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《“两飞机实验”可行性分析》
一、实验方案： 需要两架战斗机，用激光测距仪测量其间距L， （由于测距是往返光程，所以两机的测距值应该相等） 飞机的速度v由空速表测量，尽量保持一致， 在两架飞机上安装精确校对过的原子钟， 从某一时刻开始，每隔一秒钟，同时向对方发出信号P， 并记录下发出和接收到对方信号的时间， 或用“时间计数器”测量本机与另机的1pps（秒脉冲）时间间隔Δt1与Δt2， “时间计数器”产品精度参数见： http://www.time.ac.cn/jianjie/fzy.htm 经过简单计算如果得到结果： 双向信号传输时间差： Δt=Δt2-Δt1 与两飞机速度v和飞机的间距L成正比， 则说明光速可变，否则，就暂时不能否定“光速不变原理”， 此实验是参考“用GPS做愛因斯坦光速不變原理的判決實驗”设计的， 该实验方案简述参见： http://218.103.90.163/archive/2004/Issue32/hyts-3.html ================================================ 二、飞机速度v、间距L和原子钟同步精度： v与L的测量不需要十分的精确， 因为只要能基本保证两信号P1和P2是同时发出的，L就是基本相等的， 尔后由于v的存在，可能出现： 与v同向的“光程”长一些，与v相反的“光程”短一些， 从而引起双向信号传输时间差：Δt=Δt2-Δt1， 所以两机的v并不需要精确相等， 其较大的误差只会影响Δt2和Δt1有微小的不同， 由于可以改变v和L，测量出对应的双向传输时间差Δt， 从而可以排除因原子钟不能完全“同步”产生的影响？ 因为即使一个原子钟比另一个快，按照“光速不变原理”， 观察到的Δt也应该是基本相等的，不会随v和L的改变而变化， 可能关键是要注意：原子钟的随机不稳定度，希望能在100皮秒以内， 即相应的频率稳定度应该是：10^-10/小时，这个要求不算高， 因为现在一般都可以保证频率稳定度在：10^-12/每天， ===================================================== 三、公式与计算： Δt的推导也很简单， 1、信号通过距离L的传输时间是：T=L/c， 2、在T这段时间里内，飞机移动的距离是：ΔL=vT， 3、信号通过ΔL所需增加的时间（或减少的时间）是：Δt=ΔL/c， 于是得到：Δt= vL/cc， 由于是双向传输时间对比，Δt=Δt2-Δt1，所以还要乘以2倍，最后得到： Δt= 2vL/cc， 显然Δt的大小应该于v和L成正比， （这就是光纤陀螺sagnac效应的计算公式） 初步的实验方案是： 1、两架飞机先以较低的速度v=50米/秒飞行， 在间距为L=1公里时，记录、测量Δt， 然后v不变，间距改变为L=10公里和100公里，分别记录、测量Δt， 2、把两飞机的速度v提高到v=200米/秒、400米/秒、600米/秒、800米/秒、...， 对应每个速度v，重复上面的间距L改变实验， 具体计算： 当v=50米/秒，L=1000米时： Δt= 2vL/cc= 2*50*1000/3e8*3e8= 11 e-12（秒）=11 皮秒，很小， 当v=1000米/秒（3倍声速），L=500 000米时： Δt= 2*1000*500000/3e8*3e8= 11 e-9（秒）=11 纳秒=11000皮秒，不算小了， 当v=2000米/秒（6倍声速），L=800 000米时： Δt= 2*2000*800000/3e8*3e8= 3.555e-8（秒）=35 纳秒，不算小了， 如果用两个航天飞机就更好了， 速度v可以达到v=10000米/秒，距离可以达到L=10000 000米， 则： Δt= 2*10000*10000 000/3e8*3e8= 2.2 e-6（秒）=2.2 微秒，这就很可观了， =========================================================== 四、实验精度分析： “两飞机实验”类似《中日双向法时刻比对》实验， 都是由无线电传播标准秒信号，对比双向传输时间差， 该实验的测量数据如下： “自１９９８年１２月１日建立两国的ＴＷＳＴＦＴ链接以来， 已进入了每周两次，每次３０分钟的常规工作。 现在已取的一年多的有效资料。结果分析表明： 比对的内部精度为：0.2ns－0.3ns 时刻比对的准确度为：１ns－２ns 校频精度量：４×１０^－１４ ～ ２×１０^－１５ 由误差分析得知，Sagnac效应约为：87ns， 卫星地面站收发系统的延迟误差，电波信号来回通过卫星转发器的时延差， 电波在信道中双向传递不对称误差等，都小于1ns。” 由此可以看出，各种误差的累计基本可以控制在1纳秒以内， 那么双向信号传输时间差（直线Sagnac效应）： Δt=Δt2-Δt1= 11～35纳秒，应该可以容易的测量到了？ （注意：机载原子钟的“校频精度”可能要低一点，大约是10^-12） ========================================================== 五、备注（重要）： 1、为了检验两原子钟的稳定性， 可以反复测试两机间距L=1公里和500公里时的Δt， 如果返回L=1公里处的Δt重新变得很小（11皮秒）， 那么就说明500公里处的较大Δt（11纳秒）测量是有效的， 2、也可以考虑用GPS校对两机原子钟同步， 但由于GPS卫星也在相对运动，所以具体实施计算比较复杂一些， 而且其校准精度暂时还无法估算，具体产品精度数据参见： http://www.hjtf.com.cn/ 3、两飞机最好延地球经线方向飞行， 如果延纬线方向飞行又有人要套用原子钟搬运时差公式： Δt= ∫ds{1 + [ΔU（r→）/cc] + VV/2cc} + 2ωAE/cc 其中（2ωAE/cc）项是地球自转引起的“sagnac时差项”， 只要飞机是南北向飞行，就不用考虑这一项的问题了？ 4、两个原子钟最好在两机相距1公里处调整同步， 如果不调整同步，也可以先测量1公里处两钟的Δt=Δt2-Δt1， 如果假设： Δt2：信号速度c方向与v相同时，测量到的信号传输时间； Δt1：信号速度c方向与v相反时，测量到的信号传输时间； 那么应该保证此时两钟的不同步误差使得： Δt2＞Δt1， 这样随着v和L的增加，Δt=Δt2-Δt1 也会相应增加， 再减去1公里处的 Δt=Δt2-Δt1 就可以了？ 这是征求意见稿，难免有考虑不到、遗漏、粗糙之处，还请各位指点， |