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采用自然单位制(常数c=1)。 已知参考系ECI(t,r,θ)的线元(度规)为ds2=dt2-dr2-r2dθ2 从ECI(t,r,θ)-->参考系ECEF(T,R,Θ)的坐标变换为 T=t 逆变换为 t=T 故ECEF的线元(度规) ds2=dt2-dr2-r2dθ2 写成张量为gij,i,j=0,1,2. g00=1-ω2R2,g11=-1,g22=-R2,g02=g20=-ωR2,其它gij=0。 考虑ECI中垂直于半径通过点p(t=0, r=K,θ=0)的光线,显然其世界线方程为 (1)逆时针通过P点时 tgθ=t/K (2)顺时针通过P点时 tgθ=-t/K 由坐标变换知p点在ECEF中的坐标为P(T=0, R=K, Θ=0),两世界线在ECEF中的方程分别为: (3)逆时针 tg(Θ+ωT)=T/K (4)顺时针 tg(Θ+ωT)=-T/K 先考虑(3),用隐函数微分法求导 dΘ+ωdT=dT/(K+T2/K) ==> dΘ/dT=1/(K+T2/K)-ω KdR/R2=sin(Θ+ωT)(dΘ+ωdT) ==> dR/dT=R2/Ksin(Θ+ωT)(dΘ/dT+ω)=R2sin(Θ+ωT)/(K2+T2) 在P(T=0,R=K,Θ=0)的坐标光速为: VP=(dR,dΘ)/dT=(dR/dT,dΘ/dT)=(0,1/K-ω) 再考虑(4),同理有 VP=(0,-1/K-ω) ECEF中的我们是如何理解这两个坐标速度的呢? 实际上我们认为坐标速度的第二分量是光在P点的瞬时角速度ωc,由于第一分量——径向速度——为0,故光的线速度C=Kωc,并由此认为,逆时针光速为1-Kω而顺时针光速为-(1+Kω),不考虑符号即(1-v)和(1+v),如果不用自然单位制则为(c-v)和(c+v)。这种根据坐标速度得到的“光速大小”即“表观光速”,各向异性。 但是,固有(相对)光速不是这么定义的,固有相对速度是用世界线夹角的正切值定义的,也就是“瞬时惯性系”或“切空间”中定义的。固有光速是光子世界线与观察者世界线的夹角正切值。现在我们据此定义来求固有(相对)光速。 对(3)逆时针 光子世界线在P点的非归一化方向矢量为VC=(dT,dR,dΘ)/dT=(1,dR/dT,dΘ/dT)=(1,0,1/K-ω) P点静止观察者世界线的非归一化方向矢量为VO=(1,0,0) 设夹角为ψ,则 cosψ=(VC,VO)/(|VC||VO|)=(gijVCiVOj)/[sqrt(gijVCiVCj)sqrt(gijVOiVOj)] 容易验证(gijVCiVOj)和(gijVOiVOj)均不等于0,而(gijVCiVCj)=0,请自行在稿纸上演算。 故cosψ=∞,即ψ=i∞ 故C=tg(ψ)/i=th(ψ/i)=th∞=1 对(4)顺时针,用同样步骤计算,仍有C=1。 即Sagnac圆盘上,固有(相对)光速不变。 |