|
检验光速是否可变的实验方案 710075 西安市高新一路18号 黄德民 摘要：本文提出了三种检验光速是否可变的实验方案。分析和计算表明，这些方案都具有较强的操作性和重要的实施价值，有利于对光速是否可变做出进一步检验。 主题词：光速不变 光速可变 实验检验 实验方案 相对论 一、问题提出 “光速不变”作为相对论的一条基本假设，得到了不少实验的验证和支持[1]。但“光速不变”究竟是本质还是现象，争议从未平息过，实验检验也从未停止过。笔者在此提出三种新的实验方案，以期对光速是否可变做出进一步检验。其中后二种与“光介子假说[2]”有一定联系。 二、非对称运动回路光干涉实验方案 非对称运动回路光干涉实验方案原理如图-1所示。 光源S发出的一束光经半透明镜A分为两束，一束沿ABCDAE传播，一束沿ADCBAE传播，两者在E点处汇合形成干涉条纹。其中，AD段和BC段分别用光纤连接，光线从光纤内通过。而AB段和CD段长度固定（为L米），光线直接从空中传播。 实验开始时，该装置各部分都静止在实验室中，E点处有稳定的干涉条纹。然后，保持AB段不动，让CD段以速度V运动，在此期间观察干涉条纹的移动量。 若光速可变，当CD段运动时，沿ABCDAE传播的光在CD段的速度将变为C-V，而沿ADCBAE传播的光在DC段的速度为C+V，其它各段对两束光的影响相等。这样，两束光到达E处时总的时间差为： △T=L/（C-V）-L/（C+V）≈2LV/C2 对应的干涉条纹移动量为： △=△TC/λ≈2LV/Cλ （式中λ为光的波长） 实验时，若取V=10米/秒，L=3米，C≈3×108米/秒，光的波长λ=5×10-6米，则△≈0.04。 这一移动量目前的干涉仪已完全能够检测。 具体实施时，上述方案可作适当变化，以便获得较大的条纹移动量。例如让整个光沿回路转上10圈后再引出，即可达到0.4的条纹移动量；也可以让上下边（即AB段和CD段）反向运动（一个向东，一个向西），条纹移动量将翻倍。 若该实验出现预期的干涉条纹移动，将直接挑战“光速不变假设”。 三、光线漂移时间差法实验方案 光线漂移时间差法实验方案与“光介子假说”有一定联系。 光介子假说认为地球周围存在着随地球一起（绕太阳公转）运动的光介子层，正是由于它们对光速的影响，才造成了迈克尔逊-莫雷实验等众多实验的“零结果”。同时，光介子假说还认为地球的自转难于拖动地面以上的光介子层随之转动，地面上应有因地球自转引起的光介子风。测量这种光介子风对光速的影响具有重要意义。新设计的“光线漂移时间差法实验方案”如图-2(a)所示。
由A点处的激光器发出一短脉冲，经两平行的平面镜M1和M2多次反射后到达距离为L的B处，B处的接收器接收并记录脉冲到达的时刻。设初始发射方向偏离法线的角度为θ，则光线从A到B所用的时间为： △T=L/（Csinθ） （式中C为光速值） 若有光介子风，光线的传播方向将发生漂移，如图-2（b）所示（图中V代表光介子风的速度）。当光介子风与A→B方向相同时，光线从A到B所用的时间为： △T+=L/（Csinθ+V） 当光介子风与A→B方向相反时，光线从A到B所用的时间为： △T-=L/（Csinθ-V） 具体实施时，不必准确测定θ值，只需分别测定实验装置沿不同方向（东西、西东、南北、北南）放置时光线传播的时间值即可。考虑到地球由西向东自转，地面可能存在由东向西的光介子风。这样，沿不同方向测得的光线传播时间值可能不同。 若取θ=10-5弧度，L=0.3米，C≈3×108米/秒，V=300米/秒（随纬度不同而不同，最大值在赤道处，约为465米/秒），则： △T=10-4秒，△T+≈0.91×10-4秒，△T-≈1.11×10-4秒 比较上述各时间值的差，数量级为10-5秒，已完全可以测量并分辨（要求激光发散角很小，可能是个难点）。若沿各个方向测得的时间值不等，证明地面上确实存在光介子风，且对光速产生了影响。 四、非对称密封回路光干涉实验方案 “光介子假说”认为物体内部空间的光介子层有可能被物体运动所拖动，而外部空间的光介子层难被拖动。地球自转时，地面以上的光介子层基本不动，但地球上物体内部空间的光介子层则有可能因物体随地球自转而部分随动。针对此特点，新设计的“非对称密封回路光干涉实验方案”如图-3所示。 光源S发出的一束光经半透明镜A分为两束，一束沿ABCDAE传播，一束沿ADCBAE传播，两者在E点处汇合形成干涉条纹。图中阴影部分为密封装置壳体（光线穿过壳体的地方可用透明材料制作），中间部分为空腔。整个回路在垂直面内。
实验开始时，整个装置沿“东西”方向静止于地面上。由于地球自转，地面上应感受到速度为V的“光介子风”，密封装置内的光介子层可能会部分随动。设密封装置对其内部光介子层的拖动系数为f（0≤f≤1），并令k=1-f（0≤k≤1）。则沿ABCDAE传播的光在AB段的速度为C-KV，在CD段的速度为C+V，而沿ADCBAE传播的光在DC段的速度为C-V，在BA段的速度为C+KV。其它各段对两束光的影响相互抵消。这样，两束光的时间差为： △T=[L/（C-V）+L/（C+KV）]-[L/（C+V）+L/（C-KV）] ≈2（1-K）LV/C2=2fLV/C2 对应的干涉条纹为： △=△TC/λ≈2fLV/Cλ （式中λ为光的波长） 进一步，让整个实验装置转过180度（例如从原来的“东西”放置变为“西东”放置），干涉条纹的移动量将变为为上式的2倍，即： △≈4fLV/Cλ 若取L=3米，V=300米/秒（随纬度不同而不同，最大值在赤道处，约为465米/秒），C≈3×108米/秒，光的波长λ=6×10-6米，则： △≈2f 由上式可见，即使拖动系数很小，比如f=0.1，干涉条纹移动量也可达△≈0.2，足以被观测。 如果实验出现预期的效应，既是对“光速不变原理”的挑战，也是对“光介子假说”的有力支持。 运用同样原理，也可以设计成“升降式回路光干涉实验方案”。与“非对称密封回路光干涉实验方案”不同的是，该实验开始时整个光回路完全封闭在密封装置（或地下实验室）内，随后，将光回路慢慢向上升起，使其上半部分支路升到装置外面（壳体预先留下缝隙）。由于装置内外的光介子风不同，在该支路突破密封装置壳体的那一瞬间，就会产生干涉条纹移动。鉴于该实验与非对称密封回路光干涉实验原理相同，不再展开叙述。 五、结束语 上述几种实验方案均具有较强的操作性，建议有条件者加以实施。一旦实验成功，将是对光速不变假设的严重挑战。 参考文献： [1] 张元仲著 . 狭义相对论实验基础 . 北京：科学出版社，1979 [2] 黄德民著 . 论物理现象的本质——物质作用论挑战相对论 . 陕西科学技术出版社，2001 |
