磁场影响光速实验可行性方案探索

    引言
    除了分子原子组织的介质，光波深层次的介质是否存在？如果存在又会是什么样的物质组织？会不会是电场磁场引力场？分子原子介质中的光速较小，实际上就是原子中电子周围电场磁场原子核周围电场磁场对于光速的影响。但是科学通常不是从这种角度看问题，也不将光速与各种场进行联系。
    探索光波与物质场的关系，总是会让一部分人感到兴趣。很遗憾在这方面做出探索成果又总是很艰难。数学模型很难建立，实验探索也总是陷入种种弯路。近来考虑光纤陀螺的发展，中等精度的光纤陀螺仪能够检测 0.000,3 deg/s 的转动角速度，可能为磁场影响光速实验创造了条件。所以有必要就这方面的问题展开更加深入的研究。
    因为一个世纪以前有很多此类试验没有成功，所以这里的题目是《磁场影响光速实验再探索》。
 
    一、理论探索
    首先需要从理论上知道实验的可行性以及是否容易实现。需要考虑的第一个问题是，运动电场磁场能够多大程度上影响介质运动？
    电场磁场能够在多大程度上影响光速？这个问题一直来很少有人进行理论方面的探索，这也导致历史上很多此类试验缺乏理论指导成为失败的尝试。这些失败试验，是最近在网上从一位网友那里得知的。不过，我想不是过去的科学家不想探索这方面的理论问题，可能由于历史的局限，很少想到这方面正确的思路。关于电场磁场能够在多大程度上影响光速，我有一种想法，由于引力场无法屏蔽，很多空间中，多种类型的场同时存在，电场磁场引力场影响光速的影响力因素是能量密度比例。这里就牵涉到一个问题，电场的能量密度和磁场的能量密度如何计算？这个问题很多人可能没有注意，其实现在各地的普通物理中都已经有介绍。电场的能量密度 EE/8πk，E 是电场强度，k 是静电力常数。磁场的能量密度 BB/2u，B 是磁感应强度，u 是 2e-7 ，数据均是标准单位制，下同。根据已有的计算电场磁场能量密度的算法，可以类比得到引力场能量密度计算方法，gg/8πG，g 是重力加速度，G 是万有引力常数。由此计算地球附近的引力场能量密度，5.74e10 。大约是工业磁场 1.5T 能量密度 5.63e6 的 10,000 倍，大约是工业电场能量密度的 1,000,000 倍。在地面附近，引力场是绝对的主导因素，宏观电场磁场对于光速几乎没有影响力。所以简单的实验检测不到效应。
    与电场相比，磁场容易实现更高的能量密度，所以这里主要讨论磁场。由于光纤陀螺仪检测的是旋转场，所以这里需要旋转磁场，旋转磁场有几种实现途径，方便的一种途径是利用普通电机定子产生旋转磁场。所以我们首先讨论普通三相电机产生的旋转磁场。不过有人指出旋转磁场并不是真的旋转。这一提醒让我考虑旋转磁场可能存在复杂的成因，物质主要是径向运动伴随旋转磁场也是可能的。所以稳妥的实验方案可以先选择旋转永磁体来实现旋转磁场。不过作为后续不可避免的进一步实验，电机旋转磁场仍然在讨论之中。

    二、普通三相电机产生的旋转磁场
    考虑具体实验中光纤陀螺仪占据电机转子空间，中间空腔里的磁感应强度会衰减很多，如果磁感应强度最大值是 0.1 T，再考虑分布不均，空腔里磁场能量密度平均值约为地面引力场的 5,000,000 分之一。普通三相电机可以产生每分钟 50 Hz 的旋转磁场。光纤还有一个阻滞作用，折率是 1/n = 0.645，可以推算，电机旋转磁场空腔里物质传导转速约 0.002,2 deg/s，7 倍于普通光纤陀螺的精度。如果线圈产生的旋转磁场与永磁产生的旋转磁场没有什么不同，实验思路是可行的，如果成功能够在某种程度上说明问题。后续的实验需要更高的实验精度，可以选择更好的光纤陀螺仪，需要更好的仪器提供条件来支持。

    三、永磁体磁场分布设计
    我们认为，场源转动如果没有引起周围场分布变化，周围场有可能不跟着旋转。圆柱磁体沿圆周方向转动，周围磁场可以不跟着转动。这种旋转场设计思路首先被排除。这里需要多磁极运动构成旋转磁场。光纤陀螺仪是一个扁平的圆盘，在两边圆面布置多个磁极，能够在光纤上形成较大的磁场。磁极多了相互干扰，或者分布模糊，效果也不好，根据光纤陀螺仪的形状，4 块 C 型永磁铁衔住光纤陀螺仪，单面 4 极，双面 8 极驱动，就可以了。较大的 C 形磁铁较小长度的开口，以及采用稀土永磁，有利于获得开口空间较强的磁场。稀土永磁剩磁 1.15 T，断面尺寸 50*50，开口长度 35，开口处磁感应强度 0.7 T，磁能密度 1.225e6，环形光纤上平均值 3.06e5，为地球引力场能量密度的 187,600 分之一。手动驱动能够实现 15 Hz 的旋转磁场。光纤阻滞折率 1/n = 0.645，可以推算，永磁旋转磁场物质传导转速约 0.01857 deg/s，62 倍于普通光纤陀螺的精度，精度高于电机旋转磁场方案 8 倍。也说明用三相电机产生旋转磁场只是容易实现，但不是好方法。

    四、静磁干扰分析
    由于本实验是强磁场实验，旋转磁场的静磁因素对于光纤陀螺仪的影响无法避免，且大大大于旋转因素对于光纤陀螺的影响。以抗磁场干扰较好的 VG951 型光纤陀螺仪为例，静磁影响 < 1°/HR/GS 。光纤束上磁感应强度平均值 2000 GS，影响效果折合角速度 0.6 deg/s。这个影响没有超越仪器量程，但是这个影响是仪器精度的 2000 倍，是实验效果的 32 倍。因此对于本实验来说，光纤陀螺仪的精度倒不是最重要的，重要的是光纤陀螺仪的抗磁场干扰性能和这种性能的稳定性。

    五、激光陀螺仪原理及特点
    有一种光学陀螺仪，叫 激光陀螺仪，原理与光纤陀螺仪差不多，其实就是一个环形谐振腔的激光器而已。激光在环形回路上被放大继续不停的走环路，正向反向光波在同一个光路上，却能够各走各的，却也有趣。光波在激光介质内在氦氖气体中传播，在激光器外，光波在空腔管道中传播，因此磁致旋光效应等影响都很微弱。由于是检测频率，与偏振无关，偏振不影响测量结果。由于检测频率采用全数字电路，抗电磁干扰能力强，精度与 VG951 型光纤陀螺仪相近，是本实验更合适的仪器选择。国内西安航天长城仪器公司等少数几家公司有生产。