利用天狼一号卫星进行中意之间时刻比对,意方搬运原子钟,由都灵米兰-巴黎-北京,然后返回。
如果中日两国的钟实验前没有大概同步,该实验如何做到同时发送电磁波?可以肯定,两钟大概同步,但是不完全同步。
没有完全同步的钟,能不能进行有效实验?
实验原理其实介绍的很清楚,但是很多人没有看懂。在此,我通俗易懂地解释一下:
假设中国的钟是标准的,而日本的钟慢1ns。也就是说,中国在0时刻发送电磁波,1ns后日本才是0时刻,此时日本才发送电磁波。
假设地球没有自转,电磁波从中国通过同步卫星传到日本大约耗时0.3s,那么,中国0时刻发送电磁波后,在0.3s+1ns接收到日本发送过来的电磁波。而日本方面,在0.3s-1ns接收到中国发送过来的电磁波。这可以通过两地的时间间隔计数器精确记录时刻。
按照《中日双向时间传递实验》一文介绍的公式,不难计算出,两钟时间差为(0.3s+1ns)-(0.3s-1ns)/2=1ns。
现在地球有自转,电磁波从中国传到日本耗时0.3s+87ns,而从日本传到中国耗时0.3s-87ns。那么,中国0时刻发送电磁波后,在0.3s-87ns+1ns接收到日本发送过来的电磁波。而日本方面,在在0.3s+87ns-1ns接收到中国发送过来的电磁波。
按照《中日双向时间传递实验》一文介绍的公式,不难计算出,两钟时间差为(0.3s-87ns+1ns)-(0.3s+87ns-1ns)/2=-86ns。
这是中日两地时间间隔计数器的数据相减的结果,对于这个结果需要分析,为什么两个时间间隔计数器的读数相差这么大?经过计算,地球自转带来的Sagnac效应值为87ns,于是得出两钟实际时间差为1ns。
这就是中日双向时间传递实验的原理,Sagnac效应值既是理论计算值,也与实验结果相符合。我请教过林金教授,他也说中日双向时间传递实验检测到了自转Sagnac效应值,理论值与实验值相符。
一些人看不懂实验原理,就提出以上质疑。他们应该想想,没有中日双向时间传递实验,两国的钟就都不准了吗?如果该实验是为了让一方的钟与另一方同步,那么,是中国的钟按照日本的时刻同步,还是日本的钟按照中国的时刻同步?有什么理由相信自己或者对方的钟才是准确的?
2.该实验检测不到公转Sagnac效应值是正常的,因为地球公转角速度只有自转角速度的1/365,所以公转Sagnac效应值只有自转Sagnac效应值的1/365,所以检测不到。
持这种解释的人不少,包括林金、张操、陈其翔教授。我认为这是没有仔细、深入思考的缘故,我的论文《迈克尔逊--莫雷实验能证明光速不变原理吗?》早就指出过这种分析错在哪里。
我认为Sagnac效应既不是狭义相对论效应、也不是广义相对论效应,甚至谈不上"效应"二字。正反向两束光在闭合回路运动,而回路自身又相对光运动,两束光当然不能同时回到起点。两束光回到起点的时间差与回路相对光的速度有关,而不论回路是作圆周运动还是直线运动。这是小学生都能够理解和计算的。
王汝涌教授用实验证明了,即使回路是矩形、8字形、近似两段直线,只要回路相对光运动,两光束回到起点同样存在时间差,也就是Sagnac效应。Sagnac效应与转动无关,与回路面积无关,只取决于回路长度和速度。
所以,如果光速不变假说成立,那么中日双向时间传递实验肯定应该能够检测到公转Sagnac效应值,而且应该比自转Sagnac效应值大两个数量级,因为地球公转速度是30公里/s,而自转速度不超过0.46公里/s。
很多人只注意到转动回路的Sagnac效应计算公式中的角速度ω,而忽视了半径r,所以误以为Sagnac效应值正比与角速度ω,误以为地球公转Sagnac效应值只有自转Sagnac效应值的1/365,而忽视了地球公转半径(约1.5亿公里)远远大于自转半径(约6400公里)。
还有人试图论证,由于太阳引力场的存在,所以检测不到公转Sagnac效应值。这是信口开河、想当然的解释。地球附近地球的引力场强是太阳引力场强的数十倍,地球的引力场对自转Sagnac效应毫无影响,太阳的引力场为什么能对公转Sagnac效应造成影响呢?
还有人说,地球公转转动很慢,每一瞬间近似平动,而平动可以当作惯性系处理,惯性系光速各向同性,所以检测不到公转Sagnac效应值。持这种解释的人应该给出充分的论证,公转角速度在多大范围类才能作为惯性系处理,也就是必须推导出光速与公转角速度的函数关系,而不能想当然的认为角速度多大是快、多大是慢。
即使给出了光速与公转角速度的函数关系,认为公转角速度很小的情况下光速各向同性,可以检测不到公转Sagnac效应值,这也仅仅是转动系的分析结果,而不符合不转动的日心系的分析结果,仍然是否定日心系这个惯性系光速不变。
如果认为日心系分析可以不存在公转Sagnac效应,那就是认为日心系和地心系不平权,这是违背相对论的理论前提的。
分析至此,我相信思维能力强的人应该能认识到:该实验是检验光在不同惯性系速度是否不变的判决性实验,该实验的结果否定了光在不同惯性系速度不变的假说,揭示了地球拖动了表面以太一起绕太阳公转这个古老的假说更接近真理。