[发明专利]测量单向光速和检验罗仑兹变换的方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其是涉及电磁波的测量技术。

背景技术

现代的精密测量经常用干涉仪测量相位差，发明人之一陈绍光曾出(陈绍光、刘宝诚，“检验空间各向同性的新方法”北京大学学报(自然科学版)第32卷，第5期，PP.612-620页(1996))迈克尔逊-莫雷干涉仪的测量原理是不自洽的，由光速各向异性的光程差推导出相位差Δφ＝3β²L c^-1v，β＝V/c时，用了波长λ和频率v均不随方向变化的前提条件。若是λ和v之一随方向(随绝对速度V)变化，则两臂返回的光波还有因λ或v随方向变化的附加相差，预言的待测相位差Δφ就是不确定的。当λ和v均不随方向变化，则与产生光程差的光速c＝λv的各向异性相矛盾，使理论不自洽。为解决这个问题提出了用多普勒效应取代由光程差求相位差的测量原理。再用发明人之一陈赋曾发明的“共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪”(中国专利申请号93109465.8授权公告号CN1034763C)进行多普勒效应的外差拍频，检验双向光速各向同性达到了1×10^-18的精度(陈绍光等，“双向平均光速各向同性的实验检验”，北京大学学报(自然科学版)第33卷，第5期，PP.595-599页(1997))。

但是单向光速却无法测量，因为欲测量单向位移的速度，必需先校准不同地点(至少是起点和终点)钟的同步来实现异地同时。同步异地的钟必需将钟指示的时间信号从一处传递到另一处，这又要求信号的传递速度是己知的。异地同时与单向信号速度的相互依存，使得同时性的定义与单向光速的定义构成逻辑循环，导致罗仑兹时空中不能测量单向光速。

相对论学者通常认为相对论的同时性定义是假设往返路径光速相同来校准两地的钟，例如吳大猷就是根据往返路径光速相同，当光从A点出发的时间为t_A，时间t_B到达B点再反射回A点的时间为t_A′，由t_B＝(t_A+t_A′)/2来校准A和B两处的钟。

爱因斯坦在《狭义与广义相对论淺说》第8节中强调：“对于物理学家而言，在他有可能判断一个概念在实际情况中是否真的被满足之前，这个概念还不能成立。”即，相对论给出同时性的定义之后还要给出可操作的方法用实验来确定两事件(例如两处的雷击)是否真的同时发生。相对论与牛顿理论的根本区别是：相对论是可测量的同时，牛顿理论是无需测量的先验的绝对同时。爱因斯坦明确地指出：观察者站在A和B连线的中点M处看到A和B闪电同时发生，依赖于光从A传到M的速度与从B传到M的速度的确是相同的(等效于光从A传B与从B传到A的速度是相同的)。但要对相反方向的光速相同这一假设进行验证，只有掌握了测量时间的方法才有可能。因此靠光速来判断同时的方法是在逻辑上兜圈子。即，用往返光速相同来定义的同时是不可验证的，从而不是爱因斯坦要求的真实的同时。

爱因斯坦给出的同时性的定义是：“我们假定把构造完全相同的钟放在铁路线(坐标系)上A、B和C诸点上，並这样校准它们，使它们的指针同时(按照上述意义来理解)指着相同的位置。在这些条件下，我们把一个事件的“时间”理解为放置在该事件的(空间)最邻近处的那个钟上的读数(指针所指位置)。这样，一个本质上可以观测的事件都有一个时间数值与之相联系。”

吴大猷认为：爱因斯坦的“每个参考系在其系内的所有点都有同步的钟”是个“隐含”的假设。我们认为的确如此，用钟的指针位置相同来校准两个钟的同步，要通过光将指针的映象传递到达眼才能做出判断。现代的时间的分辨率己达到飞秒(10^-15秒)水平，两指针到人眼的距离相差1微米就会引起约3飞秒的不同时。爱因斯坦未指明两指针的映象到达眼的光程(光速与距离)如何来保证相等，使得他自己定义的同时也不满足他要求的可验证性，仍然不是真实的同时。也就是说，爱因斯坦的同时性定义使一个坐标系内的所有点都有同步的钟，默认了指针的映象传递到人眼不需要时间，实质上仍回到了无限大光速的绝对同时性。只不过爱因斯坦的绝对同时性只限于每一个坐标系内部，而伽利略-牛顿的绝对同时性是适用于不同坐标系之间。