光斑偏移实验
本帖最后由 上帝之友 于 2014-9-8 01:05 编辑摘要：为了测量地球自转对光束方向的影响，本文设计了一个实验：让激光经过准直镜，然后被反光镜多次反射到达光电二极管，光电二极管产生的电压信号被万用表检测到，把实验装置南北方向旋转180°后，万用表上的电压信号发生了有规律的变化，这个现象说明地球的自转可以改变光束的方向。 关键词：光斑偏移 Sagnac效应 0. 引言为了检测光速在各个方向的差异，迈克尔逊、莫雷等人做了很多实验，都没有发现有差异。他们的实验原理建立在一个假设上——假设有一种未知物质相对实验室运动并能够改变光的速率，那么这种未知物质应当也能够改变光束的方向。在1971年，Jones做了一个光束的横向牵引实验，他让光束方向与介质运动方向垂直，观测到光束垂直通过转动的透明介质板后发生的横向位移，这个实验说明光束的方向是可以被运动物质改变的，但关于未知物质相对地球运动改变光束方向的实验却很少，作者还没有看到有实验得出光束的偏移上限，正因为这方面有参考价值的实验很少，作者才进行了这个光斑偏移实验。 1.实验前的假设在“中日对钟”实验中存在Sagnac效应——电磁波从东京经卫星到达西安的时间小于电磁波从西安经卫星到达东京的时间。如果利用两颗地球同步卫星进行“中日对钟”实验，一颗与东京同经度，一颗与西安同经度，根据Sagnac效应的计算公式（Sagnac=2ωA/CC），可以判断Sagnac效应只存在于两颗卫星之间的直线路径上，地面测量站（或地心）与同经度的卫星之间没有Sagnac效应。 两颗卫星和地心组成一个三角形，两颗卫星之间有Sagnac效应，如果只改变这个三角形的形状——让地表东方的A点、西方的B点同地心O点组成一个三角形，那么A、B两点之间也应当存在Sagnac效应。进一步推断，如果A、B两点之间的距离只有1米，两点之间也应当存在Sagnac效应，也就是说光在A、B两点之间来回传播的时间不相等。由于同步卫星所处的太空环境和地表A、B两点所处的环境不同，两颗卫星之间有Sagnac效应并不代表A、B两点之间也有Sagnac效应，但基于Sagnac效应制造的光学陀螺仪能够测量地球自转，说明产生Sagnac效应的物理机制在地表也是存在的。 如果光在A、B两点之间来回传播的时间不相等，这是符合Sagnac效应的，但与Cedarholm等人（1958）完成的“两梅塞实验”以及Cialdea(1972)完成的“两莱塞实验”的结论相矛盾。因此本文先假设有一种物理机制能够改变光的相对速率，引起Sagnac效应，同时假设这种物理机制也能够改变光的相对方向。 2.实验内容 2.1实验的设计方案为了验证前面的假设，本文设计了一个实验方案，其原理如图1：激光器发射的激光经准直镜扩束准直后，再经反光镜四次反射到达两个光电二极管（光程约4.5米），光电二极管产生的电压信号被万用表检测到，万用表检测到的是两个光电二极管产生的电压差。如果光束发生偏移，一个光电二极管产生的电压就会增加，而另一个光电二极管产生的电压就会减小。 激光器为一般的红光半导体激光器，额定输入电压为5伏直流，光强可调，有散热片，可以长时间工作。准直镜就是一个50mm口径的博冠单筒望远镜，它能够产生边缘清晰的光斑。反光镜为前表面反光镜，装在可以精密微调的反光镜镜架上。光电二极管的型号是BPW21R。承载光电二极管的精密位移平台的型号是LGX40-L，它的最小刻度是0.01mm，精度也是0.01mm。上述仪器都用热熔胶固定在一块1250×250×6mm的玻璃板上，玻璃板固定在两根1200×50×20mm的木材上，整个实验装置用线悬吊在天花板下，下面就是实验装置的实物照片： 2.2实验的理论计算这些计算是基于众多的假设，而计算的结果是有待于实验验证的。实验中光传播的路程L=4.5m，光速为C，光传播4.5m所需要的时间T=L/C=1.5+ E-8s。实验是在北纬30°的上海做的，实验室相对地心系的线速率约为V=400m/s，在光传播4.5m的时间T之内，实验室自西向东相对地心系的位移S=VT=400m/s×1.5+ E-8s=6+ E-6m=6um，这个6um就是光斑相对光电二极管的位移，当实验装置旋转180°后，光斑相对光电二极管的位移就是2S=12um。在本实验中，光电二极管下面的位移平台的最小刻度是10um，实验前测试过，当位移平台移动10um后，万用表上面的电压值可以变化8mv，而在本实验的实验条件下，干扰因素所产生的电压变化可以控制在3mv之内（静止状态电压变化可以小于0.2mv），因此在理论上可以判定，在本实验条件下，可以检测到光斑相对光电二极管12um的位移变化（对应的电压变化是9.6mv）。 2.3实验的具体操作在实验前已经做了很多准备工作，比如对光电二极管的伏安特性做了测试；在相同的光照下，对光电二极管的电压进行测量比对电流和电阻进行测量都要好；发现在280mv左右，相同的位移产生的电压变化最大；发现光斑的边缘和光电二极管的边缘相对应的时候，相同的位移产生的电压变化最大；发现温度变化和震动对实验的影响最大，实验时要用纸盒罩着激光器和光电二极管并尽量减少震动。做实验时，先调节反光镜，使光斑的边缘对准两个光电二极管的边缘，再调节光强，使每个光电二极管的输出都在280mv左右，然后把两个光电二极管串联，测量它们的电压差，并通过调节位移平台，使它们的电压差为0。接下来是让整个实验装置保持静止，这时悬挂实验装置的细线的扭转力为零，然后把实验装置顺时针方向转动360°，并用线拉住实验装置，防止实验装置在悬挂线扭转力的作用下返回，这样再次让实验装置保持静止，然后用火烧断拉线，实验装置在悬挂线扭转力的作用下逆时针返回，速度是均匀的，在惯性的作用下，实验装置可以稳定的旋转两圈半多。下面是一组测量数据：（1）.当万用表第1次经过旋转中心的正南方时，万用表的输出是-3mv、-4mv（输出的数字是变化的）; 当万用表第1次经过旋转中心的正北方时，输出是+2mv。（2）.当万用表第2次经过旋转中心的正南方时，输出是-3mv；当万用表第2次经过旋转中心的正北方时，输出是+1mv。（3）. 当万用表第3次经过旋转中心的正南方时，输出是-3mv、-4mv、-5mv；当万用表第3次经过旋转中心的正北方时，输出是+1mv、0mv。万用表经过旋转中心的正南方时其输出的平均值是-3.6mv，万用表经过旋转中心的正北方时其输出的平均值是+1mv，两者相差4.6mv（也可以用+-来区别两者），而理论值是9.6mv，实际测量值是理论值的47.9％。经过多次实验，都得到基本一致的实验结果，实际测量值大约是理论值的一半。 3.实验结论和分析 在本文的实验条件下，本文的实验现象是可以重复呈现的，基本上可以得到一个结论：地球的自转可以改变光束的相对方向。同样，利用本实验可以在一个密闭的空间里测量地球的自转方向，如果精度提高还可以测量实验室相对地心系的线速率，这和只测量角速度的光学陀螺仪有区别。 造成本实验现象的原因可能是有一种未知物质在相对地表运动，而且这种未知物质能够和光发生作用，它也许是光波的传播媒质，也许对光子有拖曳作用。这种未知物质在地球周围，它相对地心系是不转动的或转动角速度为地球自转角速度的一半，但它会跟随着地球一起绕太阳公转。这种未知物质最有可能就是地球的磁场、电场或引力场，比如地球磁层相对星际空间转动就是1年360°。实验还需要改进，要进一步提高实验精度；要在屏蔽地球磁场的空间做实验；要到地球不同纬度的地方做实验；要在远离地球的太空飞行器上做实验，利用本实验原理在飞行器内部测量飞行器相对太阳系的速度。 参考文献张元仲狭义相对论实验基础 （M）科学出版社 1979李焕信宋金安 利用同步卫星进行中日双向时间传递 （J）紫金山天文台台刊2000张春熹宋凝芳基于DSP的全数字闭环光纤陀螺（J）北京航空航天大学学报1998 试验是否考虑过遮挡环境光? smartmars 发表于 2014-9-8 01:11
试验是否考虑过遮挡环境光?
问得很好！我实验都要到晚上做，因为白天即使用纸盒把光电管罩着，激光入射孔的光也会对实验有干扰。要确定是否有光干扰就是把激光关掉，光电管的输出电压少于1毫伏，因为我用的是2伏档，少于1毫伏万用表数值就为0。 看到那些设备，我笑了；看到实验过程和结论分析，还是感到很钦佩，方法和态度都很严谨，赞一个！ 不错的实验。 如何保證所測的數據是高於系統的誤差?
氣溫/氣壓的變化, 是否影響光班的位置? 例如熱脹冷縮效應會否對實驗數據引入比較大的誤差? 上帝之友 发表于 2014-9-8 07:09
问得很好！我实验都要到晚上做，因为白天即使用纸盒把光电管罩着，激光入射孔的光也会对实验有干扰。要确 ...
是否测试过, 不同方向的激光关闭下的读数?
其实,可以设计干涉实验来验证的,精度更高 Wah! 发表于 2014-9-8 09:49
如何保證所測的數據是高於系統的誤差?
氣溫/氣壓的變化, 是否影響光班的位置? 例如熱脹冷縮效應會否對實驗 ...
你说的其实是实验的重点，从已做的实验来看，短时间内，还是方向的改变对实验数据的变化影响最大。长时间来看，是温度对光束方向的影响最大。 smartmars 发表于 2014-9-8 09:50
是否测试过, 不同方向的激光关闭下的读数?
没有测试过，晚上再测。 又来一遍！你的结论是为这种未知物质是以太吧！ 晚上测试了，没有影响。 smartmars 发表于 2014-9-8 09:50
是否测试过, 不同方向的激光关闭下的读数?
晚上测试了，没有影响。 我认为，你不仅要记录南北方向的电压差别，还要记录其它方向（例如东西方向）的电压差别。要是电压差别的最大值不是正好出现在南北方向上，你的实验就遇到了麻烦。
电压变化应该是正弦变化，最大值还要对住南北方向，那才有更大的说服力。 这个问题我曾经考虑过，因为我的实验装置是超过360度旋转，在整个旋转过程中我都在观察万用表的数值，东西方的数值差观测不到，低于干扰噪音。但是否有地磁场对实验产生影响我还不能确定。 我知道愚石兄曾经做过类似于单极感应方面的实验，怀疑地磁场跟随地表同步绕地心转动，其实地球磁层没有和地表同步旋转已是主流的公识。 上帝之友 发表于 2014-9-9 06:11
我知道愚石兄曾经做过类似于单极感应方面的实验，怀疑地磁场跟随地表同步绕地心转动，其实地球磁层没有和地 ...
似乎，你说的正好反了。在天体物理界，主流观点是磁场跟随星体（包括地球）一起共转。脉冲星的灯塔模型就是最好的例子。
而我们则极力反对磁场与星体一起转动。
上帝之友 发表于 2014-9-9 06:11
我知道愚石兄曾经做过类似于单极感应方面的实验，怀疑地磁场跟随地表同步绕地心转动，其实地球磁层没有和地 ...
你需要区分磁场和磁层两个概念。
愚石 发表于 2014-9-9 14:34
你需要区分磁场和磁层两个概念。
磁场和磁层的概念我分不很清楚，请赐教。我肤浅的认为磁层也是由磁场组成的，测量它们的工具应当都是相同的。 上帝之友 发表于 2014-9-9 15:03
磁场和磁层的概念我分不很清楚，请赐教。我肤浅的认为磁层也是由磁场组成的，测量它们的工具应当都是相同 ...
磁层是磁场和位于磁场中的带电粒子的总和。
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