一个关于光传播的小实验  

    科学网博主曾纪晴在博文《无质量 “物体”的运动规律研究》中提及有人认为光在飞船里的传播会走之字形路线。

（http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=52021&do=blog&id=1262596）

    也有人曾宣称自己的某实验可得出类似的结论。这是两种不同的说法，前者说的之字形是在地面观测到的，不是飞船上观测到的；后者所说的实验结论，相当于在说飞船上的观测者就能观测到之字形效果。用人们现有关于光的学说来讨论这些问题，两种说法却是一样的。其中一个成立，另一个也会理所当然成立。

    平时容易见到，在高速行驶的火车上让一个质量物体自由垂直落下，地面上观测质量体落下所经过的路径不是直线，但火车上的人看上去它的路径却是直线，图1. 中的A。

图1.

    在同样的火车上，如果让一束很细的光垂直照射火车地板，图1.中的B，光的路径是不是类似那个质量体的下落路径呢？是不是地面上的观测者看到光是偏离直线方向照射到地板，而火车上的人看到是垂直方向照射到地板呢？或者火车上的人就能观测到光偏离了直线照射到地板。要探讨这些，必然要再次深思光是什么，光的传播性质等一系列的基本问题。这些基本问题实际是没有很好地解决。关于光，一定有深层次的奥秘没被揭示（此处不展开讨论）。

    本人2018年大部分的双休日都在重复做同一个小实验，没有观测到这里说的光传输路径会走之字形的现象。似乎光只会是直线传播，飞船速度再快光也不会出现之字形路径。这个实验很简单，一般人都有条件做它。实验就是让一束光线沿水平并朝东方向发射，在离发射点几十米远的地方竖立一个屏幕，让此光束在屏幕上形成光点。实验者只要观测光点的位置是否会随时间改变。如图2.所示。

图2.

    实验中光源到观测屏幕距离是65米。因为光束传输较远的距离后会发散，屏幕上不容易明显地观测。如果在光传输的路径上任何点对光聚焦，这并不容易实现，而且这也会改变光的原始路径。所以实验设计的光源是采用两束激光让其在屏幕上形成明显的干涉条纹，观测条纹的位置改变。

    为讨论简单起见，假定地球绕日轨道平面（黄道）和地球赤道平面是平行的。再假定我们是在赤道地区做实验。发射和观测屏幕的距离是65米，光束是水平向东发射，实际上就是沿赤道圆的切线方向朝东发射。图3.所示在一天时间的6:00点、12:00点、18:00点、24:00点我们实验所处的空间位置。我们知道地球绕日轨道的线速度v大约是30公里/秒；光的传播速度C大约是300000公里/秒。在6:00 和18:00 实验光束的传输速度和v 是垂直的，12:00和24:00是平行的。显然，无论是认为光是波还是粒子，同时认为地球不会拖动光传播所依赖的介质一起运动，一天中光束在屏幕上的位置都要相对发生位移改变。早晚位置会差近13毫米，在地球上和太阳上观测会有同样的结论。6:00点位置是偏上，18:00点是偏下，12:00和24:00是原点。计算出的偏移量很容易就能被观测到。

图3.

    本人实验是在北纬 31.1°的室内进行的，光源到屏幕的距离是 65 米。实验是利用 2018 年全年的双休日进行的，观测是用相机 24小时，按每小时定时拍照。由于黄道平面和赤道平面有近 23°的夹角，也不是赤道地区实验，所以屏幕上的干涉条纹就不是在垂线方向偏移，是斜线方向偏移。之所以要观测24小时，是为了验证实验装置在实验过程中没有被移动过，确保实验没有受到外界干扰。实验中光的干涉条纹和屏幕观测的实际图像如图4.所示。实验不能发现条纹有位移变化。

图4.

    按这个实验的思路也可以设计成做迈克耳逊-莫雷实验的内容，这样我们就不需要笨重、漂浮的稳定平台，实验中也不需要去转动平台，只要耐心等地球自转 90°就行。除了要多花时间和场地大点外，会有所需实验设备简单，普通人很容易实现的特点。