科学网-[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（19）：在外太空进行光子性质实验测试-杨正瓴的博文

切换到桌面版

[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（19）：在外太空进行光子性质实验测试

2024-8-15 22:42

阅读：2039

汉语是联合国官方正式使用的 6 种同等有效语言之一。请不要歧视汉语！

Chinese is one of the six equally effective official languages of the United Nations.

Not to discriminate against Chinese, please!

[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（19）：在外太空进行光子性质实验测试

真空： vacuum

光子： photon

光速不变原理： postulate of constant speed of light

以太： ether

拉格朗日点： Lagrangian point

地球静止轨道： geostationary orbit

一、中国大百科全书词条

1.1 光子/photon

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=215506&Type=bkzyb&SubID=146659

光子的概念带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展，例如量子场论、激光、玻色–爱因斯坦凝聚、量子力学的统计诠释、量子光学和量子信息等。在物理学外的其他领域里，光子的概念也有很多重要应用，如光化学、高分辨显微术等。光子是研究光量子计算机的基本元素，在量子通信中，包括量子密码学等领域有重要的地位。

对于光子的更进一步的认识尚在进行中。

1.2 库仑定律/Coulomb's law

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31176&Type=bkzyb&SubID=61925

人们关心电力平方反比定律的精度是由于如果δ≠0，则高斯定理不成立，静电场的性质就会有所不同。其次，电磁场理论的麦克斯韦方程组是在一些电磁学实验定律的基础上建立起来的，这些实验定律的精度和适用范围都难以言明，而在一定条件下，由库仑定律和洛伦兹变换可导出麦克斯韦方程组，这不仅表明电磁现象的内在联系和统一性，而且也在一定程度上确定了麦克斯韦方程组的精度和适用范围。再次，δ是否严格为零还与光子的静止质量是否严格为零密切相关，如果光子静止质量不为零，哪怕非常小，将导致电荷不守恒，出现真空色散，破坏光速不变等一系列原则性问题。因此，电力平方反比律的精确验证实验还将长盛不衰地做下去。

1.3 月球/Moon

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=536488&Type=bkzyb&SubID=157245

月球大气产生于太阳风离子对月壤的轰击，总质量不到10吨，月面大气稀薄到接近真空。

二、利用“地月三体系”的“拉格朗日点 Lagrangian point”

利用“地月三体系”的“拉格朗日点 Lagrangian point”（复数），反射镜反射激光，以及反射“多色激光组成的混合光”，在月球表面测量“真空色散”，等。

在“地月三体系”的“拉格朗日点 Lagrangian point”（复数），发射激光，在月球表面测量：（1）双齿轮法测量单向光速，（2）真空色散，等。激光，可以单色（多种不同颜色进行重复）；也可以用“多色激光组成的混合光”。

图1 地-月系质心会合坐标系下五个平动点位置示意图

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=131864&Type=bkzyb&SubID=63690

环地月拉格朗日 2017 An overview of the mission and technical characterist.png

图2 “地月三体系”拉格朗日点示意图

来自： https://link.springer.com/article/10.1007/s11431-016-9034-6

2017 An overview of the mission and technical characteristics of Change’4 Lunar Probe

三、利用太空的真空，实验测量光（光子）的性质

利用木星的卫星等。

多颗地球静止轨道上的卫星，可能更方便。

其它，如在真空中长距离，会不会引起光子频率降低或增高？会不会引起光速的变化？等。

常见的公式“波速 = 波长 × 频率”，对于夏皮罗时延（Shapiro Time Delay）还成立吗？夏皮罗时延改变的是光波的波长？还是频率？

地表的人工实验室，在各种控制条件下的实验，得到的结果更可信。

太空里的情况复杂，很多情况无法人工控制，甚至无法可靠知道。因此，太空的实验结果，可靠性是第二层次的，低于地球表面人工实验室的实体物理实验结果。

附录：

What is a Lagrange Point? - Science@NASA

什么是拉格朗日点？

感谢 NASA ！汉语由【机器翻译】生成，个别之处经过人工修改。

https://science.nasa.gov/resource/what-is-a-lagrange-point/

What are they?: Lagrange Points

Lagrange points are positions in space where objects sent there tend to stay put. At Lagrange points, the gravitational pull of two large masses precisely equals the centripetal force required for a small object to move with them. These points in space can be used by spacecraft to reduce fuel consumption needed to remain in position.

Lagrange Points are positions in space where the gravitational forces of a two body system like the Sun and the Earth produce enhanced regions of attraction and repulsion. These can be used by spacecraft to reduce fuel consumption needed to remain in position.

Lagrange points are named in honor of Italian-French mathematician Josephy-Louis Lagrange.

There are five special points where a small mass can orbit in a constant pattern with two larger masses. The Lagrange Points are positions where the gravitational pull of two large masses precisely equals the centripetal force required for a small object to move with them. This mathematical problem, known as the "General Three-Body Problem" was considered by Lagrange in his prize winning paper (Essai sur le Problème des Trois Corps, 1772).

Of the five Lagrange points, three are unstable and two are stable. The unstable Lagrange points - labeled L1, L2 and L3 - lie along the line connecting the two large masses. The stable Lagrange points - labeled L4 and L5 - form the apex of two equilateral triangles that have the large masses at their vertices. L4 leads the orbit of earth and L5 follows.

The L1 point of the Earth-Sun system affords an uninterrupted view of the sun and is currently home to the Solar and Heliospheric Observatory Satellite SOHO.

The L2 point of the Earth-Sun system was the home to the WMAP spacecraft, current home of Planck, and future home of the James Webb Space Telescope. L2 is ideal for astronomy because a spacecraft is close enough to readily communicate with Earth, can keep Sun, Earth and Moon behind the spacecraft for solar power and (with appropriate shielding) provides a clear view of deep space for our telescopes. The L1 and L2 points are unstable on a time scale of approximately 23 days, which requires satellites orbiting these positions to undergo regular course and altitude corrections.

NASA is unlikely to find any use for the L3 point since it remains hidden behind the Sun at all times. The idea of a hidden planet has been a popular topic in science fiction writing.

The L4 and L5 points are home to stable orbits so long as the mass ratio between the two large masses exceeds 24.96. This condition is satisfied for both the Earth-Sun and Earth-Moon systems, and for many other pairs of bodies in the solar system. Objects found orbiting at the L4 and L5 points are often called Trojans after the three large asteroids Agamemnon, Achilles and Hector that orbit in the L4 and L5 points of the Jupiter-Sun system. (According to Homer, Hector was the Trojan champion slain by Achilles during King Agamemnon's siege of Troy). There are hundreds of Trojan Asteroids in the solar system. Most orbit with Jupiter, but others orbit with Mars. In addition, several of Saturn's moons have Trojan companions.

In 1956 the Polish astronomer Kordylewski discovered large concentrations of dust at the Trojan points of the Earth-Moon system. The DIRBE instrument on the COBE satellite confirmed earlier IRAS observations of a dust ring following the Earth's orbit around the Sun. The existence of this ring is closely related to the Trojan points, but the story is complicated by the effects of radiation pressure on the dust grains.

In 2010 NASA's WISE telescope finally confirmed the first Trojan asteroid (2010 TK7) around Earth's leading Lagrange point.

Finding the Lagrange Points

The easiest way to understand Lagrange points is to think of them in much the same way that wind speeds can be inferred from a weather map. The forces are strongest when the contours of the effective potential are closest together and weakest when the contours are far apart.

Lagrange Point NASA 22 日地 Lagrange_Contours-1.jpeg

Lagrange Contours

L4 and L5 correspond to hilltops and L1, L2 and L3 correspond to saddles (i.e. points where the potential is curving up in one direction and down in the other). This suggests that satellites placed at the Lagrange points will have a tendency to wander off (try sitting a marble on top of a watermelon or on top of a real saddle and you get the idea). But when a satellite parked at L4 or L5 starts to roll off the hill it picks up speed. At this point the Coriolis force comes into play - the same force that causes hurricanes to spin up on the earth - and sends the satellite into a stable orbit around the Lagrange point.

This page was originally written (with mathematical equations) by Neil J. Cornish of the Wikinson Microwave Anistropy Probe team.

它们是什么？：拉格朗日点

拉格朗日点是空间中发送到那里的物体倾向于保持原位的位置。在拉格朗日点，两个大质量的引力恰好等于一个小物体与它们一起移动所需的向心力。太空中的这些点可以被航天器用来减少保持原位所需的燃料消耗。

拉格朗日点是空间中像太阳和地球这样的两体系统的引力产生增强的引力和斥力区域的位置。这些可以被航天器用来减少保持原位所需的燃料消耗。

拉格朗日点是为了纪念意大利-法国数学家约瑟夫路易斯·拉格朗日而命名的。

有五个特殊点，一个小质量可以与两个大质量以恒定模式绕轨道运行。拉格朗日点是两个大质量的引力恰好等于小物体与它们一起移动所需的向心力的位置。拉格朗日在他的获奖论文（Essai sur le Problème des Trois Corps，1772）中考虑了这个被称为“一般三体问题”的数学问题。

在五个拉格朗日点中，有三个是不稳定的，两个是稳定的。标记为L1、L2和L3的不稳定拉格朗日点位于连接两个大质量体的线上。稳定的拉格朗日点（标记为L4和L5）形成了两个等边三角形的顶点，这两个三角形的顶点具有较大的质量。L4领先地球轨道，L5紧随其后。

地日系统的L1点提供了不间断的太阳视图，目前是太阳和日球层天文台卫星SOHO的所在地。

地球-太阳系的L2点是WMAP航天器的所在地，普朗克的当前所在地，也是詹姆斯·韦布太空望远镜的未来所在地。L2是天文学的理想选择，因为航天器离地球足够近，可以很容易地与地球通信，可以将太阳、地球和月球保持在航天器后面以获得太阳能，并且（在适当的屏蔽下）为我们的望远镜提供了清晰的深空视野。L1和L2点在大约23天的时间尺度上是不稳定的，这需要围绕这些位置运行的卫星进行定期的航向和高度校正。

美国国家航空航天局不太可能找到L3点的任何用途，因为它一直隐藏在太阳后面。隐藏行星的想法一直是科幻小说创作中的一个热门话题。

只要两个大质量之间的质量比超过24.96，L4和L5点就是稳定轨道的所在地。对于地球-太阳和地球-月球系统，以及太阳系中的许多其他天体对，都满足这一条件。在L4和L5点轨道上发现的物体通常被称为特洛伊小行星，以纪念在木星-太阳系L4和L5轨道上运行的三颗大型小行星阿伽门农、阿喀琉斯和赫克托。（根据荷马的说法，赫克托是阿伽门农国王围攻特洛伊时被阿喀琉斯杀死的特洛伊冠军）。太阳系中有数百颗特洛伊小行星。大多数与木星一起运行，但也有一些与火星一起运行。此外，土星的几个卫星都有特洛伊伴星。

1956年，波兰天文学家Kordylewski在地月系统的特洛伊点发现了大量的尘埃。COBE卫星上的DIRBE仪器证实了IRAS早些时候对地球绕太阳轨道后尘埃环的观测。这个环的存在与特洛伊点密切相关，但辐射压力对尘埃颗粒的影响使故事变得复杂。

2010年，美国国家航空航天局的WISE望远镜终于证实了第一颗围绕地球拉格朗日点的特洛伊小行星（2010 TK7）。

寻找拉格朗日点

理解拉格朗日点的最简单方法是以从天气图中推断风速的方式来思考它们。当有效势的轮廓最接近时，力最强，当轮廓相距甚远时，力最弱。

Lagrange Point NASA 22 日地 Lagrange_Contours-1.jpeg

拉格朗日等值线

L4和L5对应于山顶并且L1、L2和L3对应于鞍座（即电势在一个方向上向上弯曲而在另一个方向下弯曲的点）。这表明，放置在拉格朗日点的卫星有偏离轨道的倾向（试着把弹珠放在西瓜或真正的马鞍上，你就会明白）。但是当停在L4或L5的卫星开始从山上滚下来时，它就会加速。此时，科里奥利力开始发挥作用——与导致飓风在地球上旋转的力相同——并将卫星送入拉格朗日点周围的稳定轨道。

本页最初由Wikinson微波各向异性探测器团队的Neil J.Cornish撰写（附有数学方程）。

参考资料：

[1] 2023-08-01，光子/photon/裴寿镛、吴令安，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=215506&Type=bkzyb&SubID=146659

[2] 2022-01-20，光/light/郭奕玲，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=132834&Type=bkzyb&SubID=95642

[3] 2022-09-06，波/wave/应崇福，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=56991&Type=bkzyb&SubID=61900

色散和群速度

在一些介质中，简谐波的相速度是个常数。如真空中不论什么颜色的光，相速度总是恒量，等于2.997 924 58×10 米/秒。但另一些介质中相速度(包括光的相速度)会因频率不同而异，这种现象称为色散或频散。

介质的色散性也常起源于介质微观结构的作用。这两种作用其实常是一致的。波的衰减程度也常随频率而异。

[4] 2023-06-02，色散/dispersion/胡南琦，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=528805&Type=bkzyb&SubID=100065

[5] 2022-12-23，拉格朗日点/Lagrangian point/崔平远，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=438740&Type=bkzyb&SubID=198012

地月三体系中3个共线拉格朗日点x轴坐标分别为L1点 0.8369147、L2点1.1556825、L3点-1.0050627。

[6] 2024-04-03，拉格朗日点/Lagrangian point/侯锡云，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=131864&Type=bkzyb&SubID=63690

[7] 2022-06-04，库仑定律/Coulomb's law/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31176&Type=bkzyb&SubID=61925

人们关心电力平方反比定律的精度是由于如果δ≠0，则高斯定理不成立，静电场的性质就会有所不同。其次，电磁场理论的麦克斯韦方程组是在一些电磁学实验定律的基础上建立起来的，这些实验定律的精度和适用范围都难以言明，而在一定条件下，由库仑定律和洛伦兹变换可导出麦克斯韦方程组，这不仅表明电磁现象的内在联系和统一性，而且也在一定程度上确定了麦克斯韦方程组的精度和适用范围。再次，δ是否严格为零还与光子的静止质量是否严格为零密切相关，如果光子静止质量不为零，哪怕非常小，将导致电荷不守恒，出现真空色散，破坏光速不变等一系列原则性问题。因此，电力平方反比律的精确验证实验还将长盛不衰地做下去。

[8] 2023-03-14，月球/Moon/李竞，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=536488&Type=bkzyb&SubID=157245

月球大气产生于太阳风离子对月壤的轰击，总质量不到10吨，月面大气稀薄到接近真空。

[9] 2023-04-22，地球静止轨道/geostationary orbit/张云彤

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=403107&Type=bkzyb&SubID=202195

它距地面的高度为35786千米，运动速度为3.07千米/秒。在地球静止轨道上已有很多卫星在运行。

[10] 2022-09-10，引力时延/gravitational time delay/韩文标，黄天衣，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=56840&Type=bkzyb&SubID=150497

由物理学家I.夏皮罗（Irwin Shapiro）于1964首次提出。夏皮罗时延和光线偏折是两个独立的效应，前者并非由后者引起的。造成光线传播引力时延的本质原因是因为光在引力场中的坐标速度变慢，而并非来自光线偏折效应导致的路径变长。后者产生的传播时间增加和夏皮罗时延相比非常小，很多情况下可以忽略不计。