五维时空与运动力学

1、迈克尔逊一一莫雷实验能证明光速不变原理吗？黄新卫中国湖北省十堰市东风汽车有限公司车架厂装备部，邮政编码442001摘要本文对迈克尔逊一一莫雷实验证明光速不变原理提出质疑，认为该实验是否定光速不变原理的。重新分析了罗基旋转钢盘实验，认为不足以否定地球拖动以太假说。根据最新实验结果，认为地球表面以太被地球拖动一起围绕太阳公转，但不随地球自转。同时指出，超光速现象已经存在。关键词迈克尔逊一一莫雷实验光速不变原理以太1迈克尔逊一一莫雷实验能证明光速不变原理吗？请看以下问题：如图1所示，左边是地球公转示意图，右边是一个巨大星球自转示意图。这个巨大星球自身的半径等于地球绕太阳公转的半径，自转的角速度等于地

2、球绕太阳公转的角速度。也就是说，这个巨大星球表面最大自转线速度等于地球绕太阳公转线速度，约为30公里/秒。有一空心且抽真空光纤环绕该星球表面一周，和星球同步旋转。现在从光纤O点同时向顺时针方向和逆时针方向发射两束光线。请问：两束光线环绕光纤一周后，是否同时回到O点？图1答案有两个：1）根据地球表面的迈克尔逊一一莫雷实验不能测量出地球公转线速度这一事实，我们有理由认为，该星球表面的迈克尔逊一一莫雷实验也不能测量出星球自转线速度，或者说，该星球表面各方向的光速相等。所以，两束光线环绕光纤一周后，应该同时回到O点。2）从不随星球自转的惯性系看，光相对该惯性系的速度恒为300,000公里/秒，而星球在

3、自转，逆时针方向光束将比顺时针方向光束先回到O点，所用时间大约相差0.02%。这就产生了矛盾！究竟哪个答案正确？不同人提出了不同解释：(a)有人说：这两种答案可以同时存在，不同参照系可以存在不同观测结果。这说明他还想不明白，同地同时事件为什么在不同参照系都必须是同地同时事件。(b)有人说：该巨大星球的自转不能等同于地球绕太阳公转。那么就请拿出经过深入严密思考、令人信服的解释，该巨大星球的自转为什么不能等同于地球公转？(c)有人说：第二个答案正确。这说明他没有考虑到，如果两光束不同时回到O点，那么它们环球一周时间将不相等，把星球表面等分为无数段，它们通过每一段的时间也不相等，也就是说，正反向光速

4、不相等，迈克尔逊-莫雷实验就应该能检测到30公里/秒的以太风。可是检测到了吗？(d)有人说：第二个答案正确，第一个分析有误。虽然星球表面顺时针方向和逆时针方向光速相等，但是光程不相等，逆时针方向光线反射次数少一些，光程短一些，所以先回到O点。这说明他没有仔细思考，当反射次数大到一定程度，两光束的光程都非常接近于圆周长(如反射次数为1000次，光程与圆周长相差仅有0.0003%),相差远远小于0.02%o而且，有什么理由认为逆时针方向光线反射次数少一些？(e)有人说：第二个答案正确，虽然星球表面顺时针方向和逆时针方向光速相等，但是光程不相等。由于星球在旋转，逆时针方向的光通过的光程小于顺时针方向

5、的光通过的光程。这说明他是从不随星球自转的惯性系分析的，而完全无视在星球表面的分析结果。在物理教科书上，地面看运动的火车中点发出的光，到达火车首尾的光程是不相等的。但是，火车上看，光到达火车首尾的光程难道不相等吗？同样，星球表面看，光环球一周光程难道不相等吗？正确答案应该是第一个。这个问题揭示了一个重要发现：从不随星球自转的惯性系看，星球表面的光速绝对不是300,000公里/秒，而是顺时针方向300,000+30公里/秒，逆时针方向300,000-30公里/秒。这样才能解决以上矛盾！或者说，光速不变原理不成立，才能化解以上矛盾！迈克尔逊一一莫雷实验告诉我们，地球表面各方向的光速相等，但这并不能

6、证明光速不变原理。以上分析表明，迈克尔逊一一莫雷实验是否定惯性系光速不变原理的！从不随星球自转的惯性系看，超光速现象是存在的。2罗基旋转钢盘实验能否定地球拖动以太理论吗？对于迈克尔逊一一莫雷实验的解释，主要有三种：1)洛伦兹和斐兹杰惹(Fitz-Gerald)提出的相对以太运动的物体可在运动方向缩短。瑞利(Rayleigh)提出如果透明媒质相对以太运动发生收缩，那么它应该有双折射现象，正如玻璃块承受单向应力时出现的情况。瑞利用实验检测这个效应，但得到否定的结果。布雷斯(Brace)把实验精度提高，但也没有发现此效应。显然相对以太运动不能使物体在运动方向缩短。2)迈克尔逊等人提出的地球拖动表面的

7、以太一起运动，因此地面附近的以太相对地球始终是静止的，但地球相对宇宙中其余的以太还是运动的。为了验证运动的物体能否拖动周围的以太一起前进，罗基(Lodge)在1892年做了一个实验，把干涉仪放在两个直径为1米的大钢盘中间，两圆盘相距2.5厘米，装在能高速转动的公共轴上。干涉仪在实验时是静止的。他认为如果钢盘转动时能带动中间的以太，那么当转动开始就会有干涉条纹的移动。但是没有观测到任何移动，于是得出结论：以太不能被转动钢盘拖动。罗基的实验虽然没有迈克耳孙-莫雷实验的影响大，但是它的结果导致人们对地球拖动以太假说失去了信心。3)爱因斯坦的光速不变原理解释。因为以上两种解释都被实验否定，所以爱因斯坦

8、的解释逐渐被物理学界接受。笔者认为罗基的旋转钢盘实验不足以否定地球拖动以太假说。请看下面的分析：如图2所示，把一个钢盘水平悬空，令钢盘静止不转动，地球相对钢盘旋转。请问：钢盘和地球之间的以太是随钢盘不旋转，还是随地球旋转？如果以太随钢盘不旋转，那就是说钢盘能拖动以太。钢盘能拖动以太，地球为什么就不能呢？地球的质量远远大于钢盘，两者之间的以太一定会被地球拖动一起旋转!现在，我们在这个钢盘下面再增加一个钢盘，相距2.5厘米，两个钢盘之间相对静止，不随地球一起旋转，这样就和罗基的实验装置一样了，如图3所示。steeldisk图3增加了这个钢盘，两钢盘之间的以太就不能被地球拖动一起旋转了吗？如果您认为

9、是应该这样，那么就请解释，为什么仅仅增加一个钢盘，就足以让质量远远大于钢盘的地球的影响消失得无影无踪？罗基的实验是地球不旋转而两钢盘旋转，而以上问题是两钢盘不旋转而地球旋转，实质都是一样，都是两钢盘和地球之间相对旋转。正是因为地球拖动了以太，所以本应该被钢盘拖动的以太结果不被拖动！所以，罗基的实验本来就应该检测不出钢盘拖动以太！所以我认为，罗基的实验根本不足以否定地球拖动以太假说！3地球表面以太不随地球自转如果您认为光速不变原理是正确的，请回答以下两个问题：问题1:如图4所示，东、西两座相同高塔，中间O点，同时向两塔尖A、B发射两束光线。请问,A、B是否同时接收到光线？或者说，地面参照系测量，

10、东、西方向光速是否相等？towerlight图4问题2:如图5所示，地面上垂直竖立一光纤圆环，光纤是空心且抽真空。从O点同时向光纤的顺时针方向和逆时针方向发射两束光线。请问，两束光线是否同时回到O点？或者说，地面参照系测量，顺时针方向和逆时针方向光速是否相等？opticaiber1igill图5对于这两个问题，很多人的解答都是这样：问题1,A、B同时接收到光线，地面参照系测量，东、西方向光速相等。问题2,两束光线同时回到O点，地面参照系测量，顺时针方向和逆时针方向光速相等。为什么很多人的解答都一样，原因很简单一一因为光速不变原理。但是很遗憾的是，这种解答是不符合最新实验结果的！利用同步卫星进行

11、中日双向时间传递实验1表明，地面参照系测量，东、西方向光速不相等。由于地球自转，电磁波从日本通过同步卫星传递到中国所花费的时间，比从中国通过同步卫星传递到日本所花费的时间要少。问题1中的塔尖可以等同于同步卫星，因此，众人对于问题1的解答是不符合最新实验结果的。近十几年来，用于测量转速的光纤陀螺仪的精度越来越高，以至于发现一个奇怪现象：静止在地面不转动的光纤陀螺仪，也能够输出最大为15度/小时的读数。据说这个现象开始让制造光纤陀螺仪的人都感到不可理解，后来天文学家提醒说，地球在自转。这才算是有了答案。问题2中的光纤圆环就等同于光纤陀螺仪，因此，众人对于问题2的解答也是不符合最新实验结果的。很遗憾

12、的是，物理学界并没有就这两个实验现象进行深入、严密思考，而是简单地把这两个实验现象解释为Sagnac效应，甚至说Sagnac效应也是相对论效应，没有发现这两个实验现象是与光速不变原理相违背的！是与过去的证明光速不变原理的实验相矛盾的！为了消除这两个实验现象对光速不变原理构成的挑战，有人提出，自转的地球是非惯性系，非惯性系中光速可变，并不能否定惯性系光速不变原理。可是，过去所有证明光速不变的实验，哪一个不是在自转的地球这个非惯性系做的？在非惯性系做的实验，又怎么能够作为惯性系中光速不变的实验证据？同样是在自转的地球这个非惯性系做的实验，过去的实验未能检测出地球表面各方向的光速不相等，就说这些实验

13、证明了光速不变原理。现在的实验能检测出地球表面各方向的光速不相等，为什么就不能说这些实验否定了光速不变原理呢？过去的一些高精度实验表明，地球表面以太风速度不到1米/秒。而以上两个实验表明，地球表面以太风最大速度可达460米/秒。过去的高精度实验是否可靠，很值得怀疑！对于中日双向时间传递实验和光纤陀螺仪能够敏感地球自转现象，一些人分析认为，地球表面以太被地球拖动一起围绕太阳公转，但不随地球自转。我经过思考分析，也认为除此以外，找不出更好解释。这两个实验现象表明，地球表面已经检测到超光速现象，相对论的质量一一速度关系式M=mVl-v2/c2和时间一一速度关系式T=t/Jiv2/c2都必须修改。4地

14、球表面以太被地球拖动一起围绕太阳公转，但是不随地球自转再看另一个重要问题：中日双向时间传递实验表明，地面参照系测量电磁波往返中日两地的时间差t,符合从不随地球自转的惯性系的计算结果。而从不随地球公转的惯性系计算，如图6所示，由于地球公转效应的影响，电磁波往返中日两地的时间差应该远远大于自转效应带来的时间差，大约高两个数量级（因公转速度约为30公里/秒，自转速度小于0.46公里/秒），为什么地面参照系测量不到？或者说，为什么地面参照系能测量到地球自转带来的Sagnac效应，而测量不到地球公转带来的Sagnac效应？synchcmmiss&IeIIiIc图6有人说，这是因为地球自转角速度3

15、1（360度/24小时=15度/小时）远远大于公转角速度32（360度/（365天x24小时）=0.04度/小时），所以公转带来的Sagnac效应远远小于自转带来的Sagnac效应，以至于测量不出。这种解释是没有经过严密思考的。我们知道，Sagnac效应值t=2vL/（c2-v2）,其中L为圆弧两点之间的弧长，线速度v=coR,3是角速度，R是半径。表面上看，Sagnac效应值t正比于角速度，但是请特别注意，还正比于半径R虽然地球公转角速度远远小于自转角速度，但是地球公转半径R远远大于自转半径r!Sagnac效应值t正比于角速度和半径R的乘积，也就是线速度v。地球公转线速度（约为30公里/秒）远远大于自转线速度（小于0.46公里/秒），而圆弧两点之间的弧长L（即中日两地距离）不变，公转带来的Sagnac效应值应该远远大于自转带来的Sagnac效应值。还有人说，地球公转近似为匀速直线运动，近似为惯性系，而惯性系中各方向的光速相等，所以地面参照系测量不到地