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[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（17）：“真空中单向光速不变”可以直接测量吗？

多普勒效应： Doppler effect

真空： vacuum

光速不变原理： postulate of constant speed of light

以太： ether

狭义相对论验证： special relativity verification

迈克尔逊－莫雷实验： Michelson-Morley experiment

   电磁学的实验再检验，一个直接的起因：担心100多年之前的那些电磁学经典实验，精度和稳定性等都明显低于我们当代的物理实验水平。除了常见的加工误差等，还有没有别的误差？特别是原理性的系统误差？

   从《相对论》、《量子力学》等角度，反思一下那些经典实验，也是有积极意义的。

一、起因

   《中国大百科全书》 2023-09-08的词条“狭义相对论验证/special relativity verification”里写到：

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=438956&Type=bkzyb&SubID=198015

   还要说明一点，现有的实验（包括迈克耳孙莫雷实验）并没有证明光速是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性，在没有其他方法确定这种同时性之前，光速是否同方向无关是无法用实验判断的。

   ②多普勒频移观测验证。多普勒频移的观测精度已达到0.5%；对介子寿命的观测精度约达0.4%；用原子钟做的实验精度较低约10%。这些实验的结果都同相对论的预言符合。

   质能关系主要是通过核反应来进行检验，精度达到了百万分之三十五。

二、真空中的光速不变原理

2.1  光速不变原理/postulate of constant speed of light

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=59586&Type=bkzyb&SubID=62037

   光在真空中总是以恒定的速度传播，且与光源的运动状态无关。

   光速不变原理的内容包含：①真空光速与光源的运动速度和加速度无关，而且也与在哪个惯性系（惯性观测者）测量无关。②真空光速与光的频率无关（即光在真空中无色散）。③真空光速与光的传播方向无关（即单向光速各向同性）。

   由于同时性定义和测量单向速度互为前提，所以原则上说单向速度（包括单向光速）是无法用实验独立测量的，除非能发现某种绝对的对钟方法（如找到瞬时传播信号等）。因此单向光速的各向同性只是一个不能用实验直接证明的科学假定。

2.2  2022-01-20，坐标时和固有时/coordinate time and proper time

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=59593&Type=bkzyb&SubID=62038

   由同一只标准时钟记录的时间（间隔）称为固有时（间隔）；放在不同地点的两只标准时钟记录的时间之间的差值称为坐标时（间隔）。

   物理时间（指实际直接测量的时间）对应于固有时，而坐标时与同时性定义相关。

三、思考：单向光速可以测量吗？

图1  光波多普勒效应观测对称实验原理示意图

3.1  实验原理

   整个实验装置要处在“真空”之中。“真空度”越高越好。

   圆柱形的“旋转柱体”用刚性高的材料制作，表面光滑，要镜面效果。附加大的机械转动惯量，用皮带从电动机传动。可以用光码盘等测速。

   “光源”：①可以采用单色激光；②也可以采用加速器的“同步辐射”。

   实验步骤：

   （1）“旋转柱体”静止时，调整整个实验装置。

   （2）“旋转柱体”旋转时，用三棱镜（或其它装置）测量“光波多普勒效应”。

   （3）“旋转柱体”不同转速；正反转。

   （4）更换不同的“夹角θ”。采用不同转速；正反转。

   （5）更换不同的真空度，测量“光波多普勒效应”的结果随着真空度变化的情况。

   （6）更换“旋转柱体”的不同材料。如不锈钢，金属银，……

   （7）转变整个实验装置在地表的角度，检验地球自转的影响。

   （8）一年四季多次测量，检验地球公转的影响；“地球还有随同太阳在星际空间和在银河系内的空间运动”的影响。

   检查上面实验值与“理论值”的一致性。

   “理论值”，根据狭义相对论中的洛伦兹变换得出的光波（电磁波）的多普勒效应的公式，可以得出相应的理论值。

3.2  分析

   “某种绝对的对钟方法”，转化为静止参照系里的实验系统调试。对应“固有时”的“空间距离”，可以在静止系以及“旋转柱体”静止时得到。

   “旋转柱体”两侧的转速（及其对应的柱体表面线速度的“速率”），从大量统计的角度看，是相等的，至少它们的平均值是相等的。

   这是对光波（电磁波）的多普勒效应的一种直接测量。

   利用几乎严格相同的速度（反向），检验光波的多普勒效应公式。

3.3  小结

   上述实验：

   （1）可望大幅度提高“多普勒频移观测验证”的精度；

   （2）较为直接的验证“在空中的光速不变原理”；

   （3）从不同于“迈克尔逊－莫雷实验 Michelson-Morley experiment”的角度，判断“以太 ether”的意义。

   ……

附录：Léon Foucault 测量光速的一些图片

图2  in-1849-french-physicist-armand-fizeau-used-this-method-to-achieve-BCE750.jpg

https://c8.alamy.com/comp/BCE750/in-1849-french-physicist-armand-fizeau-used-this-method-to-achieve-BCE750.jpg

https://www.alamy.com/stock-photo-in-1849-french-physicist-armand-fizeau-used-this-method-to-achieve-24899196.html

图3  speed_of_light_setup.png

https://wanda.fiu.edu/boeglinw/courses/Modern_lab_manual3/_images/speed_of_light_setup.png

https://wanda.fiu.edu/boeglinw/courses/Modern_lab_manual3/speed_of_light.html

图4  Speed_of_light_(foucault).png

https://es-academic.com/pictures/eswiki/83/Speed_of_light_(foucault).PNG

https://es-academic.com/dic.nsf/eswiki/633678

参考资料：

[1] 2022-06-09，光速不变原理/postulate of constant speed of light/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=59586&Type=bkzyb&SubID=62037

[2] 2022-01-20，多普勒效应/Doppler effect/陈晓冬，郁道银，诸国祯，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=104770&Type=bkzyb&SubID=95653

   光波多普勒效应

[3] 2023-09-08，狭义相对论验证/special relativity verification/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=438956&Type=bkzyb&SubID=198015

   还要说明一点，现有的实验（包括迈克耳孙莫雷实验）并没有证明光速是否同方向无关。引入光速同方向无关的假定是为了定义不同地点的事件的同时性，在没有其他方法确定这种同时性之前，光速是否同方向无关是无法用实验判断的。

   ②多普勒频移观测验证。多普勒频移的观测精度已达到0.5%；对介子寿命的观测精度约达0.4%；用原子钟做的实验精度较低约10%。这些实验的结果都同相对论的预言符合。

   质能关系主要是通过核反应来进行检验，精度达到了百万分之三十五。

[4] 2022-01-20，坐标时和固有时/coordinate time and proper time/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=59593&Type=bkzyb&SubID=62038

   由同一只标准时钟记录的时间（间隔）称为固有时（间隔）；放在不同地点的两只标准时钟记录的时间之间的差值称为坐标时（间隔）。

   物理时间（指实际直接测量的时间）对应于固有时，而坐标时与同时性定义相关。

[5] 2022-12-23，以太/ether/戴念祖，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=296568&Type=bkzyb&SubID=158543

   “以太”一词是英文Ether或Aether的音译。

[6] 2022-12-23，同步辐射/synchrotron radiation/赵振堂、柴之芳，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141043&Type=bkzyb&SubID=61964

[7] 2023-06-04，同步加速辐射/synchrotron radiation/尤峻汉，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=146957&Type=bkzyb&SubID=87351

[8] 2023-03-30，同步辐射/synchronous radiation/柴之芳，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=74798&Type=bkzyb&SubID=84254

[9] 2023-07-21，旋转编码器/rotary encoder/屠纪明，常春，胡瑜，董彬，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=222031&Type=bkzyb&SubID=148118

   绝对编码器由机械位置决定每个位置的唯一性，无需记忆、找参考点，不用一直计数，什么时候需要知道位置，就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

[10] Werner Boeglin, 2024-03-13, 23. The Speed of Light, Florida International University

https://wanda.fiu.edu/boeglinw/courses/Modern_lab_manual3/speed_of_light.html

[11] Léon Foucault, Wikipedia Español

https://es-academic.com/dic.nsf/eswiki/633678

[12] 2023-10-12，地球自转/Earth's rotation/闫昊明，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=152079&Type=bkzyb&SubID=111853

   如果以太阳为参照物（24小时），地球在太空中会旋转360°59′；如果以恒星为参照物，地球在太空中旋转一周（360°），用时23小时56分4.099秒；

   在赤道区域，地球自转的线速度约为463米/秒。

   主要原因

   有潮汐摩擦，冰川均衡调整，核幔耦合，环境和海面变化、地震以及板块运动等。其中最主要的原因，可能是发生在浅海地区的潮汐摩擦。

[13] 科普中国，2021-12-31，近地空间 

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=331495

   近地空间是指从地心起 1.015～6.6 个地球半径范围内的空间区域即从地球海平面起约100~36000km 的球壳状区域。

[14] 2023-03-14，地球空间运动/motion of the Earth in space/李竞，胡寿村，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=567526&Type=bkzyb&SubID=157242

   地球公转轨道也有变化。此外，地球还有随同太阳在星际空间和在银河系内的空间运动。

   地球公转轨道的变化

   地球绕太阳公转椭圆轨道也有变化，但近几百万年到几亿年是相当稳定的，影响地球气候变化的主要是轨道偏心率（目前为0.0167）变化，过去1亿年的变化范围为0.0669～0.0001。过去的1500万年，偏心率变化的重要周期有40.5万年、12.4万年和9.5万年。

   现已测定，太阳相对邻近恒星的运动速度为每秒19.7千米。

   太阳和太阳系所在的天区，银河系的自转线速度约为每秒220千米，自转周期为2.4亿年（可谓之“银河年”）。

[15] 2023-02-17，月球空间运动/motion of the Moon in space/李广宇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=567584&Type=bkzyb&SubID=157245

[16] 2023-02-17，行星空间运动/space motion of planet/李广宇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=567602&Type=bkzyb&SubID=157236

   行星追随太阳以220千米/秒的高速围绕银河系中心运动，约2.5亿年走过一周。与此同时还有一种约20千米/秒，振幅约500光年的上下起伏运动，每转过一周起伏两到三次。银河系又带着太阳系在本星系群中以300千米/秒的速度运动。本星系群相对于宇宙微波背景运动的速度则达30000千米/秒。

[17] 2022-01-20，恒星的空间运动/space motion of stars/李宗伟，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=66082&Type=bkzyb&SubID=87439

   太阳附近恒星的空间运动速度约为50千米/秒。实际上，太阳也在空间运动着。太阳对邻近恒星的空间运动速度约为19.7千米/秒，

[18] Michal Křížek. 张智民译. 数值计算的可靠性[J]. 数学文化, 2015, 6(1): 34-40.

https://www.global-sci.org/intro/article_detail/mc/11781.html

https://www.global-sci.org/intro/articles_list/mc/1419.html

   1887 年，为了祝贺自己的60岁寿诞，瑞典国王奥斯卡二世赞助了一项现金奖励的竞赛，征求太阳系稳定性问题的解答，

相关链接：

[1] 2024-08-01，[小资料，笔记，科普] 爱因斯坦相对论的实验验证

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1444760.html

[2] 2023-8-18，[小资料，小科普] 加速器的“同步辐射”

https://wap.sciencenet.cn/blog-107667-1399542.html

[3] 2024-05-06，[不是科幻，倡议，讨论] 蓝色地球行动 Blue Earth Actions

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1432938.html

[4] 2024-03-18，[打听] 哪里有“迈克尔逊－莫雷实验 Michelson-Morley experiment”的权威的主流的资料？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1425835.html

[5] 2024-03-19，[打听] 哪里有 1851 年“斐索实验 Fizeau experiment”的权威的主流的资料？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1426002.html

[6] 2024-08-02，[讨论，笔记] “多信使相对论”（广义相对论）：电力透镜、静电洞

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1444881.html

[7] 2024-03-27，从前（3）：“多信使相对论”（狭义相对论）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1427171.html

[8] 2023-04-21，[阅读笔记] “多信使”天文学

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1385142.html

[9] 2024-03-26，[娱乐，？？？] 从前（2）：“级数相对论”的接近清晰的物理图像

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[10] 2020-10-08，[严肃内容] 黑洞、电磁黑洞（静电黑洞）、联合黑洞（黑洞+电磁黑洞），统一场“黑洞”

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[11] 2021-09-19，[娱乐] 两个小球（宏观点电荷、宏观质点）与采用狭义相对论来推导引力磁

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[12] 2022-11-20，[？] 《三体3：死神永生》：黑域，狭义相对论、朗道与华罗庚

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[13] 2020-06-05，[求证] 爱因斯坦12岁时看的几何学书，是什么语言的？

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[14] 2024-03-11，[请教] “狭义相对性原理”、“光速不变原理”的最权威、最主流表述

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1424918.html

[15] 2015-08-25，物理学“狭义相对性原理”的准确表述

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-915813.html

[16] 2024-06-06，[小资料，笔记，物理] 狭义相对性原理不适用于“运动学”

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1437182.html

[17] 2024-06-23，[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（16）：无定向秤（ astatic balance ）的系统误差是多少？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1439428.html

[18] 2024-06-16，[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（15）：光压与“电磁波的刚性”

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[19] 2024-05-14，[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（12）：为什么要“最直接”地再测量？

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[20] 2024-05-22，[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（14）：判定实验原理（2）：电场强度 E 是矢量吗？

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[21] 2024-05-21，[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（13）：判定实验原理（1）：磁感应强度 B 是矢量吗？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1435062.html

[22] 2023-07-14，“电磁学的实验再检验”：经典电磁学实验当代再检验的起因、意义要点

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1395251.html

[23] 2024-02-07，[求助] 电磁学的实验再检验（11）：电磁相互作用依赖参照系吗？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1420950.html

[24] 2024-01-26，[打听] “单光子”遇上“半反半透镜”：观察到什么现象？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1419489.html

[25] 2023-10-26，[最主流，实体的物理实验波形] “费曼电容器充电”的电压波形观察

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1407363.html

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