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相对论多普勒效应的最新实验验证中的数据拼凑术

(2006-06-30 00:37:50)
分类: 相对论-实验伪例下的谬误
相对论多普勒效应的最新实验验证中的数据拼凑术

关于狭义相对论的原子实验检验,还有氢原子的精细结构检验(来源于纯相对论量子力学效应)和超精细结构(来源于量子场论效应结合相对论),电子反常磁矩检验(宣称小数点后11位符合)。以及关于相对论多普勒效应的最新实验验证 (宣称精度达8位有效数字)...

相对论多普勒效应的最新实验验证是1994年R. Grieser等人做的。实验原理类似于Ives-Stillwell试验,粒子的速度是0.064c。

实验测得的激光共振频率是512 667 592.4(3.1) MHz
按相对论预言的共振频率是512 667 588.3(0.8) MHz
经典理论预言的共振频率是514 776 111.3(0.8) MHz
实验原理见附件.

实验凑数的要害在于锂离子被加速至高速态0.064C,体系能量(动能)增幅极大.无疑,体系不同的能量(包括体系的动能)决定了体系构成质点的能级值和能级分布.
体系动能改变不大,能级分布可以用体系"平移"近似处理.但体系受强大外电场作用,动能大幅增加.构成质点的能级值和能级分布必然改变.遗憾的是,实验用了加速前的能级频率值,这是对如此精度的实验最起码的质疑.

量子力学体系不是刚性架构,锂离子是多质子体系。体系内质子,电子处于不同的运动状态,当体系受强电场的作用大幅加速时,增加动能的同时,体系的内能也增加,(质子,电子的质量不是同一个量级),而且,所增加的动能并非是按"刚性构架"均匀分配给各个质点,电子速度比质子的速度增加幅值要大得多。体系能级和能级间隔将因总能态的大幅度改变而该变.. 

此,我特别要提请注意的是,在强场下大幅度加速引起体系产生的稳定能态跃迁是不可回复逆传如初的。体系动能的大幅变化引起构成质点的能级值和能级分布的改变是可以通过间接的实验结果来验证的。

温度是体系内部分子平均动能的标志.通过对不同温度下的某元素能级分布的对照可以给出该问题的间接验证. 

附件:
这里我简单介绍一下这个实验的原理。

实验用的发射系统,是高速运动的锂离子。实验用到了锂离子的三个能级,不妨称其为能级1(实际上是2^3S能级下的J=1, F=3/2的超精细能级),能级2(2^3S,J=1, F=5/2),能级3(2^3P, J=2, F=5/2)。其中能级1最低,能级3最高,能级2只比能级1高一点点。它的能级图看起来就像希腊字母lambda,所以称为lambda系统。

先考虑静止的情况。通常情况下,锂离子主要存在于能级1上。当我们用一束激光去轰击锂离子时,如果激光的频率正好等于能级3与能级1的差别时,锂离子就会被激发,跃迁到能级3上。但能级3是不稳定的,锂离子会再次跃迁到能级1或能级2上。这样,轰击的结果,会使处于能级2的锂离子数目大幅度增加。

如果这时再用另一束激光去轰击这些锂离子,而这束激光的频率是可调的。那么当激光的频率调到正好对应于能级3与能级2的差时,激光将会被大幅度吸收,并产生荧光。所涉及的两条光谱线的频率已经被精确的测定,设它们是f1(1->3), f2(3->2)。

现在来考虑运动的情况。设有一束高速运动的锂离子,这些离子的速度有大有小,具有一定的分布(当然分布并不是很宽)。现在从这束离子的背后发射激光,而且激光的频率略高于能级3与能级1的差。由于多普勒效应,锂离子接收到的激光的频率会降低一点,降低多少取决于离子的速度。只有某种具有特定速度的锂离子接收到的激光的频率正好对应于能级3和能级1的差,所以只有这部分锂离子才会被激发,因此也只有这部分锂离子才会大量地处在能级2。

现在在从这束锂离子的正面射去可调激光。同样由于多普勒效应,锂离子接收到的激光频率会略高一些。由于只有被第一束激光选中的那种速度的锂离子才会富集在能级2,也只有当第二束激光的频率经过那个速度下的多普勒频移后正好对应能级3与能级2的差时,激光才会被大量吸收。这个第二束激光的频率,就是所谓的共振频率。通过测量系统发出的荧光的强度,可以得知第二束激光是否与系统发生了共振。

设第一束激光的频率是fa, 第二束激光的频率是fb,被选中的锂离子的速度为v。根据上面的原理,四个频率之间满足以下关系:

f1 = fa * f(v)
f2 = fb * g(v)

两个函数f(v)和g(v)分别是背向和相向的多普勒频移公式,不同的理论给出的函数形式不一样。

对于狭义相对论而言

f1 = fa * k * (1 - v/c)
f2 = fb * k * (1 + v/c)

相乘后,得

f1 * f2 = fa * fb (1)

故狭义相对论预言的共振激光频率应为

fb = f1 * f2 / fa

对于经典理论而言

f1 = fa * (1 - v/c)
f2 = fb * (1 + v/c)

相乘,得

f1 * f2 = fa * fb * (1 - vv/cc) (2)

故经典理论预言的共振激光频率应为

fb = f1 * f2 / fa / (1 - vv/cc)

实验的目的,就是检验相对论预言的共振频率是否与实测值相符。实验的结果,昨天已经给出,这里再补充得完整一点。

实验中第一束激光的频率是fa = 582 490 603.370(0.130) MHz
实验测得共振激光频率是fb = 512 667 592.4(3.1) MHz

静止参照系下两条谱线的频率分别为[这是另一组实验科学家独立测量的,结果发表在Physical Review A 49, 207 (1994)上。下面两个数据是我自己从这篇文献上找来的。Grieser他们用的数据我没有找到,所以用下面这组数据推算的相对论预言值与昨天给出的会略有不同,但都在误差范围内]

f1 = 546 474 963.42 (0.4) MHz
f2 = 546 455 145.74 (0.4) MHz

这个实验构思的精巧之处,就在于对狭义相对论而言,最后的公式(1)中没有出现离子的速度。相对光谱而言,速度是一个比较难以测准的量。由于只用到可以精确测量的光谱数据,这个实验就能对狭义相对论作出非常严格的检验。

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