在此之前,我参阅了联谊论坛 29468 给久广的 Sagnac 效应解释
http://www.xdlbj.com/bbs/dispbbs.asp?boardID=1&RootID=14314&ID=14314&page=2>
以及正和老师的旋转圆盘计算(参见 57972 贴)。
(6)(7)两式与正和老师的光速计算结果不同,我认为正和老师可能遗漏了γ22的影响;
(10)式结果与29468 的计算结果不同,我认为 29468 的贴子中混合了SR和GR,推导过程中有些问题。
这只是我的个人意见,以下结果仅供参考。这是我做的第一道 GR 自习题,还希望高手们能多指点。
一、对于 Sagnac 的光程差结果,位于地面的惯性参照系Χμ(CT, X, Y )和位于圆盘的非惯性参照系χμ(ct, r, θ)有如下变换关系:
X=rcos(θ+ωt), Y=rsin(θ+ωt), dT=dt (采用坐标钟)
可得:
ds2 = c2dT2 - dX2 - dY2
= (c2- r2ω2)dt2 - dr2 - r2dθ2-2ωr2dθdt (1)
= gμνdxμdxν
可写成度规分量为:
g11 = -1, g22 = -r2, g00 = 1-r2ω2/c2, g02 = g20 = -ωr2/c, 其余分量为0。
根据计算纯空间度规的定义:
γi=-g0i/sqrt(g00)
γik =γiγk - gik
计算可得到:
γ1 = 0, γ2 =ωr2/sqrt(c2- r2ω2)
γ11 = 1, γ22 = r2/(1- r2ω2/c2)
因此可得到在圆盘非惯性系中计算空间两点长度的计算公式:
dσ2 =γikdxidxk = dr2+ r2dθ2/(1- r2ω2/c2) (2)
A. 首先计算以坐标钟和坐标尺测量的沿圆周切向方向的光速:
有dr = 0,令(2)式两边除以dt2,
(dσ/dt) = (dθ/dt) * (r/sqrt(1- r2ω2/c2))
光子的运动世界线需要满足方程 ds2 = 0,
即(c2- r2ω2)dt2 - r2dθ2 - 2ωr2dθdt = 0
解该二次方程,可得dθ/dt =ω + (c/r) (3)
把(3)代入(2),得到两方向的坐标光速分别为:
c坐1= c * sqrt(c-ωr)/(c+ωr) (4)
c坐2 = c * sqrt(c+ωr)/(c-ωr) (5)
B. 转换为标准钟和标准尺,与坐标钟相差一个sqrt(1- r2ω2/c2) 的因子,得到两方向的标准光速:
c标1 = c/sqrt(1- r2ω2/c2) * sqrt(c-ωr)/(c+ωr) = c2/(c+ωr) (6)
c标2 = c/sqrt(1- r2ω2/c2) * sqrt(c+ωr)/(c-ωr) = c2/(c-ωr) (7)
C. 计算绕圆一周的光程时间差:
因在非惯性系中,转盘上的几何为非欧几何,
因此圆周长为S’ = 2πr/sqrt(1- r2ω2/c2) (8)
由(6)(7)(8)三式,可得:
△T' = S’ * (1/ c标1 - 1/ c标2 )
= 4ωΩ/ (c2 * sqrt(1- r2ω2/c2)) (Ω=πr2) (9)
二、以上都是在圆盘非惯性系中解得的结果,下面是在地面惯性系中求解的过程。
根据光信号经过一周后,圆盘已移动了相应的位置,根据惯性系中光速不变,可知两方向的时间分别为,
T1 = 2πr/(c-ωr)
T2 =2πr/(c+ωr)
因此时间差为 △T=T1-T2 = 4ωΩ/(c2- r2ω2) (此处的 T1, T2, 和△T 均为惯性系中的固有时)
换算到圆盘上的时钟,由于时间膨胀,两者相差一个sqrt(1- r2ω2/c2) 因子,因此
△ T’ = △T *sqrt(1- r2ω2/c2)
= 4ωΩ/ (c2 * sqrt(1- r2ω2/c2)) (Ω=πr2) (10)
显然 (9) 与 (10) 得到的光程时间差相等。也就是说在地面惯性系用 SR ,与在圆盘非惯性系中用 GR ,得出的光程时间差结果相同。
三、对迈-莫实验的讨论:
根据以上结论推广到转动的地球(假设先不考虑地球的引力场),可以看出:旋转的地球表面并非一个严格的惯性参照系,由于γ2 ≠ 0,因此这个坐标系不是时轴正交坐标系,测量出来的标准光速(6)(7)应各向异性且不恒等于 C。
但是迈-莫实验为什么不能检测出这个各向异性的差别呢?这是因为传统的迈-莫实验用的是来回光程,自转的效应在此相互抵消了。
因 1/ c标1 + 1/ c标2 = 2/c = 1/c + 1/c,因而不会检测出光速各向异性的差别。
四、以上只是纯度规的计算,如果再计算地球引力场的影响?
这个我还不会解,还没有自学到这里。按理应该用史瓦西度规,进一步求解。因此对于真实具有引力场的旋转地球表面的真空中的光速情况到底应该如何,也就是久广的问题,我只能说还要留待具体的计算。
五、关于坐标光速和标准光速,罗嗦几句。
只要存在引力场,光速就可能不恒等于 c,并且不一定是各向同性。这取决于具体的坐标系选择。GR 里面只有两个特殊情况,一个是惯性系(包括局部或者理想的 SR 惯性系),另一个是静态引力场(纯空间度规γi = 0,满足时轴正交系条件)。在这两种条件下,用标准钟和标准尺测得的真空中光速与SR一样,等于 C ,且各向同性。
正和老师提到过的固有(相对)光速恒等于C,我认为在数学上是有道理的,但总有点感觉是占了光子世界线长度为零的便宜。不过我还没有理解到那个程度,因此先留着这个疑问,等将来再研究。