一个可以用来验证光速不变假设实验方案.doc

光速是否与光源运动速度相关的验证实验方案 摘要：本文介绍一种原理简单的实验方案，采用现有工程技术可以达到的手段，验证光在空气中的传播速度是否与光源的运动速度相关。本文使用的实验方法部分与美国物理学家Wallace Kantor曾经做过的光速实验有相同之处，但在验证手段上原理更加简单，不必借助迈克尔逊干涉仪，消除了实验结果方面的不确定因素，从而在这个问题上可以通过实验给出一个明确和无可争议的答案。 关键词：光速；运动光源；狭义相对论；Wallace Kantor光速实验 引言 狭义相对论认为，光传播的速度与光源的与观测者之间的相对运动速度无关。如果静止光源发出的光线照射在相对运动的镜面上，经运动镜面反射后发出的光线，光速仍然为恒定值c，只是光波的频率会发生变化（多普勒效应），红移或紫移的量可由洛仑兹变换计算得出，（这方面的相关论文很多，此处不再复述）。 另一方面，如果以光的粒子发射学说观念来看，光速不可能相对于任何参照系都是同一数值。如果光相对于光源本身的速度为c，则相对于其它相对运动的参照系的速度则应为c±v。光在运动镜面上的反射，相当于弹性小球与运动平面的碰撞，根据弹性碰撞原理，垂直反射后的光速等于光速c加上镜面运动速度的2倍，即c’=c+2v（也可以等价地这样认为，当镜面以速度v运动的时候，镜子里的光源虚像相当于一个新的光源，而这个光源的运动速度为2v）。 由于光的速度c数值很大（c≈3×108米/秒），而现实中的运动光源的速度v相对都很小，在现有的实验条件下，要准确地测量运动光源的光速是否有所不同是非常困难的。本实验的设计，是试图利用现有工程技术可以达到的方法，得到确切的观测结果，即：经运动的平面镜反射后的光，其光速是否恒定不变。 实验原理 实验基本原理非常简单，如上图所示。两束激光分别经过一个静止的反射静（用于对比）和一个高速运动的反射镜反射后，经过同样的传播距离，到达于遥远距离上的观测点。两束激光使用同一个光路快门，确保两束光是完全同时自起点发出。如果两束光线光速相同，则观测两束激光的两个光电二极管应同时接收到两束光源的信号。如来自B光源的光速高于A光源，则光电二极管先接收到B光源的信号。 然而，只要稍微仔细分析一下，就会知道如果真的按照以上方案进行实验，实际上根本是行不通的，原因就在于光速相对于常规的运动物体来说实在是太快了。粗略计算一下：光速为300000000m/s（为简化论述，本文使用近似值光速），如果镜面向前移动的速度为100m/s(更形象一点描述，360km/h)，那么假定激光经运动镜面反射后的光速为c+2v，即300000200m/s。如果快门和光接收器的精度最多可以确保分辩出10-6s（1微秒）的前后差别，为了使这两束传播速度略有区别（假定）的光到达接收器的时间产生大于一微秒的先后差别，可以计算出从光源起始点到接收器之间所需要的距离是45万公里。这差不多是地球到月球之间的距离。把接收光线的仪器放在月球上，理论上虽然并不是完全不可能，但是，即使使用扩散角很小的激光器，激光束到达月球后的光斑直径也将超过一公里，光电效应管已很难从来自地球的各种光线中捕捉分辨出极其微弱的激光信号。显然，这样简单的实验设计实际上是根本行不通的。下文介绍如何通过实验方法的改进，使完成这项实验所需要的光传播距离从45万公里缩小到5公里甚至500m以内，从而可以在地面上完成这项实验，从而验证运动光源的光速是否与静止光源相同。 改进的实验方法 为了在这项实验在有限的距离范围内实际可行，首先应尽量提高镜面的运动速度。高速直线运动的反射镜面并不容易获得。上海浦东机场磁悬浮列车可能是地面上直线运动物体的最高直线速度，运动速度约为120m/s。即使列车管理公司能够同意给列车前端安装一个平面反射镜供实验使用，在列车轨道附近也没有足够的实验空间和位置。因此，我们使用旋转齿轮镜面来代替做直线运动的镜面。 在上图所示的实验模型中，齿轮的每个齿都是近乎垂直的两个平面。齿轮由高强度钢材制成。经机械抛光或化学处理，可将齿轮表面处理成反光镜面。当一束激光如上图所示垂直照射于该平面时，近似相当于照射在一个朝向光源运动的平面反射镜上。镜面朝向光源垂直运动的速度为2πr * ω/√2，根据前文中的假设，经运动镜面反射后的光速为c’=c+2v，则反射后的激光光速应为c’=c+4πr * ω/√2。 如果齿轮转盘半径为1m，转速为300转/秒（18000rpm的转速是高速电机可以实际达到的，并且在该转速下的离心力也在高强度的钢铁材料的承受范围之内），可以计算出齿轮转盘的圆周线速度为1885m/s。镜面相对于入射激光的速度垂直分量还要再除以√2，为1333m/s。取光速的近似值30万公里/秒做为静止光源的光速，则经反射后的光速为300002665.7