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对大量光学实验现象的全新解释——《新物理》之二

齐绩 (qiji8111@yahoo.com.cn) 上传2007.04 浏览330


[摘要] 通过对各种物理现象的分析,我认为自然界大量存在着另一种状态的物质——无形态物质。上篇论文我们概括介绍了无形态物质的性质,并对无形态物质密度、体积模量进行初步计算。本篇论文,我们将对斐索实验、sagnac效应、迈克尔逊-莫雷实验、密勒实验、光行差现象、艾里实验等大量的光学实验现象给予很好地解释。通过这些实验我们将对自然规律有更深刻地认识。

关键词:斐索实验 效应 迈克尔逊-莫雷实验 密勒实验 光行差现象 艾里实验

1物理学的基本观念

在剖析各种物理实验之前,我们先把物理学最基本的观念明确一下。

牛顿说:“绝对空间,它永不改变,永不移动。此乃空间的本性。它独立自我存在,不与身外事物相干。

“绝对的、真实的或数学的时间,它的本身,而且就其本质而言,总是于任何外界事物无关地均匀地流逝着。”

时间、空间是人们认识世界的标准和尺度 ,是物理学不可动摇的基石 。

我的时空观与牛顿经典物理的时空观是一致的。

时间是客观存在的,总是与任何外界事物无关地均匀地流逝着。

数学空间在其本质上与外界任何事物都无关,永远保持其为等同的、恒定的。

速度遵循伽利略叠加原理,质量(引力质量)是守恒的,能量是守恒的,它们不能相互转化。

与牛顿经典物理唯一不同的是——我认为物体的一切运动规律不是依赖于绝对空间,而是依赖于它所处的总无形态物质空间

我们举过浅显的例子,鱼在水中游,水相对于河岸流动;鱼的受力和运动规律是与水流密不可分的,而不是与岸边的数学参考系密不可分的。

物体好比是鱼,无形态物质好比是水;物体的运动规律依赖于它所处的总的无形态物质空间,而不是直接依赖于数学空间。

无形态物质是光的传播媒质,光相对于无形态物质空间的传播速度是衡定的

2、对著名物理实验的解释

2.1 斐 索 实 验

……

1851年,斐索做了一个非常巧妙的实验。它反映出水可以带动光,然而不能完全带动光,而是以较慢的速度前进。

实验如图1.1所示,从S发出的光 经过时被分成两束,一束被反射, 经反射镜而到达T另一束透过经反射镜 再透过而到达T 。它们通过管中流 水时,前一束光与水流方向相反,后一 束光则与水流方向相同,两束光在T发生干涉。

实验开始时,使水流速度为0,由于两束光的光程相同,干涉条纹是明亮的。 然后使水流速度逐渐增大,观察到干涉条纹有明暗交替的变化,这表示光在水流中相反的方向传播的速度不一样了,由条纹变化的数目可以确定在水中传播的光相对于地球的速度。

斐索实验测量出在水中传播的光相对于地球的速度是

(1.1)

式中,n是水的折射率,“+”表示光顺着水流的情况,“-”表示光逆着水流的情况。

实验测得曳引系数 ,小于1。

可见,水流可以部分地带动光。

……

如何理解斐索实验呢?为什么水可以带动光呢?

无形态物质是光的传播媒质,光相对于无形态物质空间的传播速度是衡定的。

因为水带动了无形态物质,所以水可以带动光。

在地表真空中,总的无形态物质相对于地球没有运动,而且,总的无形态物质的密度是均匀的,我们用表示。

在水流内部,由于与水分子的距离十分小,水的无形态物质密度就不可忽略了,总无形态物质密度就等于地表无形态物质密度与水流无形态物质密度的叠加。

(1.2)

地球无形态物质相对于地表的速度为0,水流无形态物质相对于地表的速度

总无形态物质相对于地表的速度为

,令

(1.3)

光在水中传播时相对于这个运动的总无形态物质空间的传播速度是,光相对于地表的速度为

(1.4)

因为水带动了无形态物质运动,所以水带动了光. 这很好地解释了斐索实验中水对光的曳引现象。

下面我们定量地计算一下水的曳引系数。

当光在地表的真空中传播时,光速为

(1.5)

当光在水中传播时,光速为

(1.6)

把(5)式和(6)式两边平方然后相除得

由于 ,又 , 代入后得

(1.7)

我们知道水的折射率 ,理论上我们来计算一下水的曳引系数。

实验中斐索测得的水的曳引系数 .

可见,理论值与实验值非常吻合。

2.2 sagnac效应

……

1911年,Sagnac发明了一种可以旋转的环形干涉仪。实验原理如图1.2所示。将同一光源发出的一束光分解为两束,让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合,然后在屏幕上产生干涉。

萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。

下面我们对萨格纳克效应从一个全新的角度来理解一下。

如图1.3所示,为简单起见,我们不妨假定该环路是半径为 的圆,并假定干涉仪是作顺时针方向的定轴转动,角速度为。由于干涉仪的运动不会影响地表总的无形态质的状态,总无形态物质相对于地表是静止的。

环路本身相对于地表的线速度为,顺时针转动;从干涉仪所在的转动的参考系中看,无形态物质相对于环路的线速度为,逆时针转动;顺时针方向和逆时针方向的两束光相对于环路本身的线速度分别为


环的周长为,因而两束光在环中运行的时间差为

略去二级微小量,得

(1.8

光程差为

因而与上述的光程差对应的条纹移动数目是

(1.9

可见,萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比.

我们很好地理解了萨格纳克效应。

萨格纳克效应已经得到广泛的应用,光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域,是近20年发展较快的一种陀螺仪。

对于光纤陀螺仪,光在介质中传播,其传播速率与介质的折射率有关,也与介质的切线速率有关. 这时我们如何理解萨格纳克效应并得到符合事实的公式呢?

如图1.4,设光纤线圈半径为R ,光 源和探测器均置于A 处. 装置相对地表空 间以角速度沿顺时针转动,环路本身的 线速度为. 光纤会带动其内部的总无形态物质顺 时针转动,根据对斐索实验探讨的相关公 式可知,总无形态物质相对于地表的线速 度为 从干涉仪所在的转动的参考系中看,光纤内总无形态物质是逆时针转动的,总无形态物质相对于干涉仪的线速度为

(1.10)

光相对于总无形态物质空间的传播速度是衡定的,所以顺时针方向和逆时针方向传播的两束光相对于环路本身的线速度分别为
两者的时间差为 略去二级微小量,得

(1.11)

可见,在介质中我们从理论上所得的结果也完全符合事实。

2.3迈克尔逊-莫雷实验

1876~1887年间,迈克尔逊和莫雷两人做了一个实验,用迈克尔

逊干涉仪想测量地表上的“以太风”速度。

结果地表上根本没有“以太风”——也就是说,在地表光是各向同性的。

在“以太”的框架下,这个实验结果与光行差现象产生直接的矛盾。

……

那么,这个实验如何理解呢?

我们说无形态物质是光的传播媒质,光相对于无形态物质空间是各向同性的。

在地球的表面空间,总无形态物质完全被地球带动着,总无形态物质相对于地表的速度为零,所以,在地表测量,光显然是各向同性的。

2.4密勒实验

1904年,密勒和莫雷在地表用更精密的仪器做迈克尔逊-莫雷实验,实验结果比1887年迈克尔逊和莫雷所得值更接近于零。

后来,密勒超出了地表空间,得到了不同寻常的结果。

1921年密勒把实验装置安在威尔逊山上进行,所用方法和以前一样,但实验发现有的正效应,也就是说光相对于地球在以的速度做漂移运动。

……

显然,密勒实验与相对论的矛盾是非常直接的。

那么,对这个实验事实该如何理解呢?

地球的运动会带动其周围的无形态物质,这种带动随着到地表距离的增加明显减弱;由于高度的影响,在高山上无形态物质已经不被地球完全带动了,也就是说在高山上无形态物质相对于地球已经有一定的速度了,所以在高山上做迈克尔逊-莫雷实验会发现干涉条纹有漂移。

2.5光行差现象

在地球上,用望远镜观测遥远的任意一颗恒星,发现在地球轨道的不同位置上,我们用以观测的望远镜方向在一年内有周期性的变化。

在实际观测中,这个最大的角约等于弧度。

物理学家们用“以太”的思想来解释光行差现象,得出的结论是地球相对于“以太”的海洋以 在运动,也就是说地表上有的“以太风” 。

这和地表上的迈克尔逊—莫雷实验的零结果是完全矛盾的,这是使当时的物理学家们最困难的矛盾。

……

现在我们能很自然的理解光行差现象。

如图1.5,假如恒星发出的光以速度垂直于地球的轨道平面射来;地球带动着它表面的无形态物质相对于宇宙空间 以速度运动。 当光在远离地球的宇宙空间中传播时, 地球的运动对远处的总无形态物质影响非 常小,可以忽略。恒星发出的光在宇宙中 将依然以速度垂直于地球的轨道平面射 来;由于地球相对于宇宙空间以速度运动,在地球上观察,光相对于地球有个反相的速度;所以,在地球上观察,光是 从向前倾斜a角的方向射来的。

从图1.5上可以看出,观测方向与原传播方向夹角a 的正切值为

(1.12

把地球的轨道速度和光速带入,会得出这个最大a 角约等于 弧度。

以上解释与观察事实符合得很好,这样我们很好地理解了光行差现象,并且与迈克尔逊-莫雷实验没有任何矛盾。

2.6艾里实验

既然斐索实验证明水可以带动光,在“以太”的框架下,们推断把望远镜中灌满水,将会看到与无水时不同的光行差现象。

在1871年,艾里在望远镜中灌满了水,可是艾里仍然观察到与无水时一样的光行差现象。

……

现在我们能很自然的理解艾里实验

如图1.5,当把光行差实验的望远镜中灌满水后。

注意,因为水并没有相对地球运动,水的存在只是使望远镜中总无形态物质密度比无水时大了,总无形态物质相对于地球仍是静止的。

光进入地表附近的物质空间后,水的存在并不会影响它的传播方向。所以仍能观测到与无水时相同的光行差现象。

我们从一个全新的角度非常自然、融洽、符合逻辑地理解了物理学史上非常重要的然而人们一直无法很好解决的物理实验、现象。

参考文献:
  [1] 齐绩著. 新物理. 哈尔滨:东北林业大学出版社,2006年.
  [2] 倪光炯、李洪芳编. 近代物理. 上海:上海科学技术出版社,1979年.
  [3] 谭树杰、王华编. 物理学上的重大实验. 北京: 科学技术文献出版社,1987年.
  [4] 郭弈玲、沈慧君编. 著名经典物理实验. 北京: 北京科学技术出版社,1991年.
  [5] V.Vali, R.W. Shorthill, Fiber ring interferometer
  [J]. Applied Op tics, 1979, 15(5):1099-1100.
  [6] 马文蔚改编. 物理学. 北京:高等教育出版社,1999年.
  [7] 爱因斯坦全集. style=' '>长沙:湖南科学技术出版社,2002 style=' '>年.

A Brand-new Explanation on Many a Optical Experiments

——The Second Part of New Physics

JI QI
( School of Electronic Engineering ,Daqing Petroleum Institute ,

Daqing 163318,China.E-mail: qiji8111@yahoo.com.cn

[Abstract] Through analyzing a variety of physical phenomena ,the author proposes that there exists a special kind of substance — No-Shape-Substance .

In the last paper, the properties of No-Shape-Substance are introduced, as well as an elementary calculation to the density and volume modulus of it.

In this paper, we will give out a commendably explanation on many a optical experiments and phenomena, such as Fizeau’s experiment, sagnac effect, Michelson-Morley experiment, Millar experiment, the aberration phenomenon, Ariy’s experiment and the like.

We can get a more profound understanding to natural laws through these

experiments.

Keywords: Fizeau’s experiment, Sagnac effect, Michelson-Morley experiment,

Millar experiment, The aberration phenomenon, Ariy’s experiment

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