光速不變性原理的驗證方案

1、光速不變性原理的驗證方案尹授遠（沈陽大學 信息工程學院自動化系，遼寧 沈陽 110044）摘要：本文根據(jù)愛因斯坦的光速不變性原理，提出了光速不變的兩個實驗驗證方案。并用第二個實驗方案獲得了預期的驗證結果。實驗結果表明，存在一個光參考系，在該參考系中光速不變。宇宙中的天體相對該參考系都是運動著的。關鍵詞：光速不變，激光，實驗，地球運動速度，相對論狹義相對論的基礎（基本假設）是狹義相對性原理和光速不變原理14。根據(jù)愛因斯坦的假設，光波的傳播速度與光源的運動無關225?；蛘哒f，真空中光的速度是與光源的運動狀態(tài)無關的346。即光不會與運動著的發(fā)光物體作復合運動。由此可以得出的結論是，如果在與物體運動方

2、向垂直的方向上發(fā)射一束光，則在該物體所在的參考系中光線應會發(fā)生偏離，即光線與物體運動方向所成的角度大于90°。根據(jù)這一原理，如果在地球上能測量出光線偏離的角度，則由已知的光速就能得到地球的運動速度。本文設計的實驗方案可以測量光線的這個偏離角。1 實驗方案一實驗裝置為一個圓柱形的封閉容器，容器材料為金屬或非金屬均可。圓柱形容器要盡可能高（長），比如10米。直徑大小則以能夠滿足測量要求為準。為減少可能存在的干擾因素，容器內部應為真空狀態(tài)。在圓柱形容器中的兩端，各安裝一個尺寸相同的長條形反射鏡面。在其中的一個條形反射鏡面一端，安裝一個孔徑為微米級的激光發(fā)射器；在該反射鏡面的另一端，安裝一個

3、帶記憶功能的光敏接收器。兩個條形反射鏡面都可以繞其中心軸在鏡片平面旋轉。如圖1和圖2所示。激光發(fā)射器和光敏接收器應當具有足夠的精細度。將柱體垂直立于地面。為減少地球引力可能的影響，應使光線在垂直于地面的方向上往返傳播。調整兩個反射鏡面。為了提高測量精度，必須使兩個反射鏡面相互嚴格平行。調整方法如下：調整的最終目標是使A和B兩個反射鏡面都與光線垂直，即可達到A與B互相平行。我們分別用A和B來標識兩個條形反射鏡面。在反射鏡面A的鏡平面旋轉軸心處，安裝一個激光發(fā)射器和一個能記錄激光反射光斑位置的光敏接收器。激光發(fā)射器位于光敏接收器的后面。在光敏接收器中心處有一個微孔可以讓激光光線通過。微孔的直徑以恰

4、好不影響激光光線的通過為準。微孔四周則是光敏感應部分。 調整激光發(fā)射器，使其發(fā)出的光線穿過光敏接收器中心的微孔，對準反射鏡面B。旋轉激光發(fā)射器360°。在旋轉過程中調整光線的垂直度和反射鏡面B，使反射光斑始終位于光敏接收器的一點上，即保證光線與旋轉軸同軸。調整反射鏡面B，使反射光斑偏離光敏接收器中心點（微孔處）一定距離。 作者簡介：尹授遠（1960- ），男（漢族），山東福山人，沈陽大學副教授，大學本科。自動化專業(yè)旋轉反射鏡面A，使其上的光敏接收器旋轉360°。這時激光發(fā)射器不一起跟著旋轉，即保持激光發(fā)射器的位置和方向不變。在旋轉過程中調整A的水平位置，使光敏接收器接收的反

5、射光斑軌跡為正圓，即反射鏡面A與光軸垂直。旋轉反射鏡面B360°，調整B的水平位置，使激光光線經反射后返回到激光發(fā)射點（微孔處）。調整激光發(fā)射器入射角，使光線在B上偏離原入射點一定距離，即反射光斑偏離激光發(fā)射點（微孔處）。 同時旋轉反射鏡面B和A，使B和光敏接收器同步旋轉360°，而激光發(fā)射器不動。調整B的水平位置，使光敏接收器接收的反射光斑軌跡為正圓。使A與B達到平行后，移去反射鏡面A中心處的激光發(fā)射器和光敏接收器。將安裝在條形反射鏡面一端的激光發(fā)射器沿柱體軸向偏離一個角度，使其發(fā)出的光線在兩個鏡面之間進行多次反射后由另一端的光敏接收器接收，如圖2所示。光線往返的次數(shù)應盡

6、可能多，以有利于提高測量精度。將柱體旋轉360°，在旋轉過程中觀察并記錄反射光斑的位置變化。2實驗結果一當達到足夠的實驗精度時，比如柱體足夠長，或者條形反射鏡面足夠長可以使光線有更多的反射次數(shù)等，光斑將會發(fā)生偏離。圖3是假設光線在與地球的運動方向上順向成一定角度時往返折射一次的示意圖。圖中藍色實線表示光線不發(fā)生偏離時的光徑，紅色實線表示光線發(fā)生偏離時的光徑，藍色虛線表示偏離后的入射光線反射后沒有發(fā)生偏離時的假想反射光徑，與入射光線構成一個等腰三角形。圖4是將柱體旋轉180°后的示意圖，光線的方向與旋轉之前相反。藍色實線表示沒有發(fā)生偏離的光徑，紅色虛線表示旋轉180°

7、;之前偏離時的光徑，紅色實線表示旋轉180°后光線發(fā)生偏離時的光徑，藍色虛線表示沒有發(fā)生偏離時的假想反射光徑。V表示地球的運動方向，d是旋轉180°前后的位移距離。根據(jù)初始入射角和d的測量結果，可計算出光線的偏離角。實驗過程還可在其它不同放置條件下分別進行：將柱體沿赤道方向水平放置、垂直于赤道方向水平放置，以便觀察實驗結果是否會有不同。3實驗方案二如果僅僅是觀察光線是否偏離，則可以采用第二種實驗方案。將兩個長條形反射鏡面相互平行放置，相距距離適當遠。讓激光光束在兩個鏡面之間反射多次。最終讓反射光斑落在一個記錄面上。用攝像機記錄光斑的移動變化情況。記錄時間要盡量長，最好達到2

8、4小時以上。激光光線隨著地球轉動，其光線入射方向也將跟著變化。本人采用的是第二種實驗方案。在實驗中鏡面間的距離是10米，光反射次數(shù)是4次。每次記錄的時間大約是1小時左右。在實驗中觀察到光斑發(fā)生了有趣的位移。4結語我們的概念與概念體系之所以能得到承認，其唯一理由在于它們代表的是我們經驗的復合。出此之外，它們并無其他的理性依據(jù)42。波動方程并未涉及到光源速度，這很自然地表明光速應與光源的速度無關54。本實驗方案二的驗證結果表明，存在一個光參考系，在該參考系中光速不變。宇宙中的天體相對該參考系都是運動著的。根據(jù)這一結論，在人造衛(wèi)星上利用本實驗方法就可以在宇宙中設置一個相對光參考系靜止的坐標原點。其大

9、致的方法是：通過測量三維方向上光線的偏離程度，不斷回調衛(wèi)星的運動方向，從而使衛(wèi)星始終保持在靜止狀態(tài)（不考慮衛(wèi)星可能與其他天體相撞的情況）。若需要獲得該參考系的時間信息，則可以讓衛(wèi)星定期地按球面掃描向外發(fā)射周期固定的光脈沖序列信號，并在信號中插入衛(wèi)星的時間編碼信息，我們可以通過接收這種信息獲得我們所在天體的運動狀態(tài)信息。由于光速不變，我們可以向衛(wèi)星回發(fā)包含衛(wèi)星時間編碼信息的光信號來和衛(wèi)星對時，從而得到我們與衛(wèi)星之間的距離信息。Projects to Prove Principle principle of constancy of light velocityShouyuan-Yin（Infor

10、mation Engineering College of Shenyang University） Abstract：According to Einsteins principle of constancy of light velocity, this paper presents two projects to prove constancy of velocity of light by experiment, and gets prospective result using the second one. Principle of constancy of velocity of light indicates that there exists a light reference system in which velocity of light is costant, and celestial bodies in the universe are all relatively moving in it.Key：velocity of light constant、Laser、experiment、velocity of earth、 theory of relativity參考文獻：1張元仲，狹義相對論實驗基礎，北京，科學出版