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内容摘要
:爱因斯坦留下两个计算狭义相对论频移效应的公式,其中 关键词 :时率 频率 横向频移 时间膨胀 运动时钟变快
An Experiment on Validating Narrow-Sensed Theory of Relativity Effect
Zhou Jishan Henan Jiyuan Professional Technical Institute (454650) Home Phone Number:0391-6652588 Email:jishanzhou@126.com Abstract:
Einstein left
behind two formulas about how to calculate narrow-sensed Theory of Relativity
about frequency change effect, one of which Key Words: time rate frequency rate transverse frequency move time expansion mobile bell changes fast
传统的物理学理论中都这样讲:狭 义相对论揭示出在垂直于运动速度的方向观测时 ,物体发出的光线在光谱上向红端移动,被形象地称为 “时间膨胀”,通俗的说法是“运动时钟变慢 ”。但是,爱因斯坦却留下两个与此直接相关的不相容的公式。
一、问题的由来 1905 年,A·爱因斯坦在《论动体的电动力学》中写道: 如果有一观察者以速度
v相对于一个在无限远处频率为ν的光源运动,并且参照于一个同光源相对静止的坐标系,“光源-观察者”连线同观察者的速度相交成
这就是对于任何速度的多普勒原理。当
( 原文中为了给出任何速度的多普勒原理公式,光速 C被记为V——笔者 ) 。
很显然,如果
由于v2<<C2,利用泰勒展开,可得
但是,在将近半个世纪之后,《狭义与广义相对论浅说》中却出现了: 设ν 0表示这个钟相对于K保持静止时,在单位时间内相对于 K的滴嗒次数(这个钟的“时率”),那么当这个钟相对于K以速度 v运动,但相对于圆盘保持静止时,这个钟的“时率”,按照第12节将由
决定,或者以足够的准确度由 决定 (2-106) 。 爱因斯坦用( 1)式讨论的是“光”,ν当指频率而无疑;用(2)式讨论的是“钟”,还特意注明ν 0 为“时率”,很显然这两个式子并不具有相同的物理意义。 但是在理论著作和通用的教材中,一般都解释说( 1)式适用于光源静止而观测者作横向运动;(2)式适用于光源横向运动而观测者静止。并且进一步将 (2)式解释为:
“当θ=π
/2=90°,即在光源运动速度的垂直方向去观察,便回到(3.29)式,这种红移纯粹是狭义相对论效应,是(
V/C)2级的:
“时率”ν 0 究竟指的是什么?依据引文中“在单位时间内”的“滴嗒次数”,很显然ν 0 应该被理解为:在一定的时间间隔 (比如一昼夜)内,决定钟之计数多少的时间间隔单位的长短,或曰时间“流逝”的速率T;爱因斯坦特意注明ν 0 叫时率,就在于强调ν 0 不应该和频率ν混为一谈。 从直观的角度讲,上述这种使用讨论“钟”的公式去解释“光”现象就未必合适;进一步考察还会发现,在一般的理论文章中ν约定俗成地指频率而言,而 T与ν却呈反比关系。上述依据(2)式做出的解释究竟正确与否,并不难使用原子钟给出判定。
二、实验验证 1 、实验原理 传统使用摆钟要比较“动钟”和“静钟”的快慢,不可回避地存在一个“二次相遇”的难题;但是对于原子钟而言,这个问题却已经不复存在。 爱因斯坦在1952年为《狭义与广义相对论浅说》英译本第 15版添加的“附录”中写道:“我们可以将发出光谱线的一个原子当作一个钟” (2-P106) ,实际上原子钟仅指原子本身而已,跟那结构相当复杂的“钟体”并没有关系。这样一来,我们就有了在实验室内完全静止的条件下比较两台“原子钟”快慢的办法。 只需要知道两台原子钟工作时的温度差异,就可以定性地获悉两台钟铯原子喷射速度的大小;如果知道两台钟铯原子喷射的具体速度,就不难定量地测出 △ ν 和 △ V之间的对应关系。依据两个展开式可知:如果△ν∝△ V,用(1) 式解释是正确的;反之用 (2)式解释是正确的。
2 、实验条件 选取两台频率一致性和长期稳定性均在 10-13量级以上的铯钟,条件是己知两台钟工作时的温度、最好是已知铯束喷射速度存在较大差异。 只需要将两台钟和比相仪或时间间隔器相联结,经过一定的时间间隔,就可以依据记录曲线判定哪种解释是正确的。
3 、预期结果 实验结果可以证明:狭义相对论揭示出的横向多普勒频移,应该是频率增大、即向光谱的蓝端移动。对于狭义相对论的时间效应,正确的解释应该是“时间收缩”而不是“时间膨胀”,或曰运动时钟较静止时是“变快而不是变慢”。 参 考 书 目 (1) 何祚庥等主编 影响世界的著名文献(自然科学卷) 新华出版社1997年 (2)爱因斯坦著 杨润殷译 狭义与广义相对论浅说 上海科术出版社1997年 (3)倪光炯等著 近代物理 上海科技出版社 1979年
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