破解世纪性难题--单向光速的实验检测方法

• 一、 引言

当我们考虑相对论中今天在某种意义上可认为是可靠的那部分科学知识的时候，我们可以看到这个理论存在两个问题：第一，由于思想禁锢和实验条件限制，所有相对论验证实验的都未能跳出下述两个"兜圈子"迷阵（世纪性难题），以至实验从没有为光速不变原理和相对性原理的正确性提供有效的证据。第二，一个理论只有一义地建立了概念和与经验事实之间的关系，才能认为是完善的。这种"一义性"在认识论的先决条件是根本性的。然而，相对论不满足这要求。

世纪性难题之一；由于存在着"对钟与测速"的逻辑反复，已有的实验只是说明光速与光源运动无关、在闭合回路中平均光速的不变性，而不是单向光速不变原理本身。要破解这个难题，就要找到新的对钟方法。

世纪性难题之二，由于物理理论存着统一性和必须具备一义性，因此，相对性原理和光速不变原理犹如一对连体兄弟。这就是说，以相对性原理为条件去分析光速不变原理的检测实验，或是以光速不变原理为条件去分析相对性原理检测实验，都是在兜圈子。

物理学具有统一性。事情愈来愈明显，不能把物理学严格地分为若干互不相干的分支。例如，不运用力学就做不成任何电磁（包含光学）实验，另一方面，没有一个力学实验不和物质的电磁结构相关，等等。如果某一参考系在光学有着特别优越的地位，那么与这光学实验相关的电磁学大部分也不满足相对性原理，同时，与光学及电磁学实验相关的力学大部分也不满足相对性原理。既然大部分不满足，为什么不能全部不满足呢？简言之，既然物理学是不可分割的整体，那么它或者全部或者全不满足相对称性原理。就是说，如果某一参考系在光学上有着特别优越的意义，那么这个参考系在电磁学及力学也有特别优越的地位至少是很好的猜想。反之，如果假设了光速不变，那么引入力学相对性原理至少也是很好的猜想。

物理理论应具备一义性。"一义性"是科学发展史（如非欧几何的建立）给予我们宝贵的教益之一。尽管相对论有着惊人的数学美而让人信服，而且奇迹般地被无数事实所证实，但是不能就此下定论，我们还要考查它的一义性。最简单的做法就是反向猜想。

笔者曾做过这样的证明：把光速不变原理减弱为回路平均光速不变假说，相对性原理退化为绝对参考系原理，非对称理论也能以逻辑自洽的形式建立起来，不仅有着可操作性（找到更为合理的新对钟方法）、简单性（不再随意添加其它假设）、与当前其它科学概念协调性以及与实验结果的一致性，而且还有更多的预言。想要分辨谁是正确的，只有尔后的实验才能回答。这就表明相对论不满足一义性。

非对称理论与相对论的主要区别在于时滞（质增，尺缩）因子γ的计算上，即前者时滞因子γ将是物体相对观察者速度V和观察者相对于绝对参考系速度V₀的函数，记作γ=γ(V,V₀)。（注1）

就转动盘的穆斯保尔效应实验来说，一方面，时滞公式γ=γ(V,V₀)要求转动光源横向红移光谱显周期性变化，但实验没观察到时这现象，这是因为，回路平均光速不变假说允许实验室存在"以太飘移"，而"以太飘移"又将使得光线偏离原来的垂直于光源运动方向，带来一级效应的多普勒效应，这个效应恰好抵消时滞公式中所带的绝对速度V₀项。这样一来，两种理论的计算值是一致的。这类实验还有，两梅塞实验、两莱塞实验、Lves-Stilwell的氢的极隧射线光谱实验、氖原子激光的饱和吸收实验等等。

在同地对钟实验（如原子钟环球航行实验），环路积分一周，公式中所带的V₀项总是被消除；质点碰撞实验（如相对论质量实验）中，计算一对作用与反作用力作功之和时，公式中所带的V₀项总是被消除；在高能粒子实验中，由于V远远大于V₀，因此V₀项所带来和影响在实验精度内忽略不计等等。

总而言之，笔者曾认真分析《狭义相对论实验基础》（张元仲著）中的每个实验，非对称理论预言值与实验结果也是奇迹般相一致（在实验精度内），这就表明：第一，《狭义相对论实验基础》书中所例举的均是兜圈子、无效的实验；第二，相对论不满足一义性要求，在认识论上是不完善的。

下面设计的实验已跳出了两个"兜圈子"迷阵，可以用它来判别那个理论才是正确的。如果实验物理学者们能利用目前的条件进行实验，那是好不过了。

[特别说明，此实验是在王汝勇火车实验思想（黄德民本网上介绍）和陈绍光单向光速测量方法（陈氏弟子本网上介绍）的基础上设计而成的]。

二、实验方法

两个相同的计数器分别设置在长真空管的A、B两端，用来计数通过的光波的波长数目。读数分别用传输线传递到一台电脑的两个输入端进行减法运算。

为了让两计数器启动同步运行，我们在计数器上分别安装有精密原子钟，由它来定时控制计数器开关。实验之前要把两计算器上的原子钟校准，即，一台电脑的两条等长传输线分别连接到两原子钟输入端上，经电脑传递信号调节，把两原子钟校准。由于两计数器开关由预先设定的程序控制（比如，于T时刻开启，T'时刻关闭），而两计数器又是同步运行的，因此，在单位时间（T- T'为一个单位时间）内，两计数器读数之差N正是光行波在A、B之间光波长的数目，而且是从A到B（或从B到A）的单向波长的数目。用国际定义的长度计量单位（铂铱合金原型）的副本测量出A、B两点之间的距离I,就可得到单向光波长λ=I/N。再测量出无空间方向性的光波频率乘以单向波长就得到从A到B（或从B到A）的单向光速值C。

上述实验是在地面上静止的列车车厢内做的。现在，让列车经直线加速后以速度V匀速直线运动，再重新测量（T- T'）单位时间内两计数器读数之差N'，（两钟已于地面校准，运动时不再对钟）

从而得到运动列车上从A到B（或从B到A）的单向光速值C'。

三、实验结果应用

C与C'存在差异，则说明地面上光单向光速和运动列车上的光速不相同，即光速不变原理不正确。此时，我们把实验得到的几组C与C'差异值（不同方向）代入非对称理论的方程中，就能解出地心相对于绝对参考系的运动速度V₀。

四、实验所用到的原理

该实验仅是用了这个公设："一级量"的相对性原理。它是相对性原理一种特殊情形，表述为：运动物体上观察者永远不能用静态（包含v →0）实验（如原时、原长的测量）来确定该物体的绝对运动。或者是说，若测量系统与被测量系统相对静止，则测量结果与系统的整体运动无关。根据这个原理，我们可以得出原时、原长，静止质量不变性的推论。

五、实验采用新的对钟方法

假定在空间的每一点安放一只构造完全相同的钟，而且所有的钟有相同的外部运行环境，则所有的钟同步运行。有了这个条件还不够，我们还要用场信号把各地的时钟指针调节到同步。

在所有参考系集合中总能找到一个满足光速各向同性的参考系，不妨称之为基态S₀系。让我们作这样的假设：最初，S'系在基态S₀系中静止，此时，S'系处于光速各向同性的环境中，这样，可以用爱因斯坦方法来把S'系各地放置的时钟校准；后来，S'系经过直线变速运动后以速度v匀速运动。从"一级量"的相对性原理可知，S'系在直线变速运动过程中，各相对静止的时钟有着相同的外部运行环境而保持着同步运行，自然，作匀速直线运动的S'系上的各地时钟也就是校准了的同步静止钟。这种对钟与爱因斯坦假设S'系光速各向同性来对钟的效果完全一致。

在上述实验中，地面上光速可能不是各向同性，因此，爱因斯坦对钟方法将会使得A、B时钟有一定偏差。考虑到回路光速不变已为实验所证明，因而地面上静止时测得光速仍是各向同性C（地面为近似惯性系）。对车厢中观察者来说，车厢在运动过程中，A、B两端时钟始终保持静止，因此，匀速运动车厢中A、B两端时钟偏差值恒定（与地面静止时相同）。可以想象，如果光速可变，那么匀速运动车厢中用光信号对钟与车厢地面静止对钟，A、B时钟偏差值是不同的。从理论上讲，我们也可以借助这种差异来检验单向光速原理。

六、结语

非对称理论与相对论的关系，类似于非欧几何与欧氏几何的关系，即非对称理论是一个更为全面、广泛理论把相对论作为种特例而包含。纵是实验结果支持非对称理论，也不值得惊奇，因为物理学发展中常有这样的情况，即某一理为更为全面的理论开辟道路，而在这更为全面的理论中，原来的理论作为一种特殊情况继存在下去。

（注1）：一种非对称性的相对运动力学模型（修改稿3）

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