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验证光速是否恒定方案探讨

(2012-04-01 16:07:01)
标签:

验证相对论

运动光源

光速测定

杂谈

验证光速是否恒定方案探讨

                                  作者:彭晓韬

                                 2012.03.16

[文章摘要]运动光源与静止光源发出的光波速度是否有差异是衡量传统物理学与相对论理论谁更接近事实的关键,本文就此提出一些测量光速的方案供有兴趣者参考。

我们知道,光速在真空中达到每秒30万千米左右,要在地球表面这种非真空、非严格意义上的惯性系、几何尺度有限、目前能达到的高速运动体的速度与光速相差45个数量级之多等的不利条件下,准确测定静止与运动光源的速度差别是有一定难度的。为此,我们先对此进行一些分析与研究。

如下图一所示:我们假设在一条理想的直线上设置两个光脉冲接收器AB,两者间的距离为S;有一沿AB光脉冲接收器连线方向以速度V匀速运动的光脉冲发生射器,并假设光脉冲发生射器位于A接收器左侧时发出第一个光脉冲所在位置离A接收器的距离为L,光脉冲发生射器位于B接收器右侧时发出第一个光脉冲所在位置离B接收器的距离为R。则我们可以分别根据伽利略和爱因斯坦理论推导出光脉冲接收器AB接收到同一个光脉冲的时间差TR(光脉冲发生射器在B接收器右侧时)和TL(光脉冲发生射器在A接收器左侧时)。

一、伽利略传统理论条件下的TRTL表达式(假设第一个脉冲发出时的时间为0

TL[(L+S)-L]/C+V)=S/C+V

TR[(R+S)-R]/C-V)=S/C-V

 二、爱因斯坦理论条件下的tRtL表达式(假设第一个脉冲发出时的时间为0

tL[(L+S)-L]/CS/C

tR[(R+S)-R]/CS/C

验证光速是否恒定方案探讨

由以上各式可以看出,AB接收器接收到同一个光脉冲的时间差与脉冲发生器相对与AB接收器的距离无关,仅与AB接收器间距S、光速C及光脉冲发生器运动速度V相关。

 

三、根据上以推导的四个公式,我们进行了模拟计算,分别按照目前高铁0.10.15km/s、炮弹速度1.8km/s、飞船速度10km/s以及AB接收器间距1100km,理论光速、真空中光速、空气中光速等进行计算后,得出下表《时差计算分析一览表》。从表中我们发现:(TL-TR)、(TL-tL)、(TR-tR)三者对光速的影响较小,在三种光速下的影响在皮秒级。而对光源运动速度V和接收器间距S较敏感。

1、在地球表面利用高铁进行测量的话,两接收器间距离即使在10km时,全速行驶列车上的光脉冲发射器发出的光速与地面静止的同类型发射器发出的光速也只有皮秒~10皮秒级的时间差别;

2、在地球表面利用炮弹发射光脉冲发射器的话,则可将上述高铁的数值提高12倍左右;

3、若能利用宇宙飞船、人造卫星进行试验,则在接收器间距大于5km的情况下,时间差别将达到纳秒级或更大。

总之,根据以上计算分析,只要采取合理的方法,利用目前人类所掌握的科学技术,选择合适的试验观测设备和试验方案,完全可以直接测量运动光源的光速,并通过与同条件下的静止光源的光速进行比较,就可以达到验证运动光源与静止光源光速是否相同的目的。

    四、按照近年来一些报道,国际上有些天文观测发现宇宙中存在一些以很高的速度远离地球(太阳系或银河系)的高速天体,有的速度达到每秒数万千米甚至接近光速。这类天体中有一些特殊的天体——脉冲星。我们可以选择这类天体作为脉冲发射器来进行测量,则可能得到更准确的试验结果。但因为这类天体的运动速度并非确切可靠,其观测结果如果与预期的不同,即其实测的光速与地球上静止光源的光速相近时,也不能得出光速一定是恒定的准确结论。

    下面的《脉冲星作为发射器时的时差计算分析表》中假设了脉冲星相对于地球的四种运动速度(可能只能计算出TR值,因为按照目前通常认识,河外天体均是以不同的速度远离银河系的),在100010000km/s的速度范围内,伽利略与爱因斯坦理论间的时间差在0.01100微秒级间。

 

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