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迈克尔逊-莫雷实验结果新解
[楼主] 作者:彭晓韬  发表时间:2012/03/28 17:13
点击:4150次

迈克尔逊-莫雷实验结果新解

作者:彭晓韬

2012.03.25

[文章摘要]:本文试图通过对迈克尔逊-莫雷实验结果一种全新的解释来阐述光速不变假设的多余性,从而也进一步论述相对论的基础并不牢靠。1887年,阿尔贝特·迈克尔逊和爱德华·莫雷在克里夫兰>的卡思应用科学学校进行了非常著名的迈克尔逊-莫雷实验,目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。但事与愿违,实验结果证明以太风的速度为0或根本不存在以太风。为解释此项实验结果与人们在实验前的预期完全不一致的问题,在1887年到1905年之间,许多著名的科学家提出了各种不同的解释。最著名者为荷兰>物理学家>亨得利克·罗洛兹,他依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制提出了后来以其名字命名的罗洛兹变换。然而,一位当时还不知名的瑞士专利局的小职员阿尔贝特·爱因斯坦>,在1905年发表的一篇著名的论文中指出,只要人们愿意抛弃绝对时间观念的话,以太的观念就是多余的。但人们必须接受光速不变这样一个与人们所熟知的常理相违背的假设。这一实验自然就成了爱因斯坦相对论产生的重要背景。为了解释本实验结果,是否必须放弃伽利略与牛顿的时空理论呢?我们不防对本实验作如下分析:第一部分 早晚时分相向与背离运动时干涉条纹的相对变化首先我们来分析利用早晨与傍晚时阳光相对于地球表面分别成相向与背离运动时对干涉条纹的影响:一、在弹性碰撞理论条件下如下图一《迈克尔逊-莫雷实验装置示意图》所示,当我们假设由光源S发出的光的速度为C,实验装置相对光源运动速度为V或-V时,则有:1、按照伽利略-牛顿时空理论和速度叠加原理,入射到半透镜M的光速为:实验装置朝光源方向运动时,光相对与实验装置的运动速度为(C+V);而实验装置朝远离光源方向运动时,光相对与实验装置的运动速度为(C-V);

 

   2、如果我们把光子或电磁波束看成一种类似的弹性物质,当它遇到物体产生反射时,入射速度与反射速度相同;而遇到物体透射时,入射速度与透射速度也相同。那么,从M反射到M1并被M1反射回到M,再经过M透射到达目镜T的一路光的速度均与入射光速相同;同样地,从M透射到M2并被M2反射回到M,再经过M反射到达目镜T的另一路光的速度也与入射光速相同。3、光程差和移动条纹数公式推导 我们假设入射光波波长为λ;M与M1间距离为D;M与M2间距离为d;实验装置朝光源运动时的时差为T;实验装置远离光源运动时的时差为t;朝光源运动与远离光源运动间的时差为△t=(t-T);光程差为δ;移动条纹数为△N。则有:T=2D/(CV)-2d/ (C+V)=2(D-d)/(C+V)        (式1t=2D/(C-V)-2d/(C-V)=2(D-d)/(C-V)
          (式2tt - T =4 V (D-d) /(C2-V2)             (式3将上式中的(D-d)简记为△d,则有:t4Vd /(C2-V2)                 (式4δ=C×△t4Vd /(C2-V2)            (式5N=δ/λ=4Vd /[λ(C2-V2)]            (式64、迈克尔逊-莫雷实验理论计算根据有关资料,迈克尔逊-莫雷实验所使用的实验观测装置的参数为:D=d=11m。为了确保经分色后的阳光能产生干涉,D与d的差值△d应该很小,一般应该在数个或数十个光波长以内;利用的太阳光波长在可见光范围内,波长范围应为390780nm范围内;利用太阳东升与西落时节地球表面相对于太阳成相反方向运动的速度差,在地球赤道上时的线速度最大,约为0.465m/s;空气中和真空中的光速分别为299600m/s299792.5m/s。实验观测装置观测精度为0.01个干涉条纹间距。计算结果详见下表一:《光程差和移动条纹数理论计算表》。
光程差和移动条纹数理论计算表     表一 
序号dλtδN
mmkm/skm/smsm
10.1299792.50.4653.90E-072.07E-186.20E-100.0016
0.63299792.50.4653.90E-071.30E-173.91E-090.0100
10299792.50.4653.90E-072.07E-166.20E-080.1591
20.12996000.4653.90E-072.07E-186.21E-100.0016
0.632996000.4653.90E-071.31E-173.91E-090.0100
102996000.4653.90E-072.07E-166.21E-080.1592
30.1299792.50.4657.80E-072.07E-186.20E-100.0008
1.26299792.50.4657.80E-072.61E-177.82E-090.0100
10299792.50.4657.80E-072.07E-166.20E-080.0795
40.12996000.4657.80E-072.07E-186.21E-100.0008
1.262996000.4657.80E-072.61E-177.82E-090.0100
102996000.4657.80E-072.07E-166.21E-080.0796
  从上表中可以发现:当△d小于0.63mm(相当于8071615个可见光波长)时,移动条纹数小于0.01个。也就是说,在此条件下,实验结果为:不能观察到干涉条纹移动。因此,若本实验中△d小于0.63mm的话,未观测到干涉条纹的移动完全正常,并不需要放弃伽利略和牛顿时空理论及速度叠加原理。二、在以太存在的情况下如果光波的运动的确与某种媒介有关(历史上假设的以太),本实验是否真的能测量出地球与以太的相对运动速度呢?答案应该是否定的。原因如下:如上图二所示,并按上述第(一、3)款一样,我们假设入射光波波长为λ;M与M1间距离为D;M与M2间距离为d;实验装置朝光源运动时的时差为T;实验装置远离光源运动时的时差为t;朝光源运动与远离光源运动间的时差为t=(t-T);光程差为δ;移动条纹数为△N则有:T=2D/(C2-V2)0.5- [d /(C+V)+ d /(C-V)]            (式7t=2D/(C2-V2)0.5- [d /(C-V)+ d /(C+V)]=T            (式8tT-t=0                       (式9δ=0                         (式10N0                          (式11由上述推导可以发现,如果实验装置在朝光源与远离光源运动时的速度相同,则即使真的有以太的存在且光速在以太中的传播速度恒定不变,本实验也不能观测到地球与以太间的相对速度对干涉条纹的影响。 第二部分 将实验装置旋转90度对干涉条纹的影响在入射光波速度不变的条件下,对如图一所示的实验装置旋转90度前后干涉条纹变化情况如何呢?一、在弹性理论条件下首先,我们在实验装置旋转前,必须对实验装置进行调校,使由M1和M2反射回来的光产生干涉条纹。干涉条纹的亮区为光程差等于0或波长的整数倍;干涉条纹的暗区为光程差等于1/2波长或波长的整数倍加1/2。我们就以某一条暗纹为例(即光程差为(n+0.5)倍波长,n为整数,在本实验中其值应该较小)。则有:实验装置旋转前光程差分别为:实验装置朝光源运动时:δ1=(n+0.5)λ=[2D/(C+V)-2d/(C+V)]×C=2C(D-d)/(C+V)      (式12或者实验装置远离光源运动时: δ2=(n+0.5)λ=[2D/(C-V)-2d/(C-V)]×C=2C(D-d)/(C-V)      (式13实验装置旋转90度后,光程差分别为:实验装置朝光源运动时:δ1=[2d/(C+V)-2D/(C+V)]×C=2C(d-D)/(C+V)-δ1=-(n+0.5)λ    (式14或者实验装置远离光源运动时: δ2=[2d/(C-V)-2D/(C-V)]×C=2C(d-D)/(C-V)-δ2=-(n+0.5)λ   (式15由(式14)和(式15)可知,旋转后的光程差与旋转前数值一样,只是正负相反而已。也就是说两路光到达目镜的先后顺序发生了逆转,但到达目镜的时差并未改变。因此,干涉条纹将不会发生变化。二、在以太存在的情况下同样地,我们在实验装置旋转前,必须对实验装置进行调校,使由M1和M2反射回来的光产生干涉条纹。干涉条纹的亮区为光程差等于0或波长的整数倍;干涉条纹的暗区为光程差等于1/2波长或波长的整数倍加1/2。我们仍以某一条暗纹为例(即光程差为(n+0.5)倍波长)。则有:实验装置旋转前光程差为:根据第一部分第二段论证,在以太存在条件下,实验装置朝光源运动和远离光源运动时的光程差相同,因此,我们只考虑实验装置朝光源运动情况就可以了:δ=(n+0.5)λ=C×{2D/(C2-V2)0.5- [d /(C+V)+ d /(C-V)]}     (式16实验装置旋转90度后,光程差计算公式为:δ=C×{2d/(C2-V2) 0.5- [D/(C+V)+ D /(C-V)]            (式17D=d时,(式16)和(式17)应该等价。因此,实验装置旋转90度后的光程差仍为(n+0.5)λ。干涉条纹不会发生变化。Dd时,则根据(式16)可以推导出下式:  d=kD–(1/2)k2δ                                        (式18式中k=(C2-V2) 0.5     将(式18)代入(式17)可得:   δ=2D(1-1/k2)-kδ                                           (式19 则有:δ=δ-δ=2D(1-1/k2)-(1+k)δ                 (20)再将D=11mV=0.165km/s、C=299600km/s、δ1=(n+0.5)λ代入(式20)可得:δ=-5.29×10-11-1.99999999988 (n+0.5)λ         (式21干涉条纹移动数目:N=[(-5.29×10-11/λ]-1.99999999988 (n+0.5)     (式22下表二为可见光范围内,n可能数(干涉光波列长度一般为10-8秒,因此,n值与光长相关,波长越长,最大n值越小)值下的△δ和△N值。
旋转实验装置前后光程差和移动条纹数理论计算表    表二 
序号nλδδ旋△δN
km/skm/smmmm
10299792.50.4653.90E-071.95E-07-1.95E-07-3.90E-07-1.000136
10299792.50.4653.90E-074.10E-06-4.10E-06-8.19E-06-21.000136
100299792.50.4653.90E-073.92E-05-3.92E-05-7.84E-05-201.000136
1000299792.50.4653.90E-073.90E-04-3.90E-04-7.80E-04-2001.000136
10000299792.50.4653.90E-073.90E-03-3.90E-03-7.80E-03-20001.000136
100000299792.50.4653.90E-073.90E-02-3.90E-02-7.80E-02-200001.000136
1000000299792.50.4653.90E-073.90E-01-3.90E-01-7.80E-01-2000001.000135
7700000299792.50.4653.90E-073.00E+00-3.00E+00-6.01E+00-15400001.000127
202996000.4653.90E-071.95E-07-1.95E-07-3.90E-07-1.000136
102996000.4653.90E-074.10E-06-4.10E-06-8.19E-06-21.000136
1002996000.4653.90E-073.92E-05-3.92E-05-7.84E-05-201.000136
10002996000.4653.90E-073.90E-04-3.90E-04-7.80E-04-2001.000136
100002996000.4653.90E-073.90E-03-3.90E-03-7.80E-03-20001.000136
1000002996000.4653.90E-073.90E-02-3.90E-02-7.80E-02-200001.000136
10000002996000.4653.90E-073.90E-01-3.90E-01-7.80E-01-2000001.000135
77000002996000.4653.90E-073.00E+00-3.00E+00-6.01E+00-15400001.000127
30299792.50.4657.80E-073.90E-07-3.90E-07-7.80E-07-1.000068
10299792.50.4657.80E-078.19E-06-8.19E-06-1.64E-05-21.000068
100299792.50.4657.80E-077.84E-05-7.84E-05-1.57E-04-201.000068
1000299792.50.4657.80E-077.80E-04-7.80E-04-1.56E-03-2001.000068
10000299792.50.4657.80E-077.80E-03-7.80E-03-1.56E-02-20001.000068
100000299792.50.4657.80E-077.80E-02-7.80E-02-1.56E-01-200001.000068
1000000299792.50.4657.80E-077.80E-01-7.80E-01-1.56E+00-2000001.000067
3800000299792.50.4657.80E-072.96E+00-2.96E+00-5.93E+00-7600001.000063
402996000.4657.80E-073.90E-07-3.90E-07-7.80E-07-1.000068
102996000.4657.80E-078.19E-06-8.19E-06-1.64E-05-21.000068
1002996000.4657.80E-077.84E-05-7.84E-05-1.57E-04-201.000068
10002996000.4657.80E-077.80E-04-7.80E-04-1.56E-03-2001.000068
100002996000.4657.80E-077.80E-03-7.80E-03-1.56E-02-20001.000068
1000002996000.4657.80E-077.80E-02-7.80E-02-1.56E-01-200001.000068
10000002996000.4657.80E-077.80E-01-7.80E-01-1.56E+00-2000001.000067
38000002996000.4657.80E-072.96E+00-2.96E+00-5.93E+00-7600001.000063
从表二可以发现:实验观测装置旋转前后光程差的确有变化,由原来的正值变为负值,且两者的差值的确为原来数值的两倍还稍多一点点。但同时也会发现:其整数倍数后的尾数很小,仅为波长的十万分之十四至七间,也就是说,干涉条件移动的绝对距离仅为0.000140.00007干涉条纹间距,而本实验装置的观测精度仅为0.01干涉条纹间距。因此,本实验未观测到干涉条纹移位完全符合理论计算。这也就是说,本实验结果并不能否定以太的存在。如果能将实验观测装置的观测精度提高二个或二个以上数量级则有可能肯定或否定以太的存在。综上所述,无论是用光具有的粒子性而可能符合弹性碰撞理论,或者以太真的存在但相对与地球表面的运动速度在0.465km/s以内时,本实验未检测到干涉条纹移动是正常的。并不能因此而否定以太的存在,更不能否定伽利略和牛顿的时空理论及速度叠加原理。同时,也没有必要假设光的传播速度不变。
补充:按照光的干涉原理,干涉条纹的移动仅与光程差与光波长比值的小数部分有关,而与整数部分无关。且光程差的正负仅表示两路光波谁前谁后,与干涉条纹的移动无关。因此,我们可以将(式20)修改为:δ=
│δ-│δ│=(1-k)δ-2D(1-1/k2)        (23)将本实验观测装置相关数据代入上式后,可得下表三相关数据:
  旋转实验装置前后光程差和移动条纹数理论计算表  表三
序号nλδδδN
km/skm/smmmm
10299792.50.4653.90E-071.95E-07-1.95E-075.29E-110.000136
10299792.50.4653.90E-074.10E-06-4.10E-065.29E-110.000136
100299792.50.4653.90E-073.92E-05-3.92E-055.29E-110.000136
1000299792.50.4653.90E-073.90E-04-3.90E-045.29E-110.000136
10000299792.50.4653.90E-073.90E-03-3.90E-035.29E-110.000136
100000299792.50.4653.90E-073.90E-02-3.90E-025.29E-110.000136
1000000299792.50.4653.90E-073.90E-01-3.90E-015.25E-110.000135
7700000299792.50.4653.90E-073.00E+00-3.00E+004.93E-110.000126
202996000.4653.90E-071.95E-07-1.95E-075.30E-110.000136
102996000.4653.90E-074.10E-06-4.10E-065.30E-110.000136
1002996000.4653.90E-073.92E-05-3.92E-055.30E-110.000136
10002996000.4653.90E-073.90E-04-3.90E-045.30E-110.000136
100002996000.4653.90E-073.90E-03-3.90E-035.30E-110.000136
1000002996000.4653.90E-073.90E-02-3.90E-025.30E-110.000136
10000002996000.4653.90E-073.90E-01-3.90E-015.25E-110.000135
77000002996000.4653.90E-073.00E+00-3.00E+004.94E-110.000127
30299792.50.4657.80E-073.90E-07-3.90E-075.29E-110.000068
10299792.50.4657.80E-078.19E-06-8.19E-065.29E-110.000068
100299792.50.4657.80E-077.84E-05-7.84E-055.29E-110.000068
1000299792.50.4657.80E-077.80E-04-7.80E-045.29E-110.000068
10000299792.50.4657.80E-077.80E-03-7.80E-035.29E-110.000068
100000299792.50.4657.80E-077.80E-02-7.80E-025.28E-110.000068
1000000299792.50.4657.80E-077.80E-01-7.80E-015.20E-110.000067
3800000299792.50.4657.80E-072.96E+00-2.96E+004.94E-110.000063
402996000.4657.80E-073.90E-07-3.90E-075.30E-110.000068
102996000.4657.80E-078.19E-06-8.19E-065.30E-110.000068
1002996000.4657.80E-077.84E-05-7.84E-055.30E-110.000068
10002996000.4657.80E-077.80E-04-7.80E-045.30E-110.000068
100002996000.4657.80E-077.80E-03-7.80E-035.30E-110.000068
1000002996000.4657.80E-077.80E-02-7.80E-025.29E-110.000068
10000002996000.4657.80E-077.80E-01-7.80E-015.21E-110.000067
38000002996000.4657.80E-072.96E+00-2.96E+004.94E-110.000063
 
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 [2楼]  作者:周宪  发表时间: 2012/03/29 07:10 

你的v仅仅是0.5/s公里。而地球绕银河系转的速度是300公里/s。
即便银河系为绝对以太,你的数值也小了600倍。
所以迈克尔逊干涉仪应该能够看出光程的变化。
米勒在高山上就用干涉仪得到了光程差。
地面对以太的拖曳作用大,高空就小。
2.7K微波在不同方向上有千分之一的强度不等。但是在地面上的光源的强度都是各向同性的。
 [3楼]  作者:silin007  发表时间: 2012/03/29 10:24 

一、在弹性碰撞理论条件下
如下图一《迈克尔逊-莫雷实验装置示意图》所示,当我们假设由光源S发出的光的速度为C,实验装置相对光源运动速度为V或-V时,则有:
1、按照伽利略-牛顿时空理论和速度叠加原理,入射到半透镜M的光速为:实验装置朝光源方向运动时,光相对与实验装置的运动速度为(C+V);而实验装置朝远离光源方向运动时,光相对与实验装置的运动速度为(C-V);

------------------------------
在迈克尔逊-莫雷中,
由于光源与实验装置都是静止的,
所以光相对与实验装置的运动速度为(C),
因此后面对《迈克尔逊-莫雷实验》的解释都没有意义!

※※※※※※
即别轻信人说的,也别坚信己学的,更别迷信书写的;只信亲眼能见的,而且亲手能算的,关键亲身能验的;科学事实
[楼主]  [4楼]  作者:彭晓韬  发表时间: 2012/04/04 15:28 

对【2楼】说:
实验中是考虑前后两次观测间的变化。因此太阳系在银河中的运动速度,甚至银河系在更高层次天体间的运动速度大小在本实验中无意义。
[楼主]  [5楼]  作者:彭晓韬  发表时间: 2012/04/04 15:30 

对【3楼】说:
使用太阳光作为光源时,在一天中的不同时段,阳光照射到地球表面上的相对运动速度是变化的,并非静止。
 [6楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2012/04/04 15:59 

关于迈克尔逊——莫雷实验的终极解释:

1、 迈克尔逊——莫雷实验并没有在真空中作,而是在空气中作的;大气层与地面之间当然没有30公里/秒的速度,干涉条纹的移动当然为零。如果大气层与地面之间存在30公里/秒的速度,用不了半个小时地面上的空气就跑光了,那地球上的生物还能活吗?
2、 迈克尔逊——莫雷实验干涉仪只能旋转45度,不能旋转90度;因为干涉条纹移动量的最大值和最小值之间只有45度。如果让迈克尔逊——莫雷实验干涉仪旋转90度,那干涉条纹的移动量就是零;因为干涉仪旋转90度后和没旋转之前光行差是一样的。
3、 用来计算干涉条纹的移动量的公式只能用LVV/CC来计算光程差,不能用2LVV/CC去计算光程差。
4、 观测时间要选在早6点左右(或晚6点左右),因为此时干涉仪的两个臂可以与以太风的运动方向平行或垂直,可以观测到干涉条纹移动的最大值和最小值。如果是在中午12点左右(或夜间12点左右)观测,则干涉仪的两个臂所够成的平面与以太风的运动方向互相垂直,不管干涉仪旋转多少度,两路光行差都相等,所观测到的干涉条纹的移动量永远都是零。
 [7楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/05 08:51 

,,检测精度小于 465 m/s 以太风速度的 Michelson 干涉仪,已经设计出来。跑了很多次光学仪器厂,理论设计、技术方案选择和画图纸,时间花了一年多。干涉仪光程参数 1.0 米,采用返回式十字光路,两分束光光路中心重合,温度漂移稳定性很好。采用光电检测,对于环境噪声也不敏感,设计风速精度 5 m/s 。如果成功,能够做 航天速度仪,速度精度达到 0.001 m/s 。有人需要,可以订做,光路芯片大约费用 5000 元。
 [8楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/05 14:31 
 [9楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2012/04/05 14:47 

对[7楼]说:
可喜可贺!
但不知羊先生何时开始实验?

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空间本无物理性质,具有以太的空间才有了局部静止系、惯性,运动才可以自身测量。
 [10楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/05 15:51 

,,光路芯片,厂家交货日期是 2012 年 6 月份。如果分束光能够按要求精度汇合,接着订购光纤耦合激光器、光纤连接线、光电二极管,定做连接器、仪器外壳,然后可以观察干涉稳定性。如果反射镜与平台的胶合过程受到偶然的灰尘影响,镜片距离的一致性可能达不到设计要求,会导致分束光光程差比较大,结果是干涉仪的稳定性比较差。光路工作时影响稳定性的主要因素是温度分布不均匀和温度变化,还有光路上的灰尘干扰。如果出现稳定性远低于设计的情况,需要采购波长稳定的光纤耦合激光器。通常天气环境下灰尘干扰光路工作到底影响如何,现在无法估计。有很多工作需要做,是否会遇到什么样无法克服的困难,现在还无法预知。
 [11楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2012/04/05 17:02 

如果精度要求不高,那么这样的设计就没有问题,例如麦-莫实验,但如果希望得到5米的精度,靠光电管来达到要求可不行,因为如果来源有误差,会被放大,成为巨大的干扰。因此,光学部分的降噪是十分关键的。你的光学图采用两条独立的光路,使得微小的温度变化都会产生很大的光程差,噪音太大,如何保温也许是个瓶颈,你要特别注意,也许选用一些膨胀系数小的材料做机架,再加上很好的保温,以及很好的机架刚性,也许会成功,但我个人认为这些并不容易做到,即便做到,其费用也非常高。
6年前,我也试图用垂直的光纤环进行这个实验,因为光纤可以超过千米,大大提高光学精度,但同样遇到类似的问题而半途而废了,如果你真的有信心,不如搞光纤的,毕竟光纤不要求刚性机架,长度也大很多倍,只要保温得当,也许是个出路?

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空间本无物理性质,具有以太的空间才有了局部静止系、惯性,运动才可以自身测量。
 [12楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/06 09:52 


,,改进 Michelson 干涉仪,光学部分能够稳定工作是关键的问题。最初我也是看好用光纤来做,杨红新先生对于光纤型 Michelson 干涉仪很有研究,相关的专业文章看了不少,认为光纤本身稳定性差,传导光波的稳定性也差。他建议玻璃光路可以试试,光纤光路肯定不行。看了他提供的很多专业性论文,光纤光路需要考虑的问题确实更多,就一个偏振稳定问题,就很难解决。两路光纤如何调整到光程一致,相差只有 1/4 波长,这个调整也想不出办法。两路光路最理想的光程差是 1/4 波长,差得越多,干涉效果漂移越严重。光程差小于 1/4 波长,干涉灵敏度降低。

,,基于上面的原因,所以首先设计玻璃光路。
,,首先碰到最大的问题是,温度在空间上分布的不均匀对于光路的影响很大,比如室内温度外墙侧与内墙侧温度不同,人体等热源对于仪器的影响。为了消除这种影响,采用了一对完全对称的分光镜,一个分光镜起分光镜作用,另一个分光镜起干涉镜作用,做成两路光路中心理想重合的十字光路。理论上说,这种光路能够把温度梯度的影响完全消除。所以后来在外壳双重隔热层导热层设计以后,就不考虑这个影响。

,,但是室内温度整体变化带来的影响还是需要继续考虑。石英玻璃热膨胀系数很小,问题是石英玻璃价格太高,所以试验光路由普通光学玻璃做成。平台没有光路通过,厂家的技术员总是建议采用膨胀系数比光学玻璃小得多的某种大理石。太细节的技术问题不说了。说理论上的问题吧。光路的温度漂移是可以理论计算的。假设两分束光路的光程差调整到 1/4 波长,采用普通光纤耦合激光器,波长稳定性指标 0.3 nm/K,理论计算结果是,0.1K 温度变化,就有一个信号量的漂移。当漂移超过信号量,激光器输出不稳定又开始影响最后效果,需要调节两路干涉光束的平衡。
 [13楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/06 11:08 

,,开始没有想到,干涉效果漂移最大的因素,来自于激光器输出光束波长的不稳定。好的半导体激光器波长稳定性能够做到 0.01 nm/K 。即便如此光源波长漂移依然还是干涉效果主要的漂移因素。当然为了干涉效果的稳定性,可以改用波长更稳定的 He-Ne 激光器。He-Ne 激光器的谐振腔是石英玻璃制成的,谐振腔的长度比较稳定,输出激光的波长也比较稳定。但是 He-Ne 激光器也有一个缺点,He-Ne 激光器寿命与半导体激光器相比短很多,这对于长期的试验或者长期使用来说都是需要考虑的一个缺点。He-Ne 激光器需要高压电,电源电路复杂,导致光源系统体积稍大,可能只能用 220 V 交流电,不能用干电池,这是另一个不如意的地方。所以,如果稳定性要求不太苛刻,通常选择半导体激光器更加合理。
 [14楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/06 14:08 

,,100 年前此类试验的失败,表明恒星行星的运动带动了附近的以太。地球自转有可能不带动以太随地面运动,所以以太风速以 465 m/s 甚至是 400 m/s 考虑是正确的。当初试验的失败,就是把以太风速度考虑得太大,没有考虑周到,所以试验失败了。不过,如果当时考虑到地球附近的以太确定跟着地球跑,地球自转形成的以太风速最大只有 465 m/s ,恐怕 Michelson 也不敢设想观测以太风速的试验。当然也说不定,也许只要有想法,技术上的种种困难都是可以克服的。1925 年与 Gale 合作在芝加哥郊区进行的大型 Sagnac 干涉仪试验以后,Michleson 实际上已经明白,地球附近的以太没有跟着地面自转。为什么没有改进干涉仪,也许技术上确实有不少困难。

,,这种干涉仪最大的问题是温度漂移很严重,也容易受到震动的影响,使干涉条纹变得模糊,实验操作起来有很大困难。为了稳定性和减少震动影响,当初的笨办法是大理石平台浮在水银池上在郊区地下室进行。我们都知道地下室的温度相对稳定得多。当然后来采用对称的钢架结构,这种笨办法不再采用。很多人引用 Morley 在威尔逊山上进行的后续试验,认为观察到了干涉条纹移动,实际上是温度影响。山上此类试验即使在室内进行,受外面寒风影响较大,室内温度不均匀,于是导致了干涉条纹移动。正是由于是温度影响,所以后来也没有人重复此类试验。

,,关于 Michelson 干涉仪的不稳定性,网上有资料介绍过。干涉图案调整好了,过一天再试验,干涉图案就跑样了,需要重新调整。所以,教学演示用的或者工业用的甚至是物理系实验室的 Michelson 干涉仪,都是不能用来测量以太风速度的。我国至今没有重复 100 多年前 Michelson 先生的实验。现在重复 100 年的实验,技术上应该没有困难,原因是,前人仔细进行过的实验,没有必要在原有的精度上重复。
 [15楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2012/04/06 14:58 

【最初我也是看好用光纤来做,杨红新先生对于光纤型 Michelson 干涉仪很有研究,相关的专业文章看了不少,认为光纤本身稳定性差,传导光波的稳定性也差。他建议玻璃光路可以试试,光纤光路肯定不行。】
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所谓稳定性差,主要是温度影响,其它几乎可以忽略,而温度问题是所有这类实验的通病,无法回避。
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【看了他提供的很多专业性论文,光纤光路需要考虑的问题确实更多,就一个偏振稳定问题,就很难解决。两路光纤如何调整到光程一致,相差只有 1/4 波长,这个调整也想不出办法。两路光路最理想的光程差是 1/4 波长,差得越多,干涉效果漂移越严重。光程差小于 1/4 波长,干涉灵敏度降低。 】
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所谓【 1/4 波长】问题是因为在光纤陀螺中,由于正反光路始终相同,因此任何单一光源都可以用于干涉,现在基本采用白光工作,而不是激光,白光的干涉长度非常小,通常不超过一个波长,所以才有【 1/4 波长】只说,但你的实验完全可以使用激光,稳频的He-Ni激光器的干涉长度超过千米,远远超过你的要求,当然,街边卖的激光器也许达不到要求,但普通的He-Ni激光器也足够使用,大学实验室主要是这类激光器,寿命也并不短。



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空间本无物理性质,具有以太的空间才有了局部静止系、惯性,运动才可以自身测量。
 [16楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/06 15:38 

,,现代光电技术检测细微的干涉条纹移动,不是困难的事情。光纤陀螺仪中能够检测到的干涉条纹的移动量也是非常微小的。普通光纤陀螺仪,根据其角度分辨率和光纤长度,估计它的光电系统能够检测到 0.000001 条干涉条纹移动。光电的分辨力肯定是能够做到的。即使我们真的学不会,也可以向有关的专家请教。改进 Michelson 实验主要的困难是,如何提高干涉仪的稳定性。普通 Michelson 干涉仪不稳定,我觉得主要是螺纹调节系统在振动下无法锁定位置。专门的干涉仪不稳定性,主要是材料在受力条件下振动条件下的蠕变,也有温度不均匀且有波动、温度变化材料热膨胀系数却不一致导致的光路系统形状改变。光学仪器厂的老师傅总是推荐调节系统,我说,如果调节系统可以用,我就买现成的干涉仪了,也用不着专门设计光路在你们这里定做了。所以本人设计的 Michelson 干涉仪,没有螺纹调节系统,分光镜、反射镜都是胶合在一块厚实的平台上的。两分束光路的精确汇合、光程差,都靠精密制作来保证。
,,去年花了一年时间的精力专门研究现代 Michelson 实验的理论、技术设计和制图。理论方面经无数次修改,总结了长达 30 页的文字资料。技术方案有过很多次大的改动。最初是光在玻璃中走的方案,制作简单,却因为玻璃的不均匀性而放弃。空气中的光路,开始没有采用往返光路,光程有限,需要强激光束降低光电噪音,也是一个问题,后来放弃了。为什么不采用更大的仪器尺寸?这里秉承仪器小巧的基本原则。后来改进成往返光路来解决仪器小巧与提高光程之间的矛盾。理想的往返光路需要穿过分光镜,所以衍生出双分光镜的光路形式。去年跑了很多次光学仪器厂,图纸也画了好几稿。现在图纸画好了交给光学仪器厂去做。这段时间有精力与大家讨论这方面的理论问题和技术问题。
 [17楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2012/04/06 16:06 

【现代光电技术检测细微的干涉条纹移动,不是困难的事情。光纤陀螺仪中能够检测到的干涉条纹的移动量也是非常微小的。普通光纤陀螺仪,根据其角度分辨率和光纤长度,估计它的光电系统能够检测到 0.000001 条干涉条纹移动。光电的分辨力肯定是能够做到的。】
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你把现代光电技术想象的太高,最后在实验中会吃到苦头,我做过一些实验,可以测量0.001毫米的光斑移动,但这并不意味着现代技术可以达到 0.000001 条干涉条纹,我没有这方面的资料,但,我通过光纤陀螺的精度,反推到其光电管的精度,远远低于你的预期。

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空间本无物理性质,具有以太的空间才有了局部静止系、惯性,运动才可以自身测量。
 [18楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/06 16:23 

王先生大概没有做过 Michelson 干涉仪温度漂移的理论分析。可能还没有搞懂是怎么一回事情。
假设某个温度两分束光路的光程差 dl ,激光波长 λ ,干涉相位差,

        a = 2 π dl / λ ,

再假设平台材料膨胀系数 α1 ,激光器波长温度变化系数 α2 ,温度变化 ΔT ,现计算干涉相位差变化,

        Δa = 2 π dl ( 1 + α1 ΔT ) / ( λ + α2 ΔT ) - 2 π dl / λ ,
简化得到,
        Δa ≈ 2 π dl ( α1 - α2 / λ ) ΔT / λ ,

所以,干涉仪减少温度漂移,需要减少光程差 dl 、需要减少材料的温度系数、需要光源波长稳定、需要环境温度稳定。

    采用石英玻璃,材料的温度系数可以减少 20 倍,但是材料费用加工费用都太贵,资金来源可能不允许。也不是石英玻璃太贵,这里有一个矛盾主次顺序,根据影响程度、技术上的难易程度、实现成本,首先是要尽量减少光程差 dl ,其次是光源波长要稳定,然后是选用昂贵的石英材料。最后让仪器在通常的温度变化环境中能够精确工作。 

    光电检测这一块,光源功率不稳定需要考虑,光电二极管低频噪声有工程理论提供的方法可以计算的、电路设计、运放选择、精密电阻选取,都有很多理论知识。一时说不清楚。我已经把资料发到你的邮箱里,你有问题可以在资料里找答案。

 [19楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2012/04/06 16:43 

干涉仪温度漂移在你的实验中不是关键的问题,因为即便光程不同,我们也很容易做到误差在几毫米以内,这样温度变化导致的长度变化也就是在这几毫米内起作用(当然我只考虑保温的情况,因此是整体温度变化,而非单臂),同时,你的实验是对比90度转动后的数据差,这个测量的时间间隔很短,温度变化在几毫米的光程差上不会有任何问题,因此你的重点不在这。

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 [20楼]  作者:youngler  发表时间: 2012/04/06 17:02 

 

     这次设计现代版 Michelson 试验,不想一步一步来逐步提高精度,而是希望一步达到某种初步仪器功能,所以标准起点有点高。这也许是我的工作风格,也许是考虑到,分步走有分步走的麻烦,花经费试制粗糙的样品可能是一种浪费。我完全按照专业研究所的思路,按照国家科研项目的做法,先做论文,理论问题、技术问题,该考虑的问题都考虑清楚了以后,然后是与厂家讨论工艺问题,选择可行的工艺方案,画图纸委托厂家制作样品。为了避免有限资金因为考虑不周而浪费,所以事先各种理论问题和技术问题需要考虑周全。这样的项目运作方式,避免了家庭作坊那种手工操作,但需要筹集资金,需要学会画光学图纸。精密的光学仪器,不是手工操作得出来,不能采用手工磨制镜片来制作望远镜那种方式。

     现代版 Michelson 试验不是检测一下地球自转形成的以太风的有无,而是要检测出地面以太风速度是大约 400 m/s 还是大约 405 m/s 。如果作为纬度仪,应该能够指出仪器所在地点的纬度,精确到 1 度。所以试验精度方面有很高的要求。对于温度漂移,仪器的稳定性有很高的要求。比如,多少时间,温度变化多少会引起刻度级影响,都计算过。这里电路数据稳定的时间设计为 10 秒,这个时间短了也可以,但是精度降低。室内温度通常一个小时可以变化 0.1 K ,大约 30 秒时间就会有刻度级影响。这个影响是用 1/4 波长光程差计算的。如果这个光程差是几个毫米,通常室内温度下仪器的稳定性肯定达不到要求。只能到山洞里进行试验了。即使到山洞里试验也有问题,调试时候人体温度影响,就足以导致干涉条纹不稳定。100 年前,那些实验的光程差估计是 0.5 毫米,所以实验的稳定性比较差,必须在地下室操作。

       

[楼主]  [21楼]  作者:彭晓韬  发表时间: 2012/05/04 15:09 

对【3楼】说:
实验利用的是太阳光经三棱镜分光后的某一单色光,因此,光源与实验装置并非相对静止。
 [22楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2012/05/06 09:45 

希望能看到实验结果。预祝实验成功。

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