五維時(shí)空與運(yùn)動(dòng)力學(xué)

1、邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明光速不變?cè)韱?？黃新衛(wèi)中國(guó)湖北省十堰市東風(fēng)汽車(chē)有限公司車(chē)架廠裝備部，郵政編碼442001摘要本文對(duì)邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)證明光速不變?cè)硖岢鲑|(zhì)疑，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)是否定光速不變?cè)淼?。重新分析了羅基旋轉(zhuǎn)鋼盤(pán)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為不足以否定地球拖動(dòng)以太假說(shuō)。根據(jù)最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為地球表面以太被地球拖動(dòng)一起圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，但不隨地球自轉(zhuǎn)。同時(shí)指出，超光速現(xiàn)象已經(jīng)存在。關(guān)鍵詞邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)光速不變?cè)硪蕴?邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明光速不變?cè)韱?？?qǐng)看以下問(wèn)題：如圖1所示，左邊是地球公轉(zhuǎn)示意圖，右邊是一個(gè)巨大星球自轉(zhuǎn)示意圖。這個(gè)巨大星球自身的半徑等于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的半徑，自轉(zhuǎn)的角速度等于地

2、球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的角速度。也就是說(shuō)，這個(gè)巨大星球表面最大自轉(zhuǎn)線速度等于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)線速度，約為30公里/秒。有一空心且抽真空光纖環(huán)繞該星球表面一周，和星球同步旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在從光纖O點(diǎn)同時(shí)向順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较虬l(fā)射兩束光線。請(qǐng)問(wèn)：兩束光線環(huán)繞光纖一周后，是否同時(shí)回到O點(diǎn)？圖1答案有兩個(gè)：1）根據(jù)地球表面的邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)不能測(cè)量出地球公轉(zhuǎn)線速度這一事實(shí)，我們有理由認(rèn)為，該星球表面的邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)也不能測(cè)量出星球自轉(zhuǎn)線速度，或者說(shuō)，該星球表面各方向的光速相等。所以，兩束光線環(huán)繞光纖一周后，應(yīng)該同時(shí)回到O點(diǎn)。2）從不隨星球自轉(zhuǎn)的慣性系看，光相對(duì)該慣性系的速度恒為300,000公里/秒，而星球在

3、自轉(zhuǎn)，逆時(shí)針?lè)较蚬馐鴮⒈软槙r(shí)針?lè)较蚬馐然氐絆點(diǎn)，所用時(shí)間大約相差0.02%。這就產(chǎn)生了矛盾！究竟哪個(gè)答案正確？不同人提出了不同解釋?zhuān)?a)有人說(shuō)：這兩種答案可以同時(shí)存在，不同參照系可以存在不同觀測(cè)結(jié)果。這說(shuō)明他還想不明白，同地同時(shí)事件為什么在不同參照系都必須是同地同時(shí)事件。(b)有人說(shuō)：該巨大星球的自轉(zhuǎn)不能等同于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。那么就請(qǐng)拿出經(jīng)過(guò)深入嚴(yán)密思考、令人信服的解釋?zhuān)摼薮笮乔虻淖赞D(zhuǎn)為什么不能等同于地球公轉(zhuǎn)？(c)有人說(shuō)：第二個(gè)答案正確。這說(shuō)明他沒(méi)有考慮到，如果兩光束不同時(shí)回到O點(diǎn)，那么它們環(huán)球一周時(shí)間將不相等，把星球表面等分為無(wú)數(shù)段，它們通過(guò)每一段的時(shí)間也不相等，也就是說(shuō)，正反向光速

4、不相等，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)就應(yīng)該能檢測(cè)到30公里/秒的以太風(fēng)?？墒菣z測(cè)到了嗎？(d)有人說(shuō)：第二個(gè)答案正確，第一個(gè)分析有誤。雖然星球表面順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蚬馑傧嗟龋枪獬滩幌嗟?，逆時(shí)針?lè)较蚬饩€反射次數(shù)少一些，光程短一些，所以先回到O點(diǎn)。這說(shuō)明他沒(méi)有仔細(xì)思考，當(dāng)反射次數(shù)大到一定程度，兩光束的光程都非常接近于圓周長(zhǎng)(如反射次數(shù)為1000次，光程與圓周長(zhǎng)相差僅有0.0003%),相差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.02%o而且，有什么理由認(rèn)為逆時(shí)針?lè)较蚬饩€反射次數(shù)少一些？(e)有人說(shuō)：第二個(gè)答案正確，雖然星球表面順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蚬馑傧嗟?，但是光程不相等。由于星球在旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針?lè)较虻墓馔ㄟ^(guò)的光程小于順時(shí)針?lè)较?/p>

5、的光通過(guò)的光程。這說(shuō)明他是從不隨星球自轉(zhuǎn)的慣性系分析的，而完全無(wú)視在星球表面的分析結(jié)果。在物理教科書(shū)上，地面看運(yùn)動(dòng)的火車(chē)中點(diǎn)發(fā)出的光，到達(dá)火車(chē)首尾的光程是不相等的。但是，火車(chē)上看，光到達(dá)火車(chē)首尾的光程難道不相等嗎？同樣，星球表面看，光環(huán)球一周光程難道不相等嗎？正確答案應(yīng)該是第一個(gè)。這個(gè)問(wèn)題揭示了一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：從不隨星球自轉(zhuǎn)的慣性系看，星球表面的光速絕對(duì)不是300,000公里/秒，而是順時(shí)針?lè)较?00,000+30公里/秒，逆時(shí)針?lè)较?00,000-30公里/秒。這樣才能解決以上矛盾！或者說(shuō)，光速不變?cè)聿怀闪?，才能化解以上矛盾！邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)告訴我們，地球表面各方向的光速相等，但這并不能

6、證明光速不變?cè)?。以上分析表明，邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)是否定慣性系光速不變?cè)淼?！從不隨星球自轉(zhuǎn)的慣性系看，超光速現(xiàn)象是存在的。2羅基旋轉(zhuǎn)鋼盤(pán)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊穸ǖ厍蛲蟿?dòng)以太理論嗎？對(duì)于邁克爾遜一一莫雷實(shí)驗(yàn)的解釋?zhuān)饕腥N：1)洛倫茲和斐茲杰惹(Fitz-Gerald)提出的相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的物體可在運(yùn)動(dòng)方向縮短。瑞利(Rayleigh)提出如果透明媒質(zhì)相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)發(fā)生收縮，那么它應(yīng)該有雙折射現(xiàn)象，正如玻璃塊承受單向應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)的情況。瑞利用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)這個(gè)效應(yīng)，但得到否定的結(jié)果。布雷斯(Brace)把實(shí)驗(yàn)精度提高，但也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此效應(yīng)。顯然相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)不能使物體在運(yùn)動(dòng)方向縮短。2)邁克爾遜等人提出的地球拖動(dòng)表面的

7、以太一起運(yùn)動(dòng)，因此地面附近的以太相對(duì)地球始終是靜止的，但地球相對(duì)宇宙中其余的以太還是運(yùn)動(dòng)的。為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)的物體能否拖動(dòng)周?chē)囊蕴黄鹎斑M(jìn)，羅基(Lodge)在1892年做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把干涉儀放在兩個(gè)直徑為1米的大鋼盤(pán)中間，兩圓盤(pán)相距2.5厘米，裝在能高速轉(zhuǎn)動(dòng)的公共軸上。干涉儀在實(shí)驗(yàn)時(shí)是靜止的。他認(rèn)為如果鋼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能帶動(dòng)中間的以太，那么當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始就會(huì)有干涉條紋的移動(dòng)。但是沒(méi)有觀測(cè)到任何移動(dòng)，于是得出結(jié)論：以太不能被轉(zhuǎn)動(dòng)鋼盤(pán)拖動(dòng)。羅基的實(shí)驗(yàn)雖然沒(méi)有邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的影響大，但是它的結(jié)果導(dǎo)致人們對(duì)地球拖動(dòng)以太假說(shuō)失去了信心。3)愛(ài)因斯坦的光速不變?cè)斫忉尅Ｒ驗(yàn)橐陨蟽煞N解釋都被實(shí)驗(yàn)否定，所以愛(ài)因斯坦

8、的解釋逐漸被物理學(xué)界接受。筆者認(rèn)為羅基的旋轉(zhuǎn)鋼盤(pán)實(shí)驗(yàn)不足以否定地球拖動(dòng)以太假說(shuō)。請(qǐng)看下面的分析：如圖2所示，把一個(gè)鋼盤(pán)水平懸空，令鋼盤(pán)靜止不轉(zhuǎn)動(dòng)，地球相對(duì)鋼盤(pán)旋轉(zhuǎn)。請(qǐng)問(wèn)：鋼盤(pán)和地球之間的以太是隨鋼盤(pán)不旋轉(zhuǎn)，還是隨地球旋轉(zhuǎn)？如果以太隨鋼盤(pán)不旋轉(zhuǎn)，那就是說(shuō)鋼盤(pán)能拖動(dòng)以太。鋼盤(pán)能拖動(dòng)以太，地球?yàn)槭裁淳筒荒苣兀康厍虻馁|(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼盤(pán)，兩者之間的以太一定會(huì)被地球拖動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)!現(xiàn)在，我們?cè)谶@個(gè)鋼盤(pán)下面再增加一個(gè)鋼盤(pán)，相距2.5厘米，兩個(gè)鋼盤(pán)之間相對(duì)靜止，不隨地球一起旋轉(zhuǎn)，這樣就和羅基的實(shí)驗(yàn)裝置一樣了，如圖3所示。steeldisk圖3增加了這個(gè)鋼盤(pán)，兩鋼盤(pán)之間的以太就不能被地球拖動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)了嗎？如果您認(rèn)為

9、是應(yīng)該這樣，那么就請(qǐng)解釋?zhuān)瑸槭裁磧H僅增加一個(gè)鋼盤(pán)，就足以讓質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼盤(pán)的地球的影響消失得無(wú)影無(wú)蹤？羅基的實(shí)驗(yàn)是地球不旋轉(zhuǎn)而兩鋼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，而以上問(wèn)題是兩鋼盤(pán)不旋轉(zhuǎn)而地球旋轉(zhuǎn)，實(shí)質(zhì)都是一樣，都是兩鋼盤(pán)和地球之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)。正是因?yàn)榈厍蛲蟿?dòng)了以太，所以本應(yīng)該被鋼盤(pán)拖動(dòng)的以太結(jié)果不被拖動(dòng)！所以，羅基的實(shí)驗(yàn)本來(lái)就應(yīng)該檢測(cè)不出鋼盤(pán)拖動(dòng)以太！所以我認(rèn)為，羅基的實(shí)驗(yàn)根本不足以否定地球拖動(dòng)以太假說(shuō)！3地球表面以太不隨地球自轉(zhuǎn)如果您認(rèn)為光速不變?cè)硎钦_的，請(qǐng)回答以下兩個(gè)問(wèn)題：?jiǎn)栴}1:如圖4所示，東、西兩座相同高塔，中間O點(diǎn)，同時(shí)向兩塔尖A、B發(fā)射兩束光線。請(qǐng)問(wèn),A、B是否同時(shí)接收到光線？或者說(shuō)，地面參照系測(cè)量，

10、東、西方向光速是否相等？towerlight圖4問(wèn)題2:如圖5所示，地面上垂直豎立一光纖圓環(huán)，光纖是空心且抽真空。從O點(diǎn)同時(shí)向光纖的順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较虬l(fā)射兩束光線。請(qǐng)問(wèn)，兩束光線是否同時(shí)回到O點(diǎn)？或者說(shuō)，地面參照系測(cè)量，順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蚬馑偈欠裣嗟?？opticaiber1igill圖5對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題，很多人的解答都是這樣：?jiǎn)栴}1,A、B同時(shí)接收到光線，地面參照系測(cè)量，東、西方向光速相等。問(wèn)題2,兩束光線同時(shí)回到O點(diǎn)，地面參照系測(cè)量，順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蚬馑傧嗟取槭裁春芏嗳说慕獯鸲家粯?，原因很?jiǎn)單一一因?yàn)楣馑俨蛔冊(cè)?。但是很遺憾的是，這種解答是不符合最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果的！利用同步衛(wèi)星進(jìn)行

11、中日雙向時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn)1表明，地面參照系測(cè)量，東、西方向光速不相等。由于地球自轉(zhuǎn)，電磁波從日本通過(guò)同步衛(wèi)星傳遞到中國(guó)所花費(fèi)的時(shí)間，比從中國(guó)通過(guò)同步衛(wèi)星傳遞到日本所花費(fèi)的時(shí)間要少。問(wèn)題1中的塔尖可以等同于同步衛(wèi)星，因此，眾人對(duì)于問(wèn)題1的解答是不符合最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。近十幾年來(lái)，用于測(cè)量轉(zhuǎn)速的光纖陀螺儀的精度越來(lái)越高，以至于發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪現(xiàn)象：靜止在地面不轉(zhuǎn)動(dòng)的光纖陀螺儀，也能夠輸出最大為15度/小時(shí)的讀數(shù)。據(jù)說(shuō)這個(gè)現(xiàn)象開(kāi)始讓制造光纖陀螺儀的人都感到不可理解，后來(lái)天文學(xué)家提醒說(shuō)，地球在自轉(zhuǎn)。這才算是有了答案。問(wèn)題2中的光纖圓環(huán)就等同于光纖陀螺儀，因此，眾人對(duì)于問(wèn)題2的解答也是不符合最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。很遺憾

12、的是，物理學(xué)界并沒(méi)有就這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行深入、嚴(yán)密思考，而是簡(jiǎn)單地把這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋為Sagnac效應(yīng)，甚至說(shuō)Sagnac效應(yīng)也是相對(duì)論效應(yīng)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是與光速不變?cè)硐噙`背的！是與過(guò)去的證明光速不變?cè)淼膶?shí)驗(yàn)相矛盾的！為了消除這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)光速不變?cè)順?gòu)成的挑戰(zhàn)，有人提出，自轉(zhuǎn)的地球是非慣性系，非慣性系中光速可變，并不能否定慣性系光速不變?cè)怼？墒?，過(guò)去所有證明光速不變的實(shí)驗(yàn)，哪一個(gè)不是在自轉(zhuǎn)的地球這個(gè)非慣性系做的？在非慣性系做的實(shí)驗(yàn)，又怎么能夠作為慣性系中光速不變的實(shí)驗(yàn)證據(jù)？同樣是在自轉(zhuǎn)的地球這個(gè)非慣性系做的實(shí)驗(yàn)，過(guò)去的實(shí)驗(yàn)未能檢測(cè)出地球表面各方向的光速不相等，就說(shuō)這些實(shí)驗(yàn)

13、證明了光速不變?cè)怼，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)?zāi)軝z測(cè)出地球表面各方向的光速不相等，為什么就不能說(shuō)這些實(shí)驗(yàn)否定了光速不變?cè)砟?？過(guò)去的一些高精度實(shí)驗(yàn)表明，地球表面以太風(fēng)速度不到1米/秒。而以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，地球表面以太風(fēng)最大速度可達(dá)460米/秒。過(guò)去的高精度實(shí)驗(yàn)是否可靠，很值得懷疑！對(duì)于中日雙向時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn)和光纖陀螺儀能夠敏感地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，一些人分析認(rèn)為，地球表面以太被地球拖動(dòng)一起圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，但不隨地球自轉(zhuǎn)。我經(jīng)過(guò)思考分析，也認(rèn)為除此以外，找不出更好解釋。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，地球表面已經(jīng)檢測(cè)到超光速現(xiàn)象，相對(duì)論的質(zhì)量一一速度關(guān)系式M=mVl-v2/c2和時(shí)間一一速度關(guān)系式T=t/Jiv2/c2都必須修改。4地

14、球表面以太被地球拖動(dòng)一起圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，但是不隨地球自轉(zhuǎn)再看另一個(gè)重要問(wèn)題：中日雙向時(shí)間傳遞實(shí)驗(yàn)表明，地面參照系測(cè)量電磁波往返中日兩地的時(shí)間差t,符合從不隨地球自轉(zhuǎn)的慣性系的計(jì)算結(jié)果。而從不隨地球公轉(zhuǎn)的慣性系計(jì)算，如圖6所示，由于地球公轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，電磁波往返中日兩地的時(shí)間差應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來(lái)的時(shí)間差，大約高兩個(gè)數(shù)量級(jí)（因公轉(zhuǎn)速度約為30公里/秒，自轉(zhuǎn)速度小于0.46公里/秒），為什么地面參照系測(cè)量不到？或者說(shuō)，為什么地面參照系能測(cè)量到地球自轉(zhuǎn)帶來(lái)的Sagnac效應(yīng)，而測(cè)量不到地球公轉(zhuǎn)帶來(lái)的Sagnac效應(yīng)？synchcmmiss&IeIIiIc圖6有人說(shuō)，這是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)角速度3

15、1（360度/24小時(shí)=15度/小時(shí)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公轉(zhuǎn)角速度32（360度/（365天x24小時(shí)）=0.04度/小時(shí)），所以公轉(zhuǎn)帶來(lái)的Sagnac效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自轉(zhuǎn)帶來(lái)的Sagnac效應(yīng)，以至于測(cè)量不出。這種解釋是沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)密思考的。我們知道，Sagnac效應(yīng)值t=2vL/（c2-v2）,其中L為圓弧兩點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)，線速度v=coR,3是角速度，R是半徑。表面上看，Sagnac效應(yīng)值t正比于角速度，但是請(qǐng)?zhí)貏e注意，還正比于半徑R雖然地球公轉(zhuǎn)角速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自轉(zhuǎn)角速度，但是地球公轉(zhuǎn)半徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自轉(zhuǎn)半徑r!Sagnac效應(yīng)值t正比于角速度和半徑R的乘積，也就是線速度v。地球公轉(zhuǎn)線速度（約為30公里/秒）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自轉(zhuǎn)線速度（小于0.46公里/秒），而圓弧兩點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)L（即中日兩地距離）不變，公轉(zhuǎn)帶來(lái)的Sagnac效應(yīng)值應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自轉(zhuǎn)帶來(lái)的Sagnac效應(yīng)值。還有人說(shuō)，地球公轉(zhuǎn)近似為勻速直線運(yùn)動(dòng)，近似為慣性系，而慣性系中各方向的光速相等，所以地面參照系測(cè)量不到地