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狭义相对论有完备的实验基础吗？3、Ives-Stilwell实验究竟证明了什么？下，II1、 原理缺陷（续）Ives-Stilwell实验的第三个根本误区乃是对横向多普勒效应与纵向多普勒效应的混淆。事实上，前面我们已经看到二者的表达式并不相同，从方程（3.3）我们有（注：以下vc简化为v）纵向效应λl’=λ0√(1-v2/c2)，而从方程（3.4）我们有横向效应λt’=λ0/√(1-v2/c2)。从理论上，验证一个的存在当然也意味着另一个存在，但是在事实上，由于当v→c时△lλ=λl’-λ0=λ0(1-√(1-v2/c2))→0+与△tλ=λt’-λ0=λ0(1-1/√(1-v2/c2))→‐∞不仅在符号上，而且在量级上存在根本差别，因为一个无法简单代替另一个；其实，不难看出前者意味着谱线重心相对于原波长的红移，而后者则意味着谱线重心的蓝移，但是当v/c→0时，显然二者的大小是相当的，而这正是在不小心忽略了符号的前提下，容易出错的原因。 以β=v/c，我们以下图说明△lλ/λ0与△tλ/λ0的定性与定量差别如下： 图4.3.3、△lλ/λ0与△tλ/λ0的比较（只能单独贴出；见楼上）： 于是一些自然的问题便是：既然图4.3.3中的两个关系如此悬殊，为何作者可以听任或默许，验证其中的一个就是验证另外一个？更重要的，图中有竖直渐近线特征的那个函数关系有可能被验证吗？谱线重心的偏移量怎么可能无限制地增加？如果这个关系事实上存在上限，那么为何作者又不对此做出交代？这些疑问不仅让实验的可信性蒙上巨大的阴影，而其实让我们有理由相信，作者事实上是在试图验证一项不可能的关系。 然而即使撇开理论层面的东西，这里还有一个更直接、更尖锐的问题需要回答，那么就是Ives-Stlwell在实验中证实的到底是谱线重心的红移还是蓝移；如果本作者没有弄错，Ives和Stilwell对此并没有明说，但是从作者的结论部分所引用的频移公式ν’=ν√(1-v2/c2)来看，他们似乎是告诉读者验证的红移效应；可是另一方面我们却知道，如果所做的纵向频移的观测，那么这个结果应该是蓝移性质。 如果最后一点得到确认，那么单是这一件事就足以完全否定了Ives-Stilwell实验的结论。 2、技术困难正如Kantor所指出的那样（【Kantor71】），众多的难以克服的技术困难使得Ives-Stilwell实验完全失去了可信性；我们下面就列举它们其中的一些。 Ives-Stilwell实验中最大的技术困难来自对谱线位置的清晰而准确的界定；如果说实验中涉及的一阶谱线移位大小的确定还不算太离谱的话，那么二阶谱线重心的偏移已经完全没有了可信性，这是由于： 第一、 来自各种氢分子的谱线对有待考察的几种氢离子的谱线污染得如此严重，以致作者只能选取很有限的几个电压以便获得他们所说的有意义的波长观测数据；但是由于实验数据的严重不足，更重要的，由于这少量数据本身存在的严重缺陷，这使得实验结果的可靠性几乎消失殆尽（见下）；第二、 理论推导与实际数据都表明（【Kantor71】），被加速的各种氢离子发光之时的运动方向不可能与阳极射线的大致走向保持一致；事实上，在阳极射线的一个垂直切面内，各种氢离子的运动方向与阳极射线的夹角可以从0度到90度不等，这就使得作者定义一个清晰而准确的观测角度的想法与做法实质上受到了极其严重的挑战；但是问题最严重的是，这种角度的不确定性以及它对实验结果的定量影响几乎无法定量评估。第三、 由于实验中涉及的Hβ谱线是一个间距甚至达到预期的二阶效应两倍但是却又无法有效分离的双谱线（【I&S38】），这就不仅使得实验中与二阶效应相关的波长测量的准确性打上了折扣，而且事实上使得实验结果本身失去了意义。请注意，作者试图通过升高电压而使这个双谱线分离的努力没有成功（【Kantor71】）。 尤其重要的是，以上技术困难不仅理论上存在并被作者或其批评者认识到了，而且这些困难事实上反映在了实验中谱线移位△的观测误差上。比如，作者承认的波长测量精度是±0.0025 A（1A=10-19 m），但是在作者绘出的电压与观察到的△关系图中，九个数据点中只有三个落于这个本已非常粗糙的误差限之内，而在作者绘出的△的计算值与观测值的关系图中，九个数据点只有两个落于误差限之内。此外，正如Kantor所分析和指出的那样（【Kantor71】），Ives-Stilwell以及同类实验，由光学方法获得的波长的测量误差是由电子方法获得的氢离子速度误差的通常几百倍乃至上千倍。 2、技术困难正如Kantor所指出的那样（【Kantor71】），众多的难以克服的技术困难使得Ives-Stilwell实验完全失去了可信性；我们下面就列举它们其中的一些。 Ives-Stilwell实验中最大的技术困难来自对谱线位置的清晰而准确的界定；如果说实验中涉及的一阶谱线移位大小的确定还不算太离谱的话，那么二阶谱线重心的偏移已经完全没有了可信性，这是由于： 第一、 来自各种氢分子的谱线对有待考察的几种氢离子的谱线污染得如此严重，以致作者只能选取很有限的几个电压以便获得他们所说的有意义的波长观测数据；但是由于实验数据的严重不足，更重要的，由于这少量数据本身存在的严重缺陷，这使得实验结果的可靠性几乎消失殆尽（见下）；第二、 理论推导与实际数据都表明（【Kantor71】），被加速的各种氢离子发光之时的运动方向不可能与阳极射线的大致走向保持一致；事实上，在阳极射线的一个垂直切面内，各种氢离子的运动方向与阳极射线的夹角可以从0度到90度不等，这就使得作者定义一个清晰而准确的观测角度的想法与做法实质上受到了极其严重的挑战；但是问题最严重的是，这种角度的不确定性以及它对实验结果的定量影响几乎无法定量评估。第三、 由于实验中涉及的Hβ谱线是一个间距甚至达到预期的二阶效应两倍但是却又无法有效分离的双谱线（【I&S38】），这就不仅使得实验中与二阶效应相关的波长测量的准确性打上了折扣，而且事实上使得实验结果本身失去了意义。请注意，作者试图通过升高电压而使这个双谱线分离的努力没有成功（【Kantor71】）。 尤其重要的是，以上技术困难不仅理论上存在并被作者或其批评者认识到了，而且这些困难事实上反映在了实验中谱线移位△的观测误差上。比如，作者承认的波长测量精度是±0.0025 A（1A=10-19 m），但是在作者绘出的电压与观察到的△关系图中，九个数据点中只有三个落于这个本已非常粗糙的误差限之内，而在作者绘出的△的计算值与观测值的关系图中，九个数据点只有两个落于误差限之内。此外，正如Kantor所分析和指出的那样（【Kantor71】），Ives-Stilwell以及同类实验，由光学方法获得的波长的测量误差是由电子方法获得的氢离子速度误差的通常几百倍乃至上千倍。 然而Ives-Stilwell实验中其数据的粗糙还可以从别处得到印证，比如，作者声言他们所测得的电压其误差不超过所用电压计读数的千分之一，但是在他们1941年所汇报的结果中（【I&S41】），对应于同一电压28185伏特，他们却得到两个的观察值，0.080A和0.0755A，它们相差达到了近6%，而且明显高于波长的测量精度0.0025A；而另一方面，对应于同一观测值△=0.1145A，却有两个不同的电压值，41640伏特与42280伏特，他们相差达到1.5%，或者说是电压精度的15倍。 限于篇幅，我们既无法全部列出也无法逐一详细讨论Ives-Stilwell实验中的技术困难或误差。根据以上种种不足，Kantor得出结论，Ives-Stilwell实验事实上既没有证实横向多普勒效应，也没有证否它。当然，Kantor的结论只是就实验数据本身的可靠性而言的，但是我们已经看到，并稍后还会再次看到，若从从别的角度来考察这个实验的缺陷，它足以完全被否定。 下一贴：狭义相对论有完备的实验基础吗？3、Ives-Stilwell实验究竟证明了什么？下，III 参考文献： 【Kantor71】Wallace Kantor，Inconclusive Doppler Effect Experiments，Spectroscopy Letters，Volume 4, Issue 3-4, PP. 61-71（1971）。 【I&S38】 Herbert Ives，An Experimental Study of the Rate of a Moving Atomic Clock, JOSA, Vol. 28, Issue 7, pp. 215-226 (1938)。 【I&S41】 Herbert Ives，An Experimental Study of the Rate of a Moving Atomic Clock II, JOSA, Vol. 31, Issue 5, pp. 369-374 (1941)。 ~无忧仙人 |
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