博文

[讨论] 电磁学的实验再检验（4）：电磁波依赖坐标系判定实验原理

已有 2121 次阅读 2023-7-20 18:16 |个人分类:科学 - 艺术 - 社会|系统分类:科研笔记

汉语是联合国官方正式使用的 6 种同等有效语言之一。请不要歧视汉语！

Chinese is one of the six equally effective official languages of the United Nations.

Not to discriminate against Chinese, please!

[讨论] 电磁学的实验再检验（4）：电磁波依赖坐标系判定实验原理

特斯拉： 今天的科学家们用数学替换了实验，并且他们从方程到方程来回地推导，最终建立了一个和现实世界没有任何关系的数学结构。

https://www.rastko.rs/projekti/tesla/delo/10884

阿诺德： 推导的链（即所谓的“证明”）越长越复杂，最后得到的结论可靠性越低。

https://iopscience.iop.org/article/10.1070/RM1998v053n01ABEH000005

所以，判定实验原理的设计，越接近“被检验的描述物理作用的数学公式”越好。

这是一个陆续思考的过程，十分艰难的过程。是电场、磁场、电磁波深层次性质探索的实体物理实验。要求极高的实验精度、稳定性。

先给出“定性”图像。假如可行，再进行“定量”细化。最后才是实体实验装置的具体设计。

本“电磁学的实验再检验”系列里，一般混用两个术语“坐标系/参照系”。“描述在某参照系里物质运动的特定坐标系里的数学公式”，一般是其本意。喜欢咬文嚼字的话，请看曹则贤老师的《物理学咬文嚼字之六十六参照系？坐标系！》。

https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7693/wl20141109

一、某些磁场依赖坐标系

“对于匀速运动的电荷，之所以你看到了磁场，是因为你相对电荷运动了。如果你相对它静止，你将看不到磁场，只剩下静电场。”

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20661652

二、某些电磁波依赖坐标系吗？

不妨假设宏观点电荷做简谐振动。通常能辐射出电磁波。

与该宏观点电荷保持相对静止的观察者，能发现电磁波吗？

三、判定实验原理图

需要电磁屏蔽、真空、低温等条件。

数据分析，大约可以参照前些年的引力波信号分析。

以下略去其它细节。如“完整的原理图”需要在小球、检测片对称位置按照相同的另一组实验，以保证圆盘转动的对称性、均匀性。需要记录转速、室温等多种信号。“简化版”则需要地球的运动数据。

3.1 完整的原理图

如图1。

2023-07-20 电磁波依赖坐标系判定 11.jpg

图1 电磁波依赖坐标系的判定实验

匀速转动的绝缘体材料圆盘，圆盘材料不显著吸收电磁波。置于电磁屏蔽室，真空，且最好低温。各种信号从转动轴连接到电磁屏蔽室外。

圆盘与屏蔽室外的“大机械转动惯量辅助体”连接，使得“绝缘体材料圆盘”再转动时具有很大的机械转动惯量。用皮带轮带动该圆盘（减少机械振动），大转动惯量用于保证圆盘转速的均匀。不用齿轮传动，以期避免齿轮传动引起的额外机械振动。

两个“悬丝”分别连接两个宏观小球。采用两个小球，是为了便于得到稳定的电荷量。两个小球可以看成电容器，用高精度直流稳压电源供电。为保证电压（静电的电荷量）的稳定，可以采用“稳压输出”之后再次“稳压输出”。小球周围的电场分布示意图，请参照图2右侧、图3。

圆盘旋转时，两个小球的“悬丝”会由于离心力拉直。

在一个小球旁边安装类似光栅（grating）的纳米材料电磁波检测片。一种薄片，用于吸收电磁波。吸收电磁波之后，检测片出现发热形变，有温度、形变两种信号可用于检测。

“纳米检测片1”与旋转小球保持相对静止。“纳米检测片2”位于旋转圆盘外部。

“纳米检测片2”会检测到电磁波。该信号和来自“纳米检测片1”的温度、变形信号相对照，可以判断“静止的电荷是否会激发电磁波”。

（1）保持圆盘静止，对照两个检测片的信号。这个也可以省略去。

（2）在不同的圆盘转速下，对照两个检测片的信号。

Figure_19_05_06a_小_拉曲线.jpg

图2 两个宏观点电荷之间的电场，右侧(b)相异电荷对应本判决实验

https://s3-us-west-2.amazonaws.com/courses-images-archive-read-only/wp-content/uploads/sites/222/2016/02/20113019/Figure_19_05_06a.jpg

Fig. 4–13. Field lines and equipotentials for two equal and opposite point cha.jpg

图3 引用自费曼： Fig. 4–13. Field lines and equipotentials for two equal and opposite point charges. 两个相等和相反的点电荷的电力线和等电势线。

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/img/FLP_II/f04-13/f04-13_tc_big.svgz

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_04.html

该判定实验的难点：电磁波存在性的检测。

这里靠电磁波吸收产生的微弱热量。该热量同时引起“纳米检测片”的温度、形变两种“多信使 multi-messenger”信号。降低环境温度，应该有利于提高检测片信号的灵敏度。

考虑到“引力波”实验的数据处理能力，本原理也应该具有一定的合理性。

3.2 完整的原理图：简化版

如图3。

2023-07-20 电磁波依赖坐标系判定 22_小.jpg

图4 电磁波依赖坐标系的判定实验，简化版

由于地球公转、自转在做复杂的加速运动，地球外的日心坐标系等会看到电荷（小球）的复杂运动。简化版仍采用两个静止电荷。这样是为了用稳压电源得到稳定的电场。

一个检测片较为靠近电荷；另一个远离电荷。

假如能在“静止参照系”检测到地球加速运动产生的电磁波，则两个检测片的温度、形变两种“多信使 multi-messenger”信号会有一定的差异。

或许可以参考“厄缶实验/Eötvös experiment”进一步改进？

The Eotvos torsional pendulum 2019 Franklin Laymon bk978-1-64327-738-7ch4f1_hr_小.jpg

图5 A schematic view of the Eötvös experiment Eötvös实验的示意图

https://iopscience.iop.org/book/mono/978-1-64327-738-7/chapter/bk978-1-64327-738-7ch4

实际上，在月球背面阴影内的边缘附近，十分有利于“真空、低温”条件的实现。

或者在太空的人造天体上，有可能更有利于获得高精度的实验条件。

3.3 完整的原理图：接受相对论原理

如图5。

2023-07-20 电磁波依赖坐标系判定 33.jpg

图6 电磁波依赖坐标系的判定实验，接受相对论原理

接受“相对论原理”，有可能提高实验精度。因为“纳米检测片1”与小球相对静止，按照目前的主流理论，其上的信号很弱（理论值应该为0）。在图1里，圆盘的机械振动噪声会妨碍“纳米检测片1”上电磁波的检测。现在让“纳米检测片1”和小球处在静止状态，有利于提高检测的精度。“纳米检测片2”的信号较强，容易检测。

在以上各种原理性方案里，可以引入第3个“纳米检测片3”。该片与实验装置具有较远的空间距离，用于对照消除各种“背景”扰动信号。

四、磁场依赖坐标系

在上面的原理中，精确测量两个小球（宏观点电荷）之间的机械相对运动（空间的位移），可用于判定磁场的深层次性质。如某些磁场是否依赖坐标系。

按照目前的主流理论，在运动系看两个小球，会有电流引起的磁效应。假如两个小球之间空间位置没有明显变化，则直接证明某些磁场依赖坐标系。

五、小结

本文的意图，通过极高精度的实体物理实验，重新检验电磁场的基本性质，以及“惯性系”在电场相互作用里的具体含义。

例如：太阳系绕银心旋转速度大约为 220 km/s；地球在太阳系公转速度约为 29.8 km/s；地球自转又有着不均匀的复杂变化。

并加深对“广义相对论的强等效原理”等的深层次验证和理解。

毕竟，自然科学，归根到底是实验科学。

采用“纯净”的实验，有利于取得深层次的客观知识。

例如，在“水星近日点进动问题/problem of the precession of Mercury’s perihelion”的天文观测里，“岁差常数的任何微小变动，如有万分之一的变动，都会直接影响到对广义相对论的验证，而这种变化是完全可能的。其次，影响水星近日点进动的因素很多，任何一个微小的因素，如太阳的扁率，对它都有直接影响。因此，这个问题尚需继续研究。”

2023-06-04 水星近日点进动问题两个问题童傅_小_拉曲线.jpg

图7 《中国大百科全书》词条“水星近日点进动问题”截图

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=72442&Type=bkzyb&SubID=87321

因此，精确“纯净”的实验室可控实验，是发展未来科学的主要手段之一。是获得可信的“源头和底层”的主要途径之一。

参考资料：

[1] 环球物理，薛德堡，2022-11-06，【物理科普】磁场仅仅是一种相对论效应吗？

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5ODMwOTExNA==&mid=2662047553&idx=4&sn=0e88d426645b99e41e716bce1559d467&chksm=8bccb9d4bcbb30c24215d421c654e46fc85aaca44fcd530b5c4d1c5bd8e85dca24c2dd7e0890&scene=27

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20661652

[2] 曹则贤. 物理学咬文嚼字之六十六参照系？坐标系！[J]. 物理, 2014, 43(11): 767-772.

https://wuli.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7693/wl20141109

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-WLZZ201411014.htm

[3] 刘建平, 邬俊飞, 黎卿, 薛超, 毛德凯, 杨山清, 邵成刚, 涂良成, 胡忠坤, 罗俊. 万有引力常数G精确测量实验进展[J]. 物理学报, 2018, 67(16): 160603.

doi: 10.7498/aps.67.20181381

https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.67.20181381

[4] C. Rothleitner, S. Schlamminger. Invited Review Article: Measurements of the Newtonian constant of gravitation, G [J]. Review of Scientific Instruments, 2017, 88(11): 111101.

doi: 10.1063/1.4994619

https://pubs.aip.org/aip/rsi/article/88/11/111101/989937/Invited-Review-Article-Measurements-of-the

[5] 2022-12-23，等效原理/equivalence principle/张元仲，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=226971&Type=bkzyb&SubID=62042

强等效原理是爱因斯坦对弱等效原理的一种推广（强等效原理自然包含了弱等效原理），即引力场中的任何时空点都有可能建立一个“局部惯性系”，在其中一切物理定律与没有引力场时的狭义相对论中的形式相同。

[6] 2023-05-19，厄缶实验/Eötvös experiment/邾琳、赵慧慧、刘祺、胡忠坤、周泽兵、杨山清

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=226974&Type=bkzyb

[7] The Eötvös torsional pendulum, 2019-12, IOPscience

https://iopscience.iop.org/book/mono/978-1-64327-738-7/chapter/bk978-1-64327-738-7ch4

[8] 2023-06-04，水星近日点进动问题/problem of the precession of Mercury’s perihelion/童傅

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=72442&Type=bkzyb&SubID=87321

[9] Chapter 4.Electrostatics, The Feynman Lectures on Physics, Volume II