光速不变性原理的验证方案

1、光速不变性原理的验证方案尹授远（沈阳大学 信息工程学院自动化系，辽宁 沈阳 110044）摘要：本文根据爱因斯坦的光速不变性原理，提出了光速不变的两个实验验证方案。并用第二个实验方案获得了预期的验证结果。实验结果表明，存在一个光参考系，在该参考系中光速不变。宇宙中的天体相对该参考系都是运动着的。关键词：光速不变，激光，实验，地球运动速度，相对论狭义相对论的基础（基本假设）是狭义相对性原理和光速不变原理14。根据爱因斯坦的假设，光波的传播速度与光源的运动无关225。或者说，真空中光的速度是与光源的运动状态无关的346。即光不会与运动着的发光物体作复合运动。由此可以得出的结论是，如果在与物体运动方

2、向垂直的方向上发射一束光，则在该物体所在的参考系中光线应会发生偏离，即光线与物体运动方向所成的角度大于90。根据这一原理，如果在地球上能测量出光线偏离的角度，则由已知的光速就能得到地球的运动速度。本文设计的实验方案可以测量光线的这个偏离角。1 实验方案一实验装置为一个圆柱形的封闭容器，容器材料为金属或非金属均可。圆柱形容器要尽可能高（长），比如10米。直径大小则以能够满足测量要求为准。为减少可能存在的干扰因素，容器内部应为真空状态。在圆柱形容器中的两端，各安装一个尺寸相同的长条形反射镜面。在其中的一个条形反射镜面一端，安装一个孔径为微米级的激光发射器；在该反射镜面的另一端，安装一个带记忆功能的

3、光敏接收器。两个条形反射镜面都可以绕其中心轴在镜片平面旋转。如图1和图2所示。激光发射器和光敏接收器应当具有足够的精细度。将柱体垂直立于地面。为减少地球引力可能的影响，应使光线在垂直于地面的方向上往返传播。调整两个反射镜面。为了提高测量精度，必须使两个反射镜面相互严格平行。调整方法如下：调整的最终目标是使A和B两个反射镜面都与光线垂直，即可达到A与B互相平行。我们分别用A和B来标识两个条形反射镜面。在反射镜面A的镜平面旋转轴心处，安装一个激光发射器和一个能记录激光反射光斑位置的光敏接收器。激光发射器位于光敏接收器的后面。在光敏接收器中心处有一个微孔可以让激光光线通过。微孔的直径以恰好不影响激光

4、光线的通过为准。微孔四周则是光敏感应部分。 调整激光发射器，使其发出的光线穿过光敏接收器中心的微孔，对准反射镜面B。旋转激光发射器360。在旋转过程中调整光线的垂直度和反射镜面B，使反射光斑始终位于光敏接收器的一点上，即保证光线与旋转轴同轴。调整反射镜面B，使反射光斑偏离光敏接收器中心点（微孔处）一定距离。 作者简介：尹授远（1960- ），男（汉族），山东福山人，沈阳大学副教授，大学本科。自动化专业旋转反射镜面A，使其上的光敏接收器旋转360。这时激光发射器不一起跟着旋转，即保持激光发射器的位置和方向不变。在旋转过程中调整A的水平位置，使光敏接收器接收的反射光斑轨迹为正圆，即反射镜面A与光轴

5、垂直。旋转反射镜面B360，调整B的水平位置，使激光光线经反射后返回到激光发射点（微孔处）。调整激光发射器入射角，使光线在B上偏离原入射点一定距离，即反射光斑偏离激光发射点（微孔处）。 同时旋转反射镜面B和A，使B和光敏接收器同步旋转360，而激光发射器不动。调整B的水平位置，使光敏接收器接收的反射光斑轨迹为正圆。使A与B达到平行后，移去反射镜面A中心处的激光发射器和光敏接收器。将安装在条形反射镜面一端的激光发射器沿柱体轴向偏离一个角度，使其发出的光线在两个镜面之间进行多次反射后由另一端的光敏接收器接收，如图2所示。光线往返的次数应尽可能多，以有利于提高测量精度。将柱体旋转360，在旋转过程中

6、观察并记录反射光斑的位置变化。2实验结果一当达到足够的实验精度时，比如柱体足够长，或者条形反射镜面足够长可以使光线有更多的反射次数等，光斑将会发生偏离。图3是假设光线在与地球的运动方向上顺向成一定角度时往返折射一次的示意图。图中蓝色实线表示光线不发生偏离时的光径，红色实线表示光线发生偏离时的光径，蓝色虚线表示偏离后的入射光线反射后没有发生偏离时的假想反射光径，与入射光线构成一个等腰三角形。图4是将柱体旋转180后的示意图，光线的方向与旋转之前相反。蓝色实线表示没有发生偏离的光径，红色虚线表示旋转180之前偏离时的光径，红色实线表示旋转180后光线发生偏离时的光径，蓝色虚线表示没有发生偏离时的假

7、想反射光径。V表示地球的运动方向，d是旋转180前后的位移距离。根据初始入射角和d的测量结果，可计算出光线的偏离角。实验过程还可在其它不同放置条件下分别进行：将柱体沿赤道方向水平放置、垂直于赤道方向水平放置，以便观察实验结果是否会有不同。3实验方案二如果仅仅是观察光线是否偏离，则可以采用第二种实验方案。将两个长条形反射镜面相互平行放置，相距距离适当远。让激光光束在两个镜面之间反射多次。最终让反射光斑落在一个记录面上。用摄像机记录光斑的移动变化情况。记录时间要尽量长，最好达到24小时以上。激光光线随着地球转动，其光线入射方向也将跟着变化。本人采用的是第二种实验方案。在实验中镜面间的距离是10米，

8、光反射次数是4次。每次记录的时间大约是1小时左右。在实验中观察到光斑发生了有趣的位移。4结语我们的概念与概念体系之所以能得到承认，其唯一理由在于它们代表的是我们经验的复合。出此之外，它们并无其他的理性依据42。波动方程并未涉及到光源速度，这很自然地表明光速应与光源的速度无关54。本实验方案二的验证结果表明，存在一个光参考系，在该参考系中光速不变。宇宙中的天体相对该参考系都是运动着的。根据这一结论，在人造卫星上利用本实验方法就可以在宇宙中设置一个相对光参考系静止的坐标原点。其大致的方法是：通过测量三维方向上光线的偏离程度，不断回调卫星的运动方向，从而使卫星始终保持在静止状态（不考虑卫星可能与其他

9、天体相撞的情况）。若需要获得该参考系的时间信息，则可以让卫星定期地按球面扫描向外发射周期固定的光脉冲序列信号，并在信号中插入卫星的时间编码信息，我们可以通过接收这种信息获得我们所在天体的运动状态信息。由于光速不变，我们可以向卫星回发包含卫星时间编码信息的光信号来和卫星对时，从而得到我们与卫星之间的距离信息。Projects to Prove Principle principle of constancy of light velocityShouyuan-Yin（Information Engineering College of Shenyang University） Abstract：

10、According to Einsteins principle of constancy of light velocity, this paper presents two projects to prove constancy of velocity of light by experiment, and gets prospective result using the second one. Principle of constancy of velocity of light indicates that there exists a light reference system in which velocity of light is costant, and celestial bodies in the universe are all relatively moving in it.Key：velocity of light constant、Laser、experiment、velocity of earth、 theory of relativity参考文献：1张元仲，狭义相对论实验基础，北京，科学出版社，19792郑庆璋，崔世治，狭义相对论初步，上海，上海教育出版社，19813中