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[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(17):“真空中单向光速不变”可以直接测量吗?
多普勒效应: Doppler effect
真空: vacuum
光速不变原理: postulate of constant speed of light
以太: ether
狭义相对论验证: special relativity verification
迈克尔逊-莫雷实验: Michelson-Morley experiment
电磁学的实验再检验,一个直接的起因:担心100多年之前的那些电磁学经典实验,精度和稳定性等都明显低于我们当代的物理实验水平。除了常见的加工误差等,还有没有别的误差?特别是原理性的系统误差?
从《相对论》、《量子力学》等角度,反思一下那些经典实验,也是有积极意义的。
一、起因
《中国大百科全书》 2023-09-08的词条“狭义相对论验证/special relativity verification”里写到:
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=438956&Type=bkzyb&SubID=198015
还要说明一点,现有的实验(包括迈克耳孙莫雷实验)并没有证明光速是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性,在没有其他方法确定这种同时性之前,光速是否同方向无关是无法用实验判断的。
②多普勒频移观测验证。多普勒频移的观测精度已达到0.5%;对介子寿命的观测精度约达0.4%;用原子钟做的实验精度较低约10%。这些实验的结果都同相对论的预言符合。
质能关系主要是通过核反应来进行检验,精度达到了百万分之三十五。
二、真空中的光速不变原理
2.1 光速不变原理/postulate of constant speed of light
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=59586&Type=bkzyb&SubID=62037
光在真空中总是以恒定的速度传播,且与光源的运动状态无关。
光速不变原理的内容包含:①真空光速与光源的运动速度和加速度无关,而且也与在哪个惯性系(惯性观测者)测量无关。②真空光速与光的频率无关(即光在真空中无色散)。③真空光速与光的传播方向无关(即单向光速各向同性)。
由于同时性定义和测量单向速度互为前提,所以原则上说单向速度(包括单向光速)是无法用实验独立测量的,除非能发现某种绝对的对钟方法(如找到瞬时传播信号等)。因此单向光速的各向同性只是一个不能用实验直接证明的科学假定。
2.2 2022-01-20,坐标时和固有时/coordinate time and proper time
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=59593&Type=bkzyb&SubID=62038
由同一只标准时钟记录的时间(间隔)称为固有时(间隔);放在不同地点的两只标准时钟记录的时间之间的差值称为坐标时(间隔)。
物理时间(指实际直接测量的时间)对应于固有时,而坐标时与同时性定义相关。
三、思考:单向光速可以测量吗?
图1 光波多普勒效应观测对称实验原理示意图
3.1 实验原理
整个实验装置要处在“真空”之中。“真空度”越高越好。
圆柱形的“旋转柱体”用刚性高的材料制作,表面光滑,要镜面效果。附加大的机械转动惯量,用皮带从电动机传动。可以用光码盘等测速。
“光源”:①可以采用单色激光;②也可以采用加速器的“同步辐射”。
实验步骤:
(1)“旋转柱体”静止时,调整整个实验装置。
(2)“旋转柱体”旋转时,用三棱镜(或其它装置)测量“光波多普勒效应”。
(3)“旋转柱体”不同转速;正反转。
(4)更换不同的“夹角θ”。采用不同转速;正反转。
(5)更换不同的真空度,测量“光波多普勒效应”的结果随着真空度变化的情况。
(6)更换“旋转柱体”的不同材料。如不锈钢,金属银,……
(7)转变整个实验装置在地表的角度,检验地球自转的影响。
(8)一年四季多次测量,检验地球公转的影响;“地球还有随同太阳在星际空间和在银河系内的空间运动”的影响。
检查上面实验值与“理论值”的一致性。
“理论值”,根据狭义相对论中的洛伦兹变换得出的光波(电磁波)的多普勒效应的公式,可以得出相应的理论值。
3.2 分析
“某种绝对的对钟方法”,转化为静止参照系里的实验系统调试。对应“固有时”的“空间距离”,可以在静止系以及“旋转柱体”静止时得到。
“旋转柱体”两侧的转速(及其对应的柱体表面线速度的“速率”),从大量统计的角度看,是相等的,至少它们的平均值是相等的。
这是对光波(电磁波)的多普勒效应的一种直接测量。
利用几乎严格相同的速度(反向),检验光波的多普勒效应公式。
3.3 小结
上述实验:
(1)可望大幅度提高“多普勒频移观测验证”的精度;
(2)较为直接的验证“在空中的光速不变原理”;
(3)从不同于“迈克尔逊-莫雷实验 Michelson-Morley experiment”的角度,判断“以太 ether”的意义。
……
附录:Léon Foucault 测量光速的一些图片
图2 in-1849-french-physicist-armand-fizeau-used-this-method-to-achieve-BCE750.jpg
图3 speed_of_light_setup.png
https://wanda.fiu.edu/boeglinw/courses/Modern_lab_manual3/_images/speed_of_light_setup.png
https://wanda.fiu.edu/boeglinw/courses/Modern_lab_manual3/speed_of_light.html
图4 Speed_of_light_(foucault).png
https://es-academic.com/pictures/eswiki/83/Speed_of_light_(foucault).PNG
https://es-academic.com/dic.nsf/eswiki/633678
参考资料:
[1] 2022-06-09,光速不变原理/postulate of constant speed of light/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=59586&Type=bkzyb&SubID=62037
[2] 2022-01-20,多普勒效应/Doppler effect/陈晓冬,郁道银,诸国祯,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=104770&Type=bkzyb&SubID=95653
光波多普勒效应
[3] 2023-09-08,狭义相对论验证/special relativity verification/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=438956&Type=bkzyb&SubID=198015
还要说明一点,现有的实验(包括迈克耳孙莫雷实验)并没有证明光速是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性,在没有其他方法确定这种同时性之前,光速是否同方向无关是无法用实验判断的。
②多普勒频移观测验证。多普勒频移的观测精度已达到0.5%;对介子寿命的观测精度约达0.4%;用原子钟做的实验精度较低约10%。这些实验的结果都同相对论的预言符合。
质能关系主要是通过核反应来进行检验,精度达到了百万分之三十五。
[4] 2022-01-20,坐标时和固有时/coordinate time and proper time/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=59593&Type=bkzyb&SubID=62038
由同一只标准时钟记录的时间(间隔)称为固有时(间隔);放在不同地点的两只标准时钟记录的时间之间的差值称为坐标时(间隔)。
物理时间(指实际直接测量的时间)对应于固有时,而坐标时与同时性定义相关。
[5] 2022-12-23,以太/ether/戴念祖,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=296568&Type=bkzyb&SubID=158543
“以太”一词是英文Ether或Aether的音译。
[6] 2022-12-23,同步辐射/synchrotron radiation/赵振堂、柴之芳,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141043&Type=bkzyb&SubID=61964
[7] 2023-06-04,同步加速辐射/synchrotron radiation/尤峻汉,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=146957&Type=bkzyb&SubID=87351
[8] 2023-03-30,同步辐射/synchronous radiation/柴之芳,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=74798&Type=bkzyb&SubID=84254
[9] 2023-07-21,旋转编码器/rotary encoder/屠纪明,常春,胡瑜,董彬,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=222031&Type=bkzyb&SubID=148118
绝对编码器由机械位置决定每个位置的唯一性,无需记忆、找参考点,不用一直计数,什么时候需要知道位置,就去读取它的位置。这样,编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
[10] Werner Boeglin, 2024-03-13, 23. The Speed of Light, Florida International University
https://wanda.fiu.edu/boeglinw/courses/Modern_lab_manual3/speed_of_light.html
[11] Léon Foucault, Wikipedia Español
https://es-academic.com/dic.nsf/eswiki/633678
[12] 2023-10-12,地球自转/Earth's rotation/闫昊明,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=152079&Type=bkzyb&SubID=111853
如果以太阳为参照物(24小时),地球在太空中会旋转360°59′;如果以恒星为参照物,地球在太空中旋转一周(360°),用时23小时56分4.099秒;
在赤道区域,地球自转的线速度约为463米/秒。
主要原因
有潮汐摩擦,冰川均衡调整,核幔耦合,环境和海面变化、地震以及板块运动等。其中最主要的原因,可能是发生在浅海地区的潮汐摩擦。
[13] 科普中国,2021-12-31,近地空间
https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=331495
近地空间是指从地心起 1.015~6.6 个地球半径范围内的空间区域即从地球海平面起约100~36000km 的球壳状区域。
[14] 2023-03-14,地球空间运动/motion of the Earth in space/李竞,胡寿村,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=567526&Type=bkzyb&SubID=157242
地球公转轨道也有变化。此外,地球还有随同太阳在星际空间和在银河系内的空间运动。
地球公转轨道的变化
地球绕太阳公转椭圆轨道也有变化,但近几百万年到几亿年是相当稳定的,影响地球气候变化的主要是轨道偏心率(目前为0.0167)变化,过去1亿年的变化范围为0.0669~0.0001。过去的1500万年,偏心率变化的重要周期有40.5万年、12.4万年和9.5万年。
现已测定,太阳相对邻近恒星的运动速度为每秒19.7千米。
太阳和太阳系所在的天区,银河系的自转线速度约为每秒220千米,自转周期为2.4亿年(可谓之“银河年”)。
[15] 2023-02-17,月球空间运动/motion of the Moon in space/李广宇,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=567584&Type=bkzyb&SubID=157245
[16] 2023-02-17,行星空间运动/space motion of planet/李广宇,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=567602&Type=bkzyb&SubID=157236
行星追随太阳以220千米/秒的高速围绕银河系中心运动,约2.5亿年走过一周。与此同时还有一种约20千米/秒,振幅约500光年的上下起伏运动,每转过一周起伏两到三次。银河系又带着太阳系在本星系群中以300千米/秒的速度运动。本星系群相对于宇宙微波背景运动的速度则达30000千米/秒。
[17] 2022-01-20,恒星的空间运动/space motion of stars/李宗伟,中国大百科全书,第三版网络版[DB/OL]
https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=66082&Type=bkzyb&SubID=87439
太阳附近恒星的空间运动速度约为50千米/秒。实际上,太阳也在空间运动着。太阳对邻近恒星的空间运动速度约为19.7千米/秒,
[18] Michal Křížek. 张智民译. 数值计算的可靠性[J]. 数学文化, 2015, 6(1): 34-40.
https://www.global-sci.org/intro/article_detail/mc/11781.html
https://www.global-sci.org/intro/articles_list/mc/1419.html
1887 年,为了祝贺自己的60岁寿诞,瑞典国王奥斯卡二世赞助了一项现金奖励的竞赛,征求太阳系稳定性问题的解答,
相关链接:
[1] 2024-08-01,[小资料,笔记,科普] 爱因斯坦相对论的实验验证
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1444760.html
[2] 2023-8-18,[小资料,小科普] 加速器的“同步辐射”
https://wap.sciencenet.cn/blog-107667-1399542.html
[3] 2024-05-06,[不是科幻,倡议,讨论] 蓝色地球行动 Blue Earth Actions
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1432938.html
[4] 2024-03-18,[打听] 哪里有“迈克尔逊-莫雷实验 Michelson-Morley experiment”的权威的主流的资料?
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1425835.html
[5] 2024-03-19,[打听] 哪里有 1851 年“斐索实验 Fizeau experiment”的权威的主流的资料?
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1426002.html
[6] 2024-08-02,[讨论,笔记] “多信使相对论”(广义相对论):电力透镜、静电洞
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1444881.html
[7] 2024-03-27,从前(3):“多信使相对论”(狭义相对论)
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1427171.html
[8] 2023-04-21,[阅读笔记] “多信使”天文学
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1385142.html
[9] 2024-03-26,[娱乐,???] 从前(2):“级数相对论”的接近清晰的物理图像
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[10] 2020-10-08,[严肃内容] 黑洞、电磁黑洞(静电黑洞)、联合黑洞(黑洞+电磁黑洞),统一场“黑洞”
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[11] 2021-09-19,[娱乐] 两个小球(宏观点电荷、宏观质点)与采用狭义相对论来推导引力磁
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[12] 2022-11-20,[?] 《三体3:死神永生》:黑域,狭义相对论、朗道与华罗庚
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[13] 2020-06-05,[求证] 爱因斯坦12岁时看的几何学书,是什么语言的?
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1236596.html
[14] 2024-03-11,[请教] “狭义相对性原理”、“光速不变原理”的最权威、最主流表述
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1424918.html
[15] 2015-08-25,物理学“狭义相对性原理”的准确表述
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[16] 2024-06-06,[小资料,笔记,物理] 狭义相对性原理不适用于“运动学”
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1437182.html
[17] 2024-06-23,[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(16):无定向秤( astatic balance )的系统误差是多少?
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[18] 2024-06-16,[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(15):光压与“电磁波的刚性”
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[19] 2024-05-14,[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(12):为什么要“最直接”地再测量?
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[20] 2024-05-22,[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(14):判定实验原理(2):电场强度 E 是矢量吗?
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[21] 2024-05-21,[请教,讨论] 电磁学的实验再检验(13):判定实验原理(1):磁感应强度 B 是矢量吗?
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[22] 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
[23] 2024-02-07,[求助] 电磁学的实验再检验(11):电磁相互作用依赖参照系吗?
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1420950.html
[24] 2024-01-26,[打听] “单光子”遇上“半反半透镜”:观察到什么现象?
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1419489.html
[25] 2023-10-26,[最主流,实体的物理实验波形] “费曼电容器充电”的电压波形观察
https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1407363.html
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