光速不變性原理的驗(yàn)證方案

1、光速不變性原理的驗(yàn)證方案尹授遠(yuǎn)（沈陽(yáng)大學(xué) 信息工程學(xué)院自動(dòng)化系，遼寧 沈陽(yáng) 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(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。并用第二個(gè)實(shí)驗(yàn)方案獲得了預(yù)期的驗(yàn)證結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，存在一個(gè)光參考系，在該參考系中光速不變。宇宙中的天體相對(duì)該參考系都是運(yùn)動(dòng)著的。關(guān)鍵詞：光速不變，激光，實(shí)驗(yàn)，地球運(yùn)動(dòng)速度，相對(duì)論狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)（基本假設(shè)）是狹義相對(duì)性原理和光速不變?cè)?4。根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)，光波的傳播速度與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)225?；蛘哒f，真空中光的速度是與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的346。即光不會(huì)與運(yùn)動(dòng)著的發(fā)光物體作復(fù)合運(yùn)動(dòng)。由此可以得出的結(jié)論是，如果在與物體運(yùn)動(dòng)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(yīng)會(huì)發(fā)生偏離，即光線與物體運(yùn)動(dòng)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(cè)量出光線偏離的角度，則由已知的光速就能得到地球的運(yùn)動(dòng)速度。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案可以測(cè)量光線的這個(gè)偏離角。1 實(shí)驗(yàn)方案一實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)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(zhǎng)），比如10米。直徑大小則以能夠滿足測(cè)量要求為準(zhǔn)。為減少可能存在的干擾因素，容器內(nèi)部應(yīng)為真空狀態(tài)。在圓柱形容器中的兩端，各安裝一個(gè)尺寸相同的長(zhǎng)條形反射鏡面。在其中的一個(gè)條形反射鏡面一端，安裝一個(gè)孔徑為微米級(jí)的激光發(fā)射器；在該反射鏡面的另一端，安裝一個(gè)

3、帶記憶功能的光敏接收器。兩個(gè)條形反射鏡面都可以繞其中心軸在鏡片平面旋轉(zhuǎn)。如圖1和圖2所示。激光發(fā)射器和光敏接收器應(yīng)當(dāng)具有足夠的精細(xì)度。將柱體垂直立于地面。為減少地球引力可能的影響，應(yīng)使光線在垂直于地面的方向上往返傳播。調(diào)整兩個(gè)反射鏡面。為了提高測(cè)量精度，必須使兩個(gè)反射鏡面相互嚴(yán)格平行。調(diào)整方法如下：調(diào)整的最終目標(biāo)是使A和B兩個(gè)反射鏡面都與光線垂直，即可達(dá)到A與B互相平行。我們分別用A和B來標(biāo)識(shí)兩個(gè)條形反射鏡面。在反射鏡面A的鏡平面旋轉(zhuǎn)軸心處，安裝一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)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(gè)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(zhǔn)。微孔四周則是光敏感應(yīng)部分。 調(diào)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(duì)準(zhǔn)反射鏡面B。旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射器360°。在旋轉(zhuǎn)過程中調(diào)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(diǎn)上，即保證光線與旋轉(zhuǎn)軸同軸。調(diào)整反射鏡面B，使反射光斑偏離光敏接收器中心點(diǎn)（微孔處）一定距離。 作者簡(jiǎn)介：尹授遠(yuǎn)（1960- ），男（漢族），山東福山人，沈陽(yáng)大學(xué)副教授，大學(xué)本科。自動(dòng)化專業(yè)旋轉(zhuǎn)反射鏡面A，使其上的光敏接收器旋轉(zhuǎn)360°。這時(shí)激光發(fā)射器不一起跟著旋轉(zhuǎn)，即保持激光發(fā)射器的位置和方向不變。在旋轉(zhuǎn)過程中調(diào)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(zhuǎn)反射鏡面B360°，調(diào)整B的水平位置，使激光光線經(jīng)反射后返回到激光發(fā)射點(diǎn)（微孔處）。調(diào)整激光發(fā)射器入射角，使光線在B上偏離原入射點(diǎn)一定距離，即反射光斑偏離激光發(fā)射點(diǎn)（微孔處）。 同時(shí)旋轉(zhuǎn)反射鏡面B和A，使B和光敏接收器同步旋轉(zhuǎn)360°，而激光發(fā)射器不動(dòng)。調(diào)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(dá)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(gè)角度，使其發(fā)出的光線在兩個(gè)鏡面之間進(jìn)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(yīng)盡

6、可能多，以有利于提高測(cè)量精度。將柱體旋轉(zhuǎn)360°，在旋轉(zhuǎn)過程中觀察并記錄反射光斑的位置變化。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果一當(dāng)達(dá)到足夠的實(shí)驗(yàn)精度時(shí)，比如柱體足夠長(zhǎng)，或者條形反射鏡面足夠長(zhǎng)可以使光線有更多的反射次數(shù)等，光斑將會(huì)發(fā)生偏離。圖3是假設(shè)光線在與地球的運(yùn)動(dòng)方向上順向成一定角度時(shí)往返折射一次的示意圖。圖中藍(lán)色實(shí)線表示光線不發(fā)生偏離時(shí)的光徑，紅色實(shí)線表示光線發(fā)生偏離時(shí)的光徑，藍(lán)色虛線表示偏離后的入射光線反射后沒有發(fā)生偏離時(shí)的假想反射光徑，與入射光線構(gòu)成一個(gè)等腰三角形。圖4是將柱體旋轉(zhuǎn)180°后的示意圖，光線的方向與旋轉(zhuǎn)之前相反。藍(lán)色實(shí)線表示沒有發(fā)生偏離的光徑，紅色虛線表示旋轉(zhuǎn)180°

7、;之前偏離時(shí)的光徑，紅色實(shí)線表示旋轉(zhuǎn)180°后光線發(fā)生偏離時(shí)的光徑，藍(lán)色虛線表示沒有發(fā)生偏離時(shí)的假想反射光徑。V表示地球的運(yùn)動(dòng)方向，d是旋轉(zhuǎn)180°前后的位移距離。根據(jù)初始入射角和d的測(cè)量結(jié)果，可計(jì)算出光線的偏離角。實(shí)驗(yàn)過程還可在其它不同放置條件下分別進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果是否會(huì)有不同。3實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案。將兩個(gè)長(zhǎng)條形反射鏡面相互平行放置，相距距離適當(dāng)遠(yuǎn)。讓激光光束在兩個(gè)鏡面之間反射多次。最終讓反射光斑落在一個(gè)記錄面上。用攝像機(jī)記錄光斑的移動(dòng)變化情況。記錄時(shí)間要盡量長(zhǎng)，最好達(dá)到2

8、4小時(shí)以上。激光光線隨著地球轉(zhuǎn)動(dòng)，其光線入射方向也將跟著變化。本人采用的是第二種實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)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(shí)間大約是1小時(shí)左右。在實(shí)驗(yàn)中觀察到光斑發(fā)生了有趣的位移。4結(jié)語(yǔ)我們的概念與概念體系之所以能得到承認(rèn)，其唯一理由在于它們代表的是我們經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合。出此之外，它們并無(wú)其他的理性依據(jù)42。波動(dòng)方程并未涉及到光源速度，這很自然地表明光速應(yīng)與光源的速度無(wú)關(guān)54。本實(shí)驗(yàn)方案二的驗(yàn)證結(jié)果表明，存在一個(gè)光參考系，在該參考系中光速不變。宇宙中的天體相對(duì)該參考系都是運(yùn)動(dòng)著的。根據(jù)這一結(jié)論，在人造衛(wèi)星上利用本實(shí)驗(yàn)方法就可以在宇宙中設(shè)置一個(gè)相對(duì)光參考系靜止的坐標(biāo)原點(diǎn)。其大

9、致的方法是：通過測(cè)量三維方向上光線的偏離程度，不斷回調(diào)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向，從而使衛(wèi)星始終保持在靜止?fàn)顟B(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(shí)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(hào)，并在信號(hào)中插入衛(wèi)星的時(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)間編碼信息的光信號(hào)來和衛(wèi)星對(duì)時(shí)，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(xiàn)：1張?jiān)?，狹義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，北京，科學(xué)出版