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给久广,关于 Sagnac 效应的计算 (久广你是不是没看帖中的第三部分关于迈莫实验的讨论啊?我白天发不了新帖,抱歉)
[楼主] 作者:xuebinguo  发表时间:2004/11/29 22:52
点击:405次

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 - r22-2ωr2dθdt (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)
γikiγk - 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:
2ikdxidxk = dr2+ r22/(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 - r22 - 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。

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 [2楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/11/30 00:12 

请解释一小段光纤两个方向是否有不同光程?

说有不同光程则与光纤陀螺仪一致,而与迈克尔逊干涉仪的实验相矛盾。

说光程一定相同则与迈克尔逊干涉仪的实验一致,而与光纤陀螺仪相矛盾。

 

 [3楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/11/30 10:52 

不要求整个圆的光程,求圆的1/N的光程。。。结果与迈-莫实验不符

用推导Sagnac效应的同样方法,将求整个圆的光程,改为求圆的1/N的光程,得到的结果仍然是两个方向有不同光程。这样的结果谁都会求,拿公认的推导来再除以N就可以了。然而,迈克尔逊干涉仪一侧的光回路也可以是一个大圆1/N,推出的结果与迈-莫实验相互矛盾。不论你怎么解释,总会与迈氏实验和赛氏实验之一相互矛盾,这就是相对论的不自恰之除。

 

 [4楼]  作者:持相者  发表时间: 2004/11/30 13:00 

回复:呵呵,不矛盾

    Sagnac效应是转动引起的。

   迈氏实验相当于平动中光纤陀螺,没有条纹也不奇怪。你说对吗?

   一个只含角速度,一个只含平动速度,没错吧?

  

 

 [5楼]  作者:持相者  发表时间: 2004/11/30 13:07 

回复:坐在屏上看,不是!
给久广,关于 Sagnac 效应的计算 (久广你是不是没看帖中的第三部分关于迈莫实验的讨论啊?我白天发不了新帖,抱歉)
 [6楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/11/30 13:11 

没脑子,不知道地球在转吗?!没上过小学?
给久广,关于 Sagnac 效应的计算 (久广你是不是没看帖中的第三部分关于迈莫实验的讨论啊?我白天发不了新帖,抱歉)
 [7楼]  作者:持相者  发表时间: 2004/11/30 15:19 

哈哈,你真行....,又用麦克尔逊测起地球自转了,算了,摔琴!
麦克尔逊试验里有光纤陀螺的结构吗? 你的眼睛是不是有点特别?
[楼主]  [8楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/30 20:48 

久广应该水平很好啊,为什么这个弯没转过来呢?

以下为避免混淆,凡涉及 GR 的都用红字标明,SR 的用蓝色标明。

(1) 如果认为自转的地球表面是非惯性系,那么所有跟随地球转动的地表观察者的观点都应该按照 GR 的方式来处理,不能再认为自己是惯性系,因而也不会认为光速各向同性。
(2) 此时如果要回过头来推究SR惯性系中真空光速不变的结论,这个惯性系至少要放在太空吧?反正不能再放在地球表面。请注意同一个观察者是不可能既满足条件(1),又同时满足条件(2)。
(3) 那么以地表非惯性系的观点,一小段光纤两头的测量光速确实会是各向异性,如果要求不那么严格的话(没有计算地球的引力,假设为无质量的旋转圆盘),可以暂时用我前面推出的结论:
c标1 = c/sqrt(1- r2ω2/c2) * sqrt(c-ωr)/(c+ωr) = c2/(c+ωr)
c标2 = c/sqrt(1- r2ω2/c2) * sqrt(c+ωr)/(c-ωr) = c2/(c-ωr)
(4) 如果做迈莫实验,由于迈莫实验要考察的是往返光程的求和,
1/ c标1 + 1/ c标2 = 2/c = 1/c + 1/c,因此这个各向异性在迈莫实验中实际上无法检测出来。这就好比 4 + 4 = 8, 5 + 3 = 8 ,但迈莫实验只负责验证这两个和是否相等,也就是回路平均光速的问题,而非单程光速的问题。(这是迈莫实验的设计原理所决定的)
而 Sagnac 效应由于是双向光程相减,因此才能测到这个各向差异。
(5) 如果以位于太空的惯性系的观点,这两束光速仍然都是 C ,且各向同性。可以参见
我前面的惯性参照系中的解释。

作为计算和推理的结果,我认为相对论对迈氏实验和Sagnac实验两者都解释得很好,没有什么矛盾的地方。稍微重申一下:

第一, 地球在近似条件下(忽略自转、公转和引力带来的加速度影响),可以将本身就看作是惯性系。在这种条件下,直接用 SR 和光速不变就可以解释迈莫实验和Sagnac效应的结果。
第二, 如果不把地球表面看作惯性系,那么迈莫实验本身测不出这种情况下的各向异性,而 GR 还是可以把 Sagnac 效应解释得很好。

[楼主]  [9楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/30 22:04 

这可能是你没理解久广的意思

他认为迈莫实验等效于环绕地球表面的 Sagnac 环的一小段,在无限小的局部区域,将转动等效为局部的平动,这个理解原则上是没问题的。只不过实际上由于双向光程的抵消,用迈莫实验是测不出来自转罢了

 

 [10楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/11/30 22:12 

xuebinguo似乎忘记洛伦兹变换是如何来的了
久广:自转的地球表面当然是非惯性系,xuebinguo“如果做迈莫实验,由于迈莫实验要考察的是往返光程的求和,
1/ c标1 + 1/ c标2 = 2/c = 1/c + 1/c,因此这个各向异性在迈莫实验中实际上无法检测出来。这就好比 4 + 4 = 8, 5 + 3 = 8 ,但迈莫实验只负责验证这两个和是否相等,也就是回路平均光速的问题,而非单程光速的问题。(这是迈莫实验的设计原理所决定的)”

久广:迈-莫实验是测什么的,难道忘啦。如果是4 + 4 = 8, 5 + 3 = 8 ,那么简单用伽利略变换解释就得了,哪还有什么洛伦兹变换?

 

 [11楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/30 22:40 

久广可能还要确认一下地球自转“相位差”的具体数值?
这也很难说,
因为当时“迈莫”认为以太风的相对速度是30000米/秒,
(地球公转速度)
现在如果考虑地球的自转,线速度大约为465米/秒,
相差将近100倍,

光纤陀螺的光行差比“迈莫干涉仪”要大很多,
所以静止于地球上的光纤陀螺如果确实可以观测到相位差的话,
(陀螺倒转对比)
可能就说明以太相对地球不是完全同步运动的,
那么测量各高度上的“相位差”,
就可以知道地球附近以太的分布规律了?


[楼主]  [12楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/11/30 22:44 

久广记错了吧?

当初人们就是拿伽利略变换,试图用迈莫实验发现一个伽利略变换预期的 (v/c)2 的二阶小量的,结果没发现,对吧?

有谁说过迈莫实验是用来证明光速不变的吗?(除了教科书或是常见的科普说法?)在相对论里面,光速不变是公设,没必要先验的证明。当然,可以采用后验的方式来对它进行检验。而迈莫实验,只能用来验证回路平均光速的不变性,无论是在惯性系还是非惯性系(非惯性系是我自己加上的,我认为在非惯性系中,这个实验测不出各向异性)。

而 Signac 实验,在我看来是一个更好的后验证明相对论的推论正确的实验。当然,它也不可能去验证公设本身:惯性系真空中光速不变,只是推论结论与实验不矛盾而已。我们只是说相对论能够经受这种检验,仅此而已。而只要理论能够经受一般的检验,就可以在自恰的范围内发展和演绎推论,预测未知规律,这和牛顿力学的发展道路其实是一样的——说句不客气的话,有谁能够先验的证明牛二的正确性吗?

直到理论不能经受检验,或者预测的结论与实际不符,就需要发展新的理论。您说不是这样吗?

 [13楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/11/30 22:47 

解释一下

固定在地上的光纤环,与光纤陀螺仪一样可以测的地球旋转,也就是两个方向有不同光程。迈-莫实验的迈克尔逊也是静止在地上的(测量时),同样可以用光纤代替干涉仪的两个臂。实验结果是没有发现光纤两个方向有不同光程,因此才有相对论的出现。

原因何在,或者是实验精度不够,没测到光程不同不等于光程不同不存在。或者是相对论的解释是有问题的,我没看到用什么可以同时对两种干涉仪实验作出合理解释。

 

 [14楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/11/30 22:49 

你认为以太应当如何运动?
给久广,关于 Sagnac 效应的计算 (久广你是不是没看帖中的第三部分关于迈莫实验的讨论啊?我白天发不了新帖,抱歉)
 [15楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/30 23:08 

这就不是相对论影响可以忽略的问题了?
按照相对论,如果光源与观者一起运动,
根本就不会出现时间差?
可是光纤陀螺的观者显然是与光源一起运动的?
 [16楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/11/30 23:09 

没错

经典理论认为迈氏干涉仪伸向相对(绝对)速度方向的那个臂上,两个方向有不同光程,但结果测不到。因此才有洛伦兹变换,洛伦兹收缩,相对论等的产生。回路光速不变是63年爱德华(?)建立的。他用了一种类似洛伦兹变换的变换,可得出光通过回路的实验只能得到0结果。当然必须在惯性系中,Sagnac实验结果正好和他的假设相反。

经实验证明(二阶效应)符合相对论而不符合经典理论的东西是不多的,而且相对论经常片面解释。而更多的是回避,不解释。地上一段光纤,两个方向是否有不同光程就是相对论说不清的问题。

 

 

 

 [17楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/11/30 23:23 

先只能是估计,还看实验结果了

我估计地球周围以太的分布规律近似一个旋涡,
速度分布估计是v=C/r(C是旋流强度常数),
可能地心附近的“地核”内的v较大(r较小),
是形成地磁场的主要原因?

地球表面的v就不知道了,可能小于地球的自转速度?
这要看光纤陀螺实验的结果才好做出估计了,
高空的v就要参考“同步卫星对时实验”的sagnac结果了?

[楼主]  [18楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/01 00:01 

你我说得没什么差别啊?(久广,你的问题我先直接在这里一起回了)

按照伽利略变换,假设一个方向是 c+v,另一个方向是 c-v

预期光程为 L/(c+v) + L/(c-v) = 2Lc/(c2-v2) ,

而实际测得为 2L/c

那个 (v/c)2 的小量没有测到。不是和我说的一样吗?

而我给出的非惯性系中两段来回光程计算可得

L(c+v)/c2 + L(c-v)/c2 = 2L/c ,有什么错误吗?

我想我既没有片面的给出解释,也没有回避这个问题,而且惯性系和非惯性系的解释都给您提供了。不能说相对论说不清吧,您说呢?

久广跟帖的意思是如果我能严格按 GR度规,解出在旋转坐标系中,有限大小的迈莫实验在二阶上必然是零结果才行? 你的确给我出了一道难题,不过我昨天考虑过这个问题,认为应该是有可能的。我会有时间的话把这个问题求解一下。哈,建其和正和不能这样见死不救啊,呵呵。。。有捷径的话还是要帮忙指点一下啊。 另外你说的回路问题,并非不存在回路,而是如果以仪器自己的参照系来看就可以确保肯定是回路了--可是这个仪器自己的参照系是不是惯性系呢?那就要看前提的假设条件了。
[楼主]  [19楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/01 00:10 

另外我发现你一个问题,可能是我们理解差别的所在

“在惯性系中,Sagnac实验结果正好和他的假设相反“, 什么假设?是回路平均光速不变吗?

不要忘了 Sagnac 在惯性系中所看到的根本不能算是回路光速,因为从惯性系角度来看,光必定不是绕了完整的一圈,而是一个方向多绕了,而另一个方向相应少绕了。只有从圆盘上非惯性系的角度讲,终点回到起点,才能算是回路。你所理解的假设实际上是不存在的。

[楼主]  [20楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/01 00:16 

老杨,不懂就不要乱说啦

你好好看看我的贴,我什么时候说过“光源与观者一起运动,
不出现时间差了?”,在这个问题上,“持相者”和我的观点是不同的。

不过你自己判断罗,我的有公式摆着,比较容易检验正误。

口说的东西就不要太当真啦。

 [21楼]  作者:持相者  发表时间: 2004/12/01 08:08 

回复: 哦?

 

按照相对论,如果光源与观者一起运动,[对面那段和你一起运动吗?]
根本就不会出现时间差?
可是光纤陀螺的观者显然是与光源一起运动的?

 [22楼]  作者:持相者  发表时间: 2004/12/01 08:13 

回复:你说的“没有光纤陀螺结构“就是这个意思。
给久广,关于 Sagnac 效应的计算 (久广你是不是没看帖中的第三部分关于迈莫实验的讨论啊?我白天发不了新帖,抱歉)
 [23楼]  作者:持相者  发表时间: 2004/12/01 08:46 

回复:你就别纳闷了,人家已经提醒你了.

人家把自己的“洞”只给你看,你还不领情。

他对你还挺温柔,有点嫉妒你了,好好待人家。

 [24楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/01 11:03 

精确的一阶小量,相对论与经典理论有同样的结果

忽略一阶小量,用经典理论迈-莫实验也是0结果。你的L(c+v)/c2 + L(c-v)/c2 = 2L/c 也是这种情况。只要考虑各种二阶效应后,就不可能得出迈-莫实验的0结果,除了光速不变。这些二阶小量包含在3方向的尺之间的关系,及时钟沿径向的变化等。

 

 [25楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/01 11:12 

怪了,不知道什么叫回路吗?

xuebinguo

xuebinguo

 [26楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/01 11:45 

将Sagnac干涉仪的光的发出和返回点放在惯性系的原点上,不就是你说的回路了吗?

回路光速不变在非惯性系中是不成立的。

 

 [27楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/12/01 14:10 

不对了?你说的是时间差?

预期光程为 L/(c+v) + L/(c-v) = 2Lc/(c2-v2) ,
而实际测得为 2L/c
那个 (v/c)2 的小量没有测到。

 L/(c+v) + L/(c-v)是“预期光程”?
是“预期时间”吧?
t1= L/(c+v) + L/(c-v)=2Lc/(cc-vv),
“迈莫实验”的回路时间差很小:
Δt=t1-t2=2Lc/(cc-vv)- 2L/c =(2L/c)[vv/(cc-vv)]≈(2L/c)(vv/cc),

光纤陀螺的回路时间差就相对很大了:
Δt=t1-t2
= 2πR/(c-v) - 2πR/(c+v)= 2πR[2v/(cc-vv)]
如果设2πR=L,则为:2Lv/(cc-vv)
忽略vv/cc,得到:
Δt=2Lv/cc=(2L/c)(v/c)
显然:(v/c)远大于(vv/cc)
所以这个时间差Δt=(2L/c)(v/c)就比较容易测得了?



 [28楼]  作者:yanghx  发表时间: 2004/12/01 14:32 

光纤陀螺的时间差是迈莫的c/v倍?
两个装置的回路时间差的差值是: (2L/c)(v/c)-(2L/c)(vv/cc)=(2L/c)[v-(vv/c)]/c 比值是: (v/c)/(vv/cc)=c/v 即光纤陀螺的时间差是迈莫干涉仪的c/v倍?
 [29楼]  作者:jiuguang  发表时间: 2004/12/01 17:04 

是一阶效应与二阶效应的关系

Sagnac效应是一阶效应,迈-莫实验测的是二阶效应。一阶效应一般与经典理论相同。

 

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