一种能证伪“光速不变原理”的新实验方法 王建华 王晓翔 著 摘要:根据光学干涉理论和激光器工作原理,可以设计发明出一种新型激光干涉仪。当观测者把干涉仪向空间各方向转动时,如果观测者在光屏上没有观测到干涉条纹的移动变化,那么相对论“光速不变原理”就是正确的。反之,如果观测者在光屏上观测到了干涉条纹的移动变化,那么相对论“光速不变原理”就是错误的。 关键词:光速、激光、相对论、光速不变原理 引言:经典理论认为:整个宇宙中充满着一种叫做“以太”的物质,这种被认为不动的“以太物质”就是“绝对空间”的化身。如果“以太理论”是正确的,那么在地面上用干涉仪做光的干涉实验,就能观测到地球相对于“以太物质”的运动速度。 1887年,美国科学家迈克尔逊-莫雷做了这方面的实验,然而,他们在转动干涉仪的过程中却始终没有观察到干涉条纹的移动。以后人们又在各种不同的条件下重复了这个实验,而且精度越来越高,甚至还考虑了地球自转以及地球公转在不同轨道位置可能造成的影响等等,但得到的都是“零结果”。 “以太理论”虽然被迈克尔逊-莫雷实验被否定了,但这并不表明“绝对空间”不存在。由于光子运动的速率与光源的运动状态无关,因此如果光在某一惯性系各方向上的光速都相等,那么这个惯性系即为绝对静止系,而这个惯性系的空间即为“绝对空间”。于是人们可以根据物体与光束两者,在同一方向上相对速度的大小,来确定物体在宇宙中绝对运动的速度。 1、激光是质量非常高的相干光。 激光器是由工作物质、共振腔和激励能源组成。工作物质具有一定的能级结构,用来实现粒子数反转。在工作物质的两端安置有两面互相平行的反射镜,其中一面是全反射镜,另一面是部分反射镜,这两个反射镜,以及它们之间的空间称为光学共振腔。光学共振腔的作用有三个,其一是产生和维持光振荡,其二是确定激光方向,其三是选频。 相干光的条件是:频率相同,相位差恒定,振动方向相同。而激光的频率、相位、振动方向都是相同的。与普通光相比,激光是质量非常高的相干光。激光的时间相干性和空间相干性都很好。从激光器部分反射镜辐射出的光束是步调一致的光束,由于激光束在其波场空间中每一点都有确定的传播方向,在其波前上各点间有稳定的相位关系,因此激光具有很好的相干性。激光的这一特性已经被人们用来生产制造精度非常高的激光干涉仪。 2、新型激光干涉仪的加工制作步骤。 根据光学干涉理论和激光器工作原理,可以设计发明出一种新型激光干涉仪,新型激光干涉仪的具体实施方式为: (1)、首先在激光器部分反射镜的镀膜反射薄层上,制作加工出两个相同的微小辐射光孔FA和FB,激光器只能从这两个辐射光孔向外辐射激光。 (2)、在靠近辐射光孔FA处,安置一个反射镜A,在靠近辐射光孔FB处,安置一个反射镜B,使从激光器辐射出的激光束FAA、FBB两者分别被反射镜A和B反射后,能在点O′处垂直相交。 (3)、在点O′处安置一个透反射镜O′,它能使激光束AO′被透射,使激光束BO′被反射,从而使光束AO′与BO′两者在点O′垂直相交后能向同一个方向传播,即向观测光屏P方向传播。 (4)、在线段AO′延长线外,安置一个观测光屏P,用来观测光束AO′、BO′两者合成后所产生的干涉条纹。 (5)、在光束BO′的光程中安置一个光程补偿镜Q。 (6)、把激光器、反射镜A、反射镜B、透反射镜O′、光程补偿镜Q、光屏P这六者,固定连接在旋转平台G上,使它们在旋转平台G上能同时、同步地作3600角旋转。 (7)、把旋转平台G与竖向转动装置R连结,使旋转平台G通过竖向转动装置R能作竖向转动。 (8)、把竖向转动装置R固定在水平转动平台T上,把水平转动平台T安置在干涉仪底基座M上,使水平转动平台T在干涉仪底基座M上能作3600角转动。 3、新型激光干涉仪的工作过程。 在激光器部分反射镜的镀膜层上,有两个相同的微小辐射光孔FA和FB,激光器从FA和FB这两个光孔向外辐射激光束FA和FB,光束FA、FB两者分别被反射镜A和B反射后,在透反射镜O′上的O′点处垂直相交,其中反射光束A O′穿过透反射镜O′后,经过O′点到达观测光屏P,而反射光束B O′则穿过光程补偿镜Q到达O′点,并在O′点处再一次被透反射镜O′反射后到达观测光屏P。 由于激光束(FA→A→O′→P)与(FB→B→O′→P)来源于同一个激光器,因此两者的频率、相位、振动方向都是相同的,当这两条垂直相交的光程AO′与BO′都等于距离d时,那么这两条激光束在光屏P上就会产生干涉条纹。其干涉条纹的性质属于薄膜干涉。把新型干涉仪向空间各方向转动,就可以观察到干涉条纹的移动变化,其干涉条纹移动数量的最大值N为 N=2Ud/[λ(CC-UU)1/2] 如果把这两条光程相等的光束同时、同步地向空间各方向转动时,那么根据相对论“光速不变原理”可以确定:这两条光束在光屏上所形成的干涉条纹是不会发生移动的,或者说:这两条光束的光程差δ在地面各方向上始终是一个常数(或等于零)。从这一点讲,当观测者把干涉仪向空间各方向转动时,如果观测者在光屏上没有观测到干涉条纹的移动变化,那么相对论“光速不变原理”就是正确的。反之,如果观测者在光屏上观测到了干涉条纹的移动变化,那么相对论“光速不变原理”就是错误的。 4、用氦-氖激光做干涉光源时,干涉条纹的最大移动量N=15.8(条)。 如果新的干涉实验用氦-氖激光做干涉光源,那么氦-氖激光的波长λ=0.6328×10-6m。假设地球在宇宙真空中运动的速率为:U≈10-4C,而光束B在地面系中运动光程BO′=5×10-2m。当光束BO′与地球运动方向相同时,如果观测者在实验中把光束BO′转动1800,使其与地球运动方向相反时,那么在干涉实验中应当能观测到的条纹移动数量最大值N为: N=2Ud/[λ(CC-UU)1/2]≈15.8(条) 在实验中,人们通过观测干涉条纹的移动数量,就可以计算出地球在宇宙真空中的运动速度和运动方向。地球在宇宙真空中的运动,是光速的万分之一。当激光在宇宙真空中运动的距离为50mm时,那么地球在宇宙真空中的运动距离应为5μm。如果观测者通过单程光干涉实验,来确定地球在宇宙真空中运动了5μm长度时,那么激光共振腔、部分反射镜的有效直径Æ则不应小于75mm,即Æ>75mm。 参考文献: 1、王建华 、王晓翔, 一种能证伪“光速不变原理”的新实验方法及结果预测《ISSN 1531-085x Copyright 2005 USN, Matter Regularity №.7》, 第78~92页。 2、王建华 用经典物理学对麦克尔逊—莫雷实验结果所做的分析与探讨 《ISSN 1531-085x Copyright 2003 USN, Matter Regularity №.3 》第258~269页。 3、大学的普通物理学教科书。 |