光速是否及光源运动速度相关的验证实验.pdf

光速是否与光源运动速度相关的验证实验方案 张红庆 （陕西维远科技有限公司，西安 710054） 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 ）。 8 由于光的速度c 数值很大（c≈3 ×10 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。 1 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 -6s （1 微秒）的前后差别，为了使这两束传播速度略有 度最多可以确保分辩出 10 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。