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[讨论] 电磁学的实验再检验(4):电磁波依赖坐标系判定实验原理
特斯拉: 今天的科学家们用数学替换了实验,并且他们从方程到方程来回地推导,最终建立了一个和现实世界没有任何关系的数学结构。
https://www.rastko.rs/projekti/tesla/delo/10884
阿诺德: 推导的链(即所谓的“证明”)越长越复杂,最后得到的结论可靠性越低。
https://iopscience.iop.org/article/10.1070/RM1998v053n01ABEH000005
所以,判定实验原理的设计,越接近“被检验的描述物理作用的数学公式”越好。
这是一个陆续思考的过程,十分艰难的过程。是电场、磁场、电磁波深层次性质探索的实体物理实验。要求极高的实验精度、稳定性。
先给出“定性”图像。假如可行,再进行“定量”细化。最后才是实体实验装置的具体设计。
本“电磁学的实验再检验”系列里,一般混用两个术语“坐标系/参照系”。“描述在某参照系里物质运动的特定坐标系里的数学公式”,一般是其本意。喜欢咬文嚼字的话,请看曹则贤老师的《物理学咬文嚼字之六十六 参照系?坐标系!》。
https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7693/wl20141109
一、某些磁场依赖坐标系
“对于匀速运动的电荷,之所以你看到了磁场,是因为你相对电荷运动了。如果你相对它静止,你将看不到磁场,只剩下静电场。”
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20661652
二、某些电磁波依赖坐标系吗?
不妨假设宏观点电荷做简谐振动。通常能辐射出电磁波。
与该宏观点电荷保持相对静止的观察者,能发现电磁波吗?
三、判定实验原理图
需要电磁屏蔽、真空、低温等条件。
数据分析,大约可以参照前些年的引力波信号分析。
以下略去其它细节。如“完整的原理图”需要在小球、检测片对称位置按照相同的另一组实验,以保证圆盘转动的对称性、均匀性。需要记录转速、室温等多种信号。“简化版”则需要地球的运动数据。
3.1 完整的原理图
如图1。
图1 电磁波依赖坐标系的判定实验
匀速转动的绝缘体材料圆盘,圆盘材料不显著吸收电磁波。置于电磁屏蔽室,真空,且最好低温。各种信号从转动轴连接到电磁屏蔽室外。
圆盘与屏蔽室外的“大机械转动惯量辅助体”连接,使得“绝缘体材料圆盘”再转动时具有很大的机械转动惯量。用皮带轮带动该圆盘(减少机械振动),大转动惯量用于保证圆盘转速的均匀。不用齿轮传动,以期避免齿轮传动引起的额外机械振动。
两个“悬丝”分别连接两个宏观小球。采用两个小球,是为了便于得到稳定的电荷量。两个小球可以看成电容器,用高精度直流稳压电源供电。为保证电压(静电的电荷量)的稳定,可以采用“稳压输出”之后再次“稳压输出”。小球周围的电场分布示意图,请参照图2右侧、图3。
圆盘旋转时,两个小球的“悬丝”会由于离心力拉直。
在一个小球旁边安装类似光栅(grating)的纳米材料电磁波检测片。一种薄片,用于吸收电磁波。吸收电磁波之后,检测片出现发热形变,有温度、形变两种信号可用于检测。
“纳米检测片1”与旋转小球保持相对静止。“纳米检测片2”位于旋转圆盘外部。
“纳米检测片2”会检测到电磁波。该信号和来自“纳米检测片1”的温度、变形信号相对照,可以判断“静止的电荷是否会激发电磁波”。
(1)保持圆盘静止,对照两个检测片的信号。这个也可以省略去。
(2)在不同的圆盘转速下,对照两个检测片的信号。
图2 两个宏观点电荷之间的电场,右侧(b)相异电荷对应本判决实验
图3 引用自费曼: Fig. 4–13. Field lines and equipotentials for two equal and opposite point charges. 两个相等和相反的点电荷的电力线和等电势线。
https://www.feynmanlectures.caltech.edu/img/FLP_II/f04-13/f04-13_tc_big.svgz
https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_04.html
该判定实验的难点:电磁波存在性的检测。
这里靠电磁波吸收产生的微弱热量。该热量同时引起“纳米检测片”的温度、形变两种“多信使 multi-messenger”信号。降低环境温度,应该有利于提高检测片信号的灵敏度。
考虑到“引力波”实验的数据处理能力,本原理也应该具有一定的合理性。
3.2 完整的原理图:简化版
如图3。
图4 电磁波依赖坐标系的判定实验,简化版
由于地球公转、自转在做复杂的加速运动,地球外的日心坐标系等会看到电荷(小球)的复杂运动。简化版仍采用两个静止电荷。这样是为了用稳压电源得到稳定的电场。
一个检测片较为靠近电荷;另一个远离电荷。
假如能在“静止参照系”检测到地球加速运动产生的电磁波,则两个检测片的温度、形变两种“多信使 multi-messenger”信号会有一定的差异。
或许可以参考“厄缶实验/Eötvös experiment”进一步改进?
图5 A schematic view of the Eötvös experiment Eötvös实验的示意图
https://iopscience.iop.org/book/mono/978-1-64327-738-7/chapter/bk978-1-64327-738-7ch4
实际上,在月球背面阴影内的边缘附近,十分有利于“真空、低温”条件的实现。
或者在太空的人造天体上,有可能更有利于获得高精度的实验条件。
3.3 完整的原理图:接受相对论原理
如图5。
图6 电磁波依赖坐标系的判定实验,接受相对论原理
接受“相对论原理”,有可能提高实验精度。因为“纳米检测片1”与小球相对静止,按照目前的主流理论,其上的信号很弱(理论值应该为0)。在图1里,圆盘的机械振动噪声会妨碍“纳米检测片1”上电磁波的检测。现在让“纳米检测片1”和小球处在静止状态,有利于提高检测的精度。“纳米检测片2”的信号较强,容易检测。
在以上各种原理性方案里,可以引入第3个“纳米检测片3”。该片与实验装置具有较远的空间距离,用于对照消除各种“背景”扰动信号。
四、磁场依赖坐标系
在上面的原理中,精确测量两个小球(宏观点电荷)之间的机械相对运动(空间的位移),可用于判定磁场的深层次性质。如某些磁场是否依赖坐标系。
按照目前的主流理论,在运动系看两个小球,会有电流引起的磁效应。假如两个小球之间空间位置没有明显变化,则直接证明某些磁场依赖坐标系。
五、小结
本文的意图,通过极高精度的实体物理实验,重新检验电磁场的基本性质,以及“惯性系”在电场相互作用里的具体含义。
例如:太阳系绕银心旋转速度大约为 220 km/s;地球在太阳系公转速度约为 29.8 km/s;地球自转又有着不均匀的复杂变化。
并加深对“广义相对论的强等效原理”等的深层次验证和理解。
毕竟,自然科学,归根到底是实验科学。
采用“纯净”的实验,有利于取得深层次的客观知识。
例如,在“水星近日点进动问题/problem of the precession of Mercury’s perihelion”的天文观测里,“岁差常数的任何微小变动,如有万分之一的变动,都会直接影响到对广义相对论的验证,而这种变化是完全可能的。其次,影响水星近日点进动的因素很多,任何一个微小的因素,如太阳的扁率,对它都有直接影响。因此,这个问题尚需继续研究。”
图7 《中国大百科全书》词条“水星近日点进动问题”截图
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=72442&Type=bkzyb&SubID=87321
因此,精确“纯净”的实验室可控实验,是发展未来科学的主要手段之一。是获得可信的“源头和底层”的主要途径之一。
参考资料:
[1] 环球物理,薛德堡,2022-11-06,【物理科普】磁场仅仅是一种相对论效应吗?
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20661652
[2] 曹则贤. 物理学咬文嚼字之六十六 参照系?坐标系![J]. 物理, 2014, 43(11): 767-772.
https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7693/wl20141109
https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-WLZZ201411014.htm
[3] 刘建平, 邬俊飞, 黎卿, 薛超, 毛德凯, 杨山清, 邵成刚, 涂良成, 胡忠坤, 罗俊. 万有引力常数G精确测量实验进展[J]. 物理学报, 2018, 67(16): 160603.
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https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.67.20181381
[4] C. Rothleitner, S. Schlamminger. Invited Review Article: Measurements of the Newtonian constant of gravitation, G [J]. Review of Scientific Instruments, 2017, 88(11): 111101.
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https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/88/11/111101/989937/Invited-Review-Article-Measurements-of-the
[5] 2022-12-23,等效原理/equivalence principle/张元仲,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=226971&Type=bkzyb&SubID=62042
强等效原理是爱因斯坦对弱等效原理的一种推广(强等效原理自然包含了弱等效原理),即引力场中的任何时空点都有可能建立一个“局部惯性系”,在其中一切物理定律与没有引力场时的狭义相对论中的形式相同。
[6] 2023-05-19,厄缶实验/Eötvös experiment/邾琳、赵慧慧、刘祺、胡忠坤、周泽兵、杨山清
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=226974&Type=bkzyb
[7] The Eötvös torsional pendulum, 2019-12, IOPscience
https://iopscience.iop.org/book/mono/978-1-64327-738-7/chapter/bk978-1-64327-738-7ch4
[8] 2023-06-04,水星近日点进动问题/problem of the precession of Mercury’s perihelion/童傅
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=72442&Type=bkzyb&SubID=87321
[9] Chapter 4.Electrostatics, The Feynman Lectures on Physics, Volume II
https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_04.html
[10] The Feynman Lectures on Physics
https://www.feynmanlectures.caltech.edu/
相关链接:
[1] 2023-04-21,[阅读笔记] “多信使”天文学
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1385142.html
[2] 2023-07-15,[求助] 电磁学的实验再检验(3):电磁波依赖坐标系实验
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395495.html
[3] 2023-02-15,[专业微信群贴出] “静止”的宏观点电荷会激发出磁场,并发射出电磁波吗?
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1376384.html
[4] 2023-07-14,[最主流] 电磁学的实验再检验(2):平行载流导线之间的电磁力
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395383.html
[5] 2023-07-13,[最主流] 电磁学的实验再检验(1):坡印廷矢量(Poynting vector)只是一种数学抽象?
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395225.html
[6] 2022-06-13,[讨论] 引力、电磁力“独立性”的判定实验
https://wap.sciencenet.cn/blog-107667-1342826.html
[7] 2019-07-02,记忆:南开大学2008年《科学素质教育课程骨干教师高级研修班》
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1187783.html
[8] 2023-07-14,“电磁学的实验再检验”:经典电磁学实验当代再检验的起因、意义要点
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395251.html
[9] 2023-07-12,[惊悚、惊喜] 原来我才是“最主流”:反思麦克斯韦经典电磁理论
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395113.html
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