李学生 （lixueshenglxs@21cn.com）　2007.05

五、光速不变性原理的实验基础

科学家研究表明信息传输速率不可能超过光速：美国东部时间2005年10月15日(北京时间10月16日)消息，10月16日，美国杜克大学丹尼尔-高希尔等人将在《自然》发表研究文章。他们进行了设计最完美的实验，希望用比光速更快的速度传输信息，结果失败了，从而也提示Einstein的速度极限理论无懈可击。在过去的几年里，科学家采用量子作用、特制镜片、和充满钾蒸汽的腔室进行“超光速”实验，结果表明，比光速更快的观念并不合适宜。人们曾经猜想，是否存在着违背Einstein相对论的超光速，并且可以采用这些超光速技术，以比光速更快的速度传输信息。最为著名的超光速实验，鉴用了含有著名“异常色散”原理的气体腔室。当将一束重叠光波所组成的脉冲，照射穿过该腔室时，腔室内的气体使光波漂移，从而使得光脉冲的速度看起来比光速还快。高希尔等在所进行的实验中，就是采用了这种超光速实验腔室，其腔室充满的是钾蒸汽。结果初看起来，好像是光脉冲的传播时间比光速快了大约270亿分之一秒。但是，当高希尔等通过改变光脉冲振幅，从而加载1或0的数据信息，以快于光速的速度传输信息时，则加载信息所修饰的光脉冲，通过钾蒸汽腔室的传播速度比光速要慢。而且，既使光脉冲本身以比光速更快的速度通过腔室时，结果也是如此。高希尔认为，既使能接收到更快的光子，也得不到那些光子中所包含的信息，其结论与相对论是一致的多伦多大学物理学家阿普拉尔姆-斯坦贝格认为该实验是美妙的。但是，尽管主流科学家相信不可能用超光速信号来传输信息，但任何实验都可能有微小的误差，从而造成允许超光速传输信息的可能性结果。尽管本实验并不见得能使固执己见者完全信服，但高希尔等确实做了一个可以想像得到的最好实验。

英国《卫报》2005年 4月11日消息， Einstein发表他的狭义相对论一个世纪了，11日，天文学家们聚集在英国华威大学举行2005物理学会议，在纪念这一科学巨匠的同时，科学家们也提出一个惊人论点：Einstein的狭义相对论建立的基础，Einstein坦众多理论中不变的准绳——光速可能正在变慢，因此Einstein狭义相对论可能不成立了。剑桥大学天文学院的迈克尔·墨菲教授说：“我们将在这里宣布一些惊人的发现。这些发现暗示出宇宙间存在一种关于光和物质相互作用的更基本的理论，而狭义相对论作为它的基础实际上是错误的。” Einstein认为光的速度是恒定不变的，而这一前提支撑了他的许多伟大的理论包括狭义相对论，同时也是现代物理学的根基。但是墨菲却认为光的速度不是恒定不变的，他说：“事实证明，狭义相对论可能非常接近真理，但是它错过了一些东西，而这些东西可能就是通向一个全新的宇宙和一套新的基本原理的门把手。”在研究过程中，墨菲的科研小组并没有直接测定出光速的改变，而是分析了来自遥远恒星的光。这些光到达地球需要经过数十亿年的时间，因此科学家们可以观测到光传播的早期，宇宙的基本原理是怎样起作用的。天文学家们通过夏威夷的凯克望远镜观测发现在光传播到地球的过程中，某一波段的光被吸收的情况发生了改变。如果这种情况属实，那就说明度量电磁力的精细结构恒量从大爆炸以来已经改变了大约0.001%，而光的速度与精细结构恒量有关。如果精细结构恒量随着时间发生变化，那么光速也可能发生了变化，也就是说，Einstein可能错了。目前，墨菲领导的科研小组仍在分析来自143颗恒星的光的观测结果。如果证实光在宇宙早期的传播速度确实比现在要快，那么科学家将不得不推翻许多基本理论。不过，也有许多天文学家对墨菲的这种理论提出了质疑，因为他们使用其他望远镜观测到的结论是光的传播速度并没有发生改变。根据相对论，任何物质的运动速度都不可能超过c，即光在真空中的速度。但是，这一理论并没有阻止物理学家在近20年的时间里去做有关超光速光脉冲的实验，尽管光的极端再成形或吸收等复杂问题常常使得对这些实验的解释显得模棱两可。现在，这一在原子铯蒸气室中演示的超光速光传播实验看起来就要比以前的实验明确多了：在入射激光脉冲的波峰进入蒸气室的入口面之前，一束激光脉冲的波峰离开了该蒸气室的出口面。结果先于原因应当是不可能的，这里的解释也许应当是，实际上并没有出现超过光速的信号，而是该原子体系的电磁响应给人产生了这样一种印象。

图1. 麦克尔逊干涉光路示意图

1、麦克尔逊1881年的干涉实验：1881年，麦克尔逊专门设计了一个被后人命名为“麦克尔逊干涉实验”的光学实验来检验这个假说是否正确。

根据矢量合成法则， 如果光线确实是在与绝对空间保持绝对静止状态的“以太”海中以恒定不变的速度进行传播，在相对于“以太”海以速度V运动的地面参照系中，光线在纵向光路前进的速度等于，在横向光路上向右前进的速度为C－V，经镜面反射后返回向左前进的速度为C＋V。这样，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差将等于：

ΔT＝ － ( ＋ )

＝ －

＝ ( 1 － )

当人们在水平地面上把麦克尔逊干涉仪转动90度时，先前的纵向光路和横向光路正好对调，麦克尔逊干涉仪在转动90度的前后两种状态下，两束相干光在互相垂直的光路上走过的时间之差刚好相反，总差值为2倍的ΔT。这样，人们从光线接受屏上就应该看到由传播方向互相垂直的两路相干光所形成的干涉条纹将发生移动，但实验的结果是没有发现干涉条纹有任何移动。

2、迈克尔逊1913年的实验

这个实验采用了如图 1 的装置，光线 A 镜时，分为两支。一支是 A>B>C>D>E>A，另一支是 A>E>D>C>B>A， C 和 E 是旋转的镜子，A 是一个半透射镜，B 和 D 是反射镜，按照迈克尔逊的分析，这两支光线的时间差是

T₁ - T₂ = ( 4d /λ )( 2 - r )( v / V )--(10)

式中各符号的意义：

V 未反射前的光速（原文用的符号）；

v 旋转反射镜的线速度；

d o D 的距离；

r = 2 对应弹性碰撞理论； 　

r = 1 对应反射镜为新光源的理论；

r = 0 对应光速与源速无关的理论。

他所采用的实验装置， d = 600厘米，旋转镜的中心距

l= 26.5厘米，碳弧光源。取光平均波长 λ = 0.60^μ 。在他的报告中，给出了1000转/分条件下的实验数据，列入下表：

　

	1	2	3	4	5	6	7
Δ	3.8	3.1	3.2	4.3	3.0	3.93	3.83	3.81 = 考虑权重后的平均值
权重	1	1	1	2	2	3	4	3.76 = 计算位移（ν = 0）

这里 Δ 是干涉条纹的位移。

根据（10）式，得出以下结果

r = 0 Δ = 8（ d r / λ V ）= 3.76--- （11）

r = 1 Δ = 4（ d r / λ V ）= 1.88--- （12）

r = 2 Δ = 0------- （13）

因为实验结果和（11）式比较接近，所以迈克尔逊认为，该实验证明了光速与源速无关。

在1903年，特鲁顿——诺贝利用一个可自由转动的定向充电平板电容器做过检测地球相对以太空问绝对运动速度的实验。人们普遍认为，如果地球有相对“以太”的运动，带有异号电荷两极板电容器就应有趋向于平行运动方向上的转动。

同物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子与绝对空间保持着绝对静止状态的假说本来已经很牵强，原先以为光线是在这种“以太”海中以恒定不变的速度进行传播的设想又遭到了实验的否定，人们只能判定：在宇宙空间并不存在与物质粒子没有任何相互作用的“以太”粒子。

对于这个结论，19世纪末的物理学家并不是马上都能够接受。Lorentz在当时就提出了一个物质分子力“收缩假说”，他认为在横向光路上，由于迈克尔逊干涉仪以速度V相对于“以太”海运动，物体在这个方向上将发生分子力收缩，克尔逊干涉仪的横向臂长将按照1 ：的比例缩短。于是，两束相干光在纵向光路上与横向光路上走过的时间之差修正为：

ΔT ＝ －

＝ (1－ ) ＝ 0

这样，麦克尔逊干涉仪在转动90度的过程中，干涉条纹不发生移动的现象似乎就得到了理论上的解释。中国学者证实光速在10^－19精度上无方向差异。扮演无限大速度的角色，就要具备无限大速度的性质，因此有检验光速不变的方程【1】

c ^/= c±KV （4）

其中c是光源静止时的光速，c ^/是相对于观察者以速度±V运动的光源发射的光信号的速度，K是由实验确定的参数。K=0是相对论期望的结果，K=1是发射理论（弹道假说）的情况。

文献【1】收入的16例实验结果为：有3例K=0，其余13例K值在10^-6—0.67之间，实验并没有真正证实K=0，但相对论支持者们认为K=0。

3、脉冲星的周期

脉冲星是上个世纪六十年代后期发现的一种天体（天文学四大发现之一），到目前位置人类已经发现了1500多颗脉冲星。所谓的脉冲星就是中子星，由于它的高速旋转，使它的高能电磁辐射周期性地扫过地球，因此有“宇宙灯塔”之称。
在超新星爆发的中心物质，坍塌形成的中子星时，由于物质的强烈收缩而引起的加速自转，使直径一般都在20千米上下的中子星（质量一般都为1.35个太阳左右），自转周期以秒、毫秒计。而且周期的稳定性，就是人类精确的计时器也无法与之相比，如毫秒脉冲星的周期“变化”，竟然达到小于每10亿年减少一秒的程度。就是我们称之为“周期有明显变化率”的蟹状星云脉冲星（每秒自转30周），也达到每亿年减少一秒的精度。我们知道地球（相对太阳）的轨道速度约为30千米/秒，在相隔半年时，其轨道速度变化达到约60千米/秒，这可是光速的万分之二！！！假如光速与观测者的运动有关，那么我们能得到所有脉冲星，在一年四季里，都具有的“恒定不变”周期吗？

4、最新的进展

日前，美国圣克劳德州立大学(St. Cloud State University)王汝勇和美国导航学会（Institute of Navigation）主席Ronald Hatch 在美国导航学会58届年会撰文指出，可以利用GPS提供的大实验室进行光速不变原理的判決实验：让两架相距几百公里的飞机向同一方向，以相同的速度在两个GPS卫星的连线上飞行。两架飞机上的钟不用事先对准，他们各自记录GPS信号到达的时间并计算出它们的差別。这个差别就是GPS电磁波从一架飞机到另一架飞机所需的时间。而比较所需的时间是否与飞机的飞行速度有关就能确定光速是否与观测者相对于地球的运动有关，因此这个判决实验将首次检验对相对于地球运动的观测者来说，光速是否是不变的。他们还指出：不论飞机的飞行速度和GPS技术已足够用来鉴别光速是变还是不变的，而且根据现有成熟的GPS理论可以预计这个实验会出现不同的飞行速度会得出不同的结果，即光速不变原理将被证伪。这个实验不论有重大的理论意义，而且有巨大的实际意义。迄今为止，物理学家都认为在一个封闭系統中速度是不可能被直接测量的。因此惯性导航系统用的是加速度计，速度是由对加速度的积分来得到的。如果通过实验证明不同速度的观测者得到的光速是不同的，那么反过来就能利用光速的不同来测量者的速度，而这将是导航领域的一次革命。它对不能接收到GPS信号的系统，如水下的潜艇则更为重要，为此，王汝勇已设计了速度计，并申请了专利。（笔者认为实验可能出现与预期相反的效果）

参考文献：【1】张元仲，狭义相对论实验基础，北京：科学出版社，1979年，56。

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