一种处理原子钟Δt输出的协变方法

内容提要：

本文提供了一种处理原子钟Δt输出的协变方法。使用这种方法，能减少计时误差，提高时间坐标精度。

正文：

    一、过去的失误

原子钟是目前地球文明中，精度最高的计时工具。但一直存在Δt输出不稳定问题，尤其在原子钟相对地表运动过程中，稳定性明显下降。对这个问题，过去一直没有系统的技术解决方法。过去对这个问题的研究存在许多失误。最普遍失误有两种：

1、简单套用爱因斯坦时间公式进行运算。原子钟并不是相对论理论中的“理想钟”。这种情况下，不能直接套用理论公式解决技术问题。

2、忽视了“真空不空”，在对称空间内，进行能量运算。这是物理常识错误，无需多解释。

某些错误的推导，由于巧合，也可以在个别问题中，得到与现实相符的定性解释，但根本无法技术落实。要技术落实，必须做新的推导。

二、新的理论起点

1993年，廖铭声（中）公开了使用流体力学对“麦克斯韦方程组”的完备推导。2001年陈绍光（中）公开了使用量子力学对广义相对论度规的推导。上述两个成果进一步推进了薛定萼假说：电磁波是一种介质波。在此前后，Marmanis（美）、Dmitrieyv（俄）、Feist（德）、刘启新（中）、杨新铁（中）、黄志洵（中）、杨红新（中）、程稳平（中）等人，在各自的课题中，皆得到支持上述观点的研究成果。综合上述具体研究成果，我们做下述判断：

目前最普遍的原子钟Δt输出误差，是电磁波源相对电磁介质运动造成的。

三、具体分析

理清基本思路之后，会发现“原子钟Δt输出问题”，其实是一个很简单的问题。以下我们分四步做具体分析。

1、红移

根据流体力学“可压缩流理论”，在介质中相对介质运动的波源，其振动频率会降低。其简化定量结果为：ν′=ν。这与爱因斯坦的“狭义相对论红移”定量是一致的。不同之处在于，爱因斯坦当年把这种红移关系作为相对逆变关系。目前看来，这种红移关系是一种相对协变关系。

把上述成果用于原子钟研究，可发现，任意原子钟都可能经历两种“狭义相对论红移”：

（1）频率锁定之前，原子相对介质运动产生的红移。

（2）频率锁定之后，内部振动器相对介质运动产生的红移。

2、介质

迈克尔逊实验否定了地球公转数量级上的电磁介质漂移，而Sagnac效应却可以测出地球的自转角加速度。由此我们推论，行星附近的电磁介质，在行星公转轨道上与行星同步公转，而基本不随行星同步自转。

3、公式

“输出量误差”，总是指相对于某一“标准量”的差异。通过上述分析，我们可以发现：在客观上，并不存在一个“标准Δt”。客观存在的是“Δt之间的变换关系”。目前把美国航天局提供的“NIST原子秒”作为“标准原子秒”，不具备物理意义，只是一种人为约定。

对于“原子钟标钟”来说，其波源是原子。不同原子钟的原子束相对于电磁介质运动速度不同，产生的“原Δt”就不一样。设相对电磁介质静止的原子“辐射出n个波面的时间”为Δt₀，相对电磁介质以速度V运动的原子“辐射出n个波面的时间”为Δt_x，则Δt_x=Δt₀。

对于“一般原子钟”来说，其工作状态是“频率锁定状态”，工作状态中的波源是“内部振动器”。设AB两钟相对介质静止，彼此“内部振动器”保持频率同步后，B钟运动，相对介质运动速度为V，则Δt_B=Δt_A。

由此我们可以列出通用的Δt的变换方程：

Δt₁/Δt₂=/                   （1）

x —— 输出Δt为Δt₁的原子钟波源相对介质运动V的具体值

y —— 输出Δt为Δt₂的原子钟波源相对介质运动V的具体值

c —— 光速常数

以下简称方程（1）为“Δt标准变换方程组”。

由于≈1-（v²/c²），“Δt标准变化方程”可近似为：

Δt₁/Δt₂ =（2c²-x²）/（2c²-y²）                      （2）

以下称方程（2）为“Δt近似变换方程”。

4、定性分析举例

（1）“两极钟”与“赤道钟”比较。由于两极附近地球自转线速度，小于赤道附近地球自转线速度。所以“两极钟”的Δt相对快。这与1905年爱因斯坦在《运动物体电动力学》中所做的实验预言结果是一致的。由于1905年地球人类还没有原子钟，爱因斯坦当年只能使用机械钟对此进行说明。

（2）“西向钟”与“东向钟”比较。在地表中纬度地区，地表自转速度大约为1马赫。“西向钟”在2马赫内，相对电磁介质速度，小于同纬度地表基地相对于电磁介质的速度。“东向钟”相对电磁介质速度总大于同纬度地表基地相对于电磁介质的速度。所以，这种情况下，“西向钟”Δt相对快。

（3）“同步卫星钟”与“基地钟”比较。“同步卫星钟”与“基地钟”角速度一致，前者旋转半径大，相对线速度大。所以“同步卫星钟”Δt相对慢。

（4）“东向原子束标钟”与“西向原子束标钟”同地同原子束速比较。“同原子束速”是相对地表来说的“同速”，相对电磁介质来说，“东向原子束标钟”的原子比“西向原子束标钟”的原子更快。所以“东向原子束标钟” Δt相对快。

四、技术落实

1、通用方法：

利用“Δt标准变换方程”或“Δt近似变换方程”协变不同原子钟的Δt，使得不同原子钟具有统一的Δt。

2、关键：

关键是“具体的V”。可用两套方法确定：

（1）简易方法。把地表自转线速度，作为地表基地钟“V”，其它V在此基础上速度合成求出。

（2）严密方法。用频率锁定后的“导航精度级原子钟”实测地表每一纬度，每一经度，不同海拔高度，不同地月关系中的Δt，代入“Δt简化变换方程”反求出V，制出参数表。具体应用时按参数表变换。

五、特别说明

1、“原子钟异地校钟问题”与“原子钟Δt输出问题”是两个不同问题，希望不要混淆。林金（中）曾对前者提出过系统技术方法，本文是对后者提出系统技术方法。在具体应用时，这两套技术可以交叉配套使用。

2、本文提出的方法，仍然不是理论上严密的方法。主要在两个方面不够严密。对此本人分别做出解释：

（1）未使用流体力学对“狭义相对论红移”的严密解。因为目前地球人类所有实验，都无法区分其严密解与简化解。目前我们使用爱因斯坦在1905年提出的简化解已经够用了，故未使用严密解。

（2）未涉及“引力红移”因素。因为地球作为一个天体是弱引力天体，其引力对原子钟Δt的影响，相对普遍的“狭义相对论红移”对原子钟Δt的影响，微乎其微。目前实验物理要达到测定“引力红移对Δt影响”都很困难。技术应用还不用考虑到这个精度，提出相关技术也用不上，故未涉及。