專利名稱：測量單向光速和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測量技術領域，尤其是涉及電磁波的測量技術。
背景技術：
現代的精密測量經常用干涉儀測量相位差，發(fā)明人之一陳紹光曾出(陳紹光、劉寶誠，“檢驗空間各向同性的新方法”北京大學學報(自然科學版)第32卷，第5期，PP.612-620頁(1996))邁克爾遜-莫雷干涉儀的測量原理是不自洽的，由光速各向異性的光程差推導出相位差Δφ＝3β2L c-1v，β＝V/c時，用了波長λ和頻率v均不隨方向變化的前提條件。若是λ和v之一隨方向(隨絕對速度V)變化，則兩臂返回的光波還有因λ或v隨方向變化的附加相差，預言的待測相位差Δφ就是不確定的。當λ和v均不隨方向變化，則與產生光程差的光速c＝λv的各向異性相矛盾，使理論不自洽。為解決這個問題提出了用多普勒效應取代由光程差求相位差的測量原理。再用發(fā)明人之一陳賦曾發(fā)明的“共模抑制頻漂干擾外差移頻式孿生激光干涉儀”(中國專利申請?zhí)?3109465.8授權公告號CN1034763C)進行多普勒效應的外差拍頻，檢驗雙向光速各向同性達到了1×10-18的精度(陳紹光等，“雙向平均光速各向同性的實驗檢驗”，北京大學學報(自然科學版)第33卷，第5期，PP.595-599頁(1997))。
但是單向光速卻無法測量，因為欲測量單向位移的速度，必需先校準不同地點(至少是起點和終點)鐘的同步來實現異地同時。同步異地的鐘必需將鐘指示的時間信號從一處傳遞到另一處，這又要求信號的傳遞速度是己知的。異地同時與單向信號速度的相互依存，使得同時性的定義與單向光速的定義構成邏輯循環(huán)，導致羅侖茲時空中不能測量單向光速。
相對論學者通常認為相對論的同時性定義是假設往返路徑光速相同來校準兩地的鐘，例如吳大猷就是根據往返路徑光速相同，當光從A點出發(fā)的時間為tA，時間tB到達B點再反射回A點的時間為tA′，由tB＝(tA+tA′)/2來校準A和B兩處的鐘。
愛因斯坦在《狹義與廣義相對論淺說》第8節(jié)中強調“對于物理學家而言，在他有可能判斷一個概念在實際情況中是否真的被滿足之前，這個概念還不能成立?！奔?，相對論給出同時性的定義之后還要給出可操作的方法用實驗來確定兩事件(例如兩處的雷擊)是否真的同時發(fā)生。相對論與牛頓理論的根本區(qū)別是相對論是可測量的同時，牛頓理論是無需測量的先驗的絕對同時。愛因斯坦明確地指出觀察者站在A和B連線的中點M處看到A和B閃電同時發(fā)生，依賴于光從A傳到M的速度與從B傳到M的速度的確是相同的(等效于光從A傳B與從B傳到A的速度是相同的)。但要對相反方向的光速相同這一假設進行驗證，只有掌握了測量時間的方法才有可能。因此靠光速來判斷同時的方法是在邏輯上兜圈子。即，用往返光速相同來定義的同時是不可驗證的，從而不是愛因斯坦要求的真實的同時。
愛因斯坦給出的同時性的定義是“我們假定把構造完全相同的鐘放在鐵路線(坐標系)上A、B和C諸點上，並這樣校準它們，使它們的指針同時(按照上述意義來理解)指著相同的位置。在這些條件下，我們把一個事件的“時間”理解為放置在該事件的(空間)最鄰近處的那個鐘上的讀數(指針所指位置)。這樣，一個本質上可以觀測的事件都有一個時間數值與之相聯(lián)系?！眳谴箝嗾J為愛因斯坦的“每個參考系在其系內的所有點都有同步的鐘”是個“隱含”的假設。我們認為的確如此，用鐘的指針位置相同來校準兩個鐘的同步，要通過光將指針的映象傳遞到達眼才能做出判斷?，F代的時間的分辨率己達到飛秒(10-15秒)水平，兩指針到人眼的距離相差1微米就會引起約3飛秒的不同時。愛因斯坦未指明兩指針的映象到達眼的光程(光速與距離)如何來保證相等，使得他自己定義的同時也不滿足他要求的可驗證性，仍然不是真實的同時。也就是說，愛因斯坦的同時性定義使一個坐標系內的所有點都有同步的鐘，默認了指針的映象傳遞到人眼不需要時間，實質上仍回到了無限大光速的絕對同時性。只不過愛因斯坦的絕對同時性只限于每一個坐標系內部，而伽利略-牛頓的絕對同時性是適用于不同坐標系之間。
1950年埃森最先采用測定微波波長和頻率的方法來確定光速，其波長是通過測定諧振腔的直徑確定的，由于用了往返微波產生駐波的諧振原理，埃森測得的是雙向波長和雙向光速。1970年美國國家標準局和美國國立物理實驗室最先運用激光測定光速，是用邁克耳遜干涉儀移動反射鏡，對比激光與氪-86譜線干涉條紋的變化數來測激光波長，測得的也是往返光相干的雙向波長和雙向光速。用諧振法、駐波法和干涉條紋法等都不能解決同時性的定義與單向光速的定義構成邏輯循環(huán)的矛盾，都不能測單向光速。
本發(fā)明的目標是徹底實現愛因斯坦所倡導的同時性定義用可操作的實驗手段進行實際的測量來判斷，以保證的硧是真實的同時。
為實現此目標本發(fā)明設計了兩種可驗證的真實的同時方法①在單端用單鐘校準異地同時的雙速傳輸線法；②電腦實時運算的等效同時法。
在這兩種異地同時方法的基礎上，本發(fā)明進一步設計了一個實驗室中的測量裝置(原理示意圖見附圖)，該裝置可用來①直接測量出單向光速；②由多普勒效應的測量直接檢驗羅侖茲變換的尺縮與鐘慢效應；③將多普勒效應的測量應用于微觀粒子導出測不準關系。
本發(fā)明的意義在于首先解決了自1607年伽利略測光速以來400年一直未能解決的測單向光速的物理學難題，當單向光速在實驗室中直接測量出來了並且驗證了是各方向相同的，對GPS定位技術和飛船導航技術的改進有重要作用。單向光速的測量使得狹義相對論的光速不變原理可以直接用實驗檢驗、量子力學的測不準關系也直接由測量數據得出，相對論和量子力學就都完全建立在實驗測量的基礎上了，其可信度以及科學的價值與地位大為提高。二十世紀由相對論和量子力學萌發(fā)出來的原子能、激光、半導體等新技術清楚地表明，新的物理觀念是重大技術創(chuàng)新的前提。當相對論和量子力學建立的基礎從假設變成了真實的測量結果后就與實驗測量有了更密切的聯(lián)系，可以預期它不僅可改進GPS定位技術和飛船導航技術，而且必將成為二十一世紀新技術的生長點。

發(fā)明內容
1測量單向光速的兩種方法1.1用單鐘校準異地同時的雙速傳輸線法由縱波、橫波聲速的不同，測量縱、橫波到達時間之差可求出發(fā)射的時間而得到始端至終端的縱波與橫波的延時。測量超聲傳輸線的延時只需終端的一個鐘，從地震波記錄推算出地震發(fā)生的時間和位置就是這個道理。
設傳輸線介質均勻，長度為L，波發(fā)射時間為T0，縱波、橫波到達時間分別為TP、TS，波速分別為VP、VS。
TS-TP=(TS-T0)-(TP-T0)=LVS-LVP---(1)]]>TP-T0=LVP---(2)]]>由(1)/(2)得TS-TPTP-T0=VPVS-1=(kn+43)1/2-1---(3)]]>k為體積彈性模量，n為切變彈性模量(剛性模量)。根據實驗測到的(TS-TP)，由式(3)即可求得縱波延時(TP-T0)。再由(TP-T0)+(TS-TP)可得到橫波延時(TS-T0)。
同樣，光學各向異性的固態(tài)晶體或液態(tài)晶體制作的傳輸線，其尋常光o與非常光e的速度vo與ve是不同的。在終點測量o光與e光到達時間之差，由已測出的晶體的參數就可以求出起始點光的發(fā)出時間，再分別得到傳輸線的o光與e光的延時值。
無論是超聲傳輸線還是固態(tài)晶體或液態(tài)晶體傳輸線，只要知道傳輸線介質的彈性模量、介電系數、折射率、導磁率(這些參數有大量的測量數據可查)，無需預先假定真空中光速值是否恒定、是否各方向相同，就可用終點的一個標準鐘測量出傳輸線的延時值。
用已知延時值的傳輸線來校對異地的鐘，只要減去信號傳輸過程的延時值，就實現了兩地鐘的同步。由于延時絕對值的測量精度遠低于兩傳輸線延時相等的測量精度，從一個標準銫鐘所在位置(原點O)同時伸出多根延時值相等的傳輸線，可更精確地同步A、B、C等不同位置的鐘。也可以用一線傳輸線在不同時刻從O點伸到A、B、C等不同位置，每一時刻都按當時O點的標準銫鐘指示的時間減去同一個延時值，也可精確地同步不同位置的鐘。用此方法我們就可在空間中各處建立速率相同(鐘結構相同或快慢可調)且相位相同(時間讀數相同)的鐘，實現相對論要求的可用實驗判斷的真實的同時。當處處有同步好了的鐘，用起點的鐘記彔下光波(泛指包括微波在內的各種頻率的電磁波)波前發(fā)送的時間，用終點的鐘記彔下光波波前到達的時間，再測量出起點與終點之間的距離，單向光速就測量出來了。
1.2電腦實時運算的等效同時法用標準長度單位(如鉑-銥原器“米”)校準了的桿的兩端面處，分別設置完全相同的光電計數器A和B，計數待測光波先后通過A和B計數器的波長數目NA和NB。兩計數器啟動之前一直連續(xù)地通過頻率f的待測光波，兩計數器由傳輸延時為tGA和tGB的傳輸線連接到同一個“啟動計數”脈沖發(fā)生器G，由G發(fā)出的啟動脈沖啟動，啟動時間之差為(tGA-tGB)，則計數差(NB-NA)＝f(tGA-tGB)。將數據NA和NB用延時值分別為TAP和TBP的導線傳遞到電腦P進行減法運算，電腦輸出顯示的讀數為K1K1＝f(tGA-tGB)+f(TAP-TBP) (4)大量的實驗證明導線的延時是不會隨空間位置的移動而變化的，兩導線互換后則讀數為K2K2＝f(tGA-tGB)-f(TAP-TBP) (5)將(4)、(5)兩式相加可得(NB-NA)=f(tGA-tGB)=K1+K22---(6)]]>用調制技術加上一個使計數器停止計數的觸發(fā)脈沖到待測光波上，脈沖到達A和B之前(NB-NA)不會變化。脈沖先到達A停止其計數后則輸出數據NA′不再變化，延時TAP后電腦收到的數據NA′也不再變化。但NB在不斷增大，電腦顯示的讀數K會不斷地增大。脈沖再傳過桿長L0后又觸發(fā)B計數器使其停止計數，N為桿長L0中的波長數目，停止計數的計數值為NB′＝NA′+f(tGA-tGB)+N也不再變化了，延時TBP之后電腦收到的數據NB′也不再變化，電腦輸出不變的讀數為K3＝NB′-NA′＝f(tGA-tGB)+N，或N=K3-f(tGA-tGB)=K3-K1+K22---(7)]]>由此可見，電腦讀數法允許兩導線延時不同，也允許兩計數器啟動時間不同，而且不需要知道啟動時間差(tGA-tGB)和兩導線的延時差(TAP-TBP)。也就是說，測量單向波長的過程中兩計數器啟動時間差(tGA-tGB)和導線的延時差(TAP-TBP)不需要知道也用不著測量，因為(tGA-tGB)和(TAP-TBP)的值經過電腦運算處理后不會影響到波長的測量結果，實際上的不同時轉變成為測量效果上的同時。
測量出待測光波的桿長L0的波長數目N，則從A到B的單向波長λ為L0/N米。在用上述雙計數器-電腦讀數法測量單向波長λ的同時，再用銫鐘直接測量該待測光波的頻率v。該待測光波的波長值與頻率值之積λv就是從A到B的單向光速值c(A→B)。
反轉光波的傳播方向再測量單向波長λ和光波的頻率v，又可得到從B到A的單向光速值c(B→A)＝λv，我們就可以判斷正、反方向的光速是否相等。進一步轉動桿的空間方位來測量λ和v，可直接檢驗愛因斯坦假設的光速不變原理。
2直接實驗檢驗相對論尺縮與鐘慢效應的方法單向光波(泛指電磁波)波長λ的測量是將鉑-銥原器定義的“米”轉換為由波長定義的“米”。當波長λ定義為新的長度單位“米”，“單向波長的測量”就變成“桿長度的測量”。無論是由實物“米”測波長還是由波長“米”測實物的長度都是實物相對于光源速度為零的靜態(tài)測量。當靜態(tài)時無論從哪個方向測量得到的長度L0是相同的，就將鉑-銥原器“米”的空間各向同性轉換為波長“米”的空間各向同性。
桿相對光源的速度v，測得的桿的兩端面之間的波長λ的數目ΔN(＝NB-NA)會隨v變化。當v與平面電磁波波前傳播方向的單位矢量r的夾角為θ，v·r＝v cosθ，運動桿長度的測量值為L，令β＝v/cθ＝0運動桿相對靜止桿伸長L＝L0(1+β)；θ＝π運動桿相對靜止桿收縮L＝L0(1-β)；θ＝π/2的橫向運動不存在膨脹或收縮L＝L0。任意θ時L=(NB-NA)λ=L0(1+vcosθc)=L0(1+βcosθ)---(8)]]>用光波定義的時間單位τ測量鐘的周期T是計數T內經過的光波長λ的數目ΔN，T＝ΔNτ。鐘相對光源靜止時鐘1個周期T0內(1秒鐘)光通過鐘的光程為光速值c，通過鐘的波長的數目為ΔN＝c/λ。測得靜止鐘的周期為T0＝ΔNτ＝(c/λ)τ。
鐘沿著光源為原點的r方向以速度v相對光源運動時(θ＝0)，鐘相對光源的距離在1秒鐘內被拉長了v，光波通過鐘的光程變?yōu)閏+v。1秒鐘內光源發(fā)出的波長的數目仍為ΔN＝c/λ，通過鐘的波數ΔN(0)＜ΔNΔN(0)=ΔNcc+v=ΔN1+β]]>鐘逆向r方向以速度v相對光源運動時(θ＝π)時，鐘在1秒鐘內與光源距離縮短了v，光波通過鐘的光程變?yōu)閏-v。1秒鐘內光源發(fā)出的波長的數目仍為ΔN＝c/λ，通過鐘的波數ΔN(π)＞ΔNΔN(π)=ΔNcc-v=ΔN1-β]]>任意角度θ時(r方向以光源為原點)為ΔN(θ)=ΔN1+βcosθ]]>站在鐘上的觀察者看，r方向是以鐘為原點，r取了反方向使cosθ變符號
T=T01-βcosθ---(9)]]>式(9)中θ＝0(光源遠離鐘運動)鐘周期T增大使通過鐘的波數(光頻率)減小ΔN(0)＜ΔN；θ＝π(光源靠近鐘運動)鐘周期T減小使通過鐘的波數(光頻率)增大ΔN(π)＞ΔN，式(9)的倒數正是觀察者測得的光波頻率的一級多普勒頻移f=1T=1-βcosθT0=f0(1-βcosθ)---(10)]]>f0＝1/T0是v＝0時由波數(光波長λ或周期τ的個數)定義和測出的頻率。
愛因斯坦的相對同時是用往返的平均時間定義的，導致相對論中單向光速不可測量。羅侖茲坐標變換中的光速c是實測的往返平均的光速值，相對論的長度與時間也必須是往返的雙向平均值。因為相對論時空的基本方程是時間坐標t和空間坐標x、y、z的二次方程c2(Δt)2-〔(Δx)2+(Δy)2+(Δz)2〕＝0，與長度和時間的平方相關聯(lián)的是正、反向光速的乘積c2，故不能按一次方程的加法進行雙向平均，而必須取θ＝0與θ＝π兩次測量結果的乘積通過開方來求平均。
令γ＝(1-β2)1/2，由(8)式θ＝0，L(0)＝L0(1+β)；θ＝π，L(π)＝L0(1-β)L(0)L(π)＝L0(1+β)L0(1-β)
＝L02(1-β2)＝L02γ2＝(L0γ)2正、反向測量值乘積的平方根長度 L0為相對光源靜止時測得的長度，稱為本征長度，式(11)正是運動桿的斐茲杰惹-洛倫茲收縮。
由式(9)θ=0,T(0)=T011+β;]]>θ=π,T(π)=T011-β]]>T(0)T(π)=T02(1+β)(1-β)=T02(1-β2)=T02γ2]]> T0為相對光源靜止時測得的時間，稱為本征時間。 為正、反向測量值乘積的平方根時間。式(12)正是運動過程的時間膨脹，通常稱為鐘慢效應。
相對論的“尺縮”與“鐘慢”原來是由光波波長和周期正、反向測量值乘積的平方根結果。注意！因為取了正、反向兩次測量值乘積的平方根，羅侖茲變換的“尺縮”與“鐘慢”就沒有了方向性的限定。單方向測量的L＜L0尺“縮”和ΔN(π)＞ΔN鐘“慢”只在指向光源運動(θ＝π)時成立，順著光傳播方向運動(θ＝0)是尺“脹”和鐘“快”，而且是一級效應的“縮與脹”和“快與慢”。正、反向測量值乘積平方根使一級效應的“縮與脹”相消、“快與慢”相抵，只剩下無方向性的二級效應的相對論“尺縮”與“鐘慢”。
式(10)表示的一級多普勒頻移的基礎上，加上式(12)表示的二級效應的“時間膨脹”的頻移則為相對論的多普勒頻移。式(10)中頻率f0是由光波周期τ定義的，f0不含相對論“時間膨脹”效應，乘積平方根頻率 抵消掉了一級多普勒頻移又出現了“時間膨脹”因子γ，正是相對論時問的本征頻率v0＝f＝γf0v(0)＝f(0)＝f0(1-β)＝v0(1-β)γ-1＝v0(1-β)1/2(1+β)-1/2v(π)＝f(π)＝f0(1+β)＝v0(1+β)γ-1＝v0(1+β)1/2(1-β)-1/2直接檢驗羅侖茲變換的方法是在桿(或鐘)相對光源正、反向運動時各測量一次多普勒頻移，就得到尺縮(或鐘慢)因子γ?？勺尮庠磳嶒炇异o止，測量裝置(包括計數器、桿或鐘)對實驗室運動；也可讓測量裝置對實驗室靜止，光源對實驗室運動。
自然界本來只存在相對運動的一級多普勒效應，但由于相對論不能測單向光速c，就把彼此靠近時鐘快與彼此遠離時鐘慢相乘，結果為鐘的快慢隨v2/c2變化。實際的運動不可能同時既相互靠近又相互遠離，尺縮和鐘慢因子γ不是真實存在的，只是數據處理的結果。
雙生子佯謬中雙生子乘火箭彼此遠離與相互靠近是先后發(fā)生的事，先彼此看到對方的鐘變慢而更“年輕”，后彼此看到對方的鐘變快而更“年老”，火箭停下來后兩人的鐘又相同了，就既不更“年輕”也不更“年老”，雙生子佯謬根本就不存在。
半衰期是大量粒子的統(tǒng)計測量結果，是取正方向與反方向的測量值相乘來抵消掉一次項，故只剩下二次項這個相對論的鐘慢效應，它能正確解釋運動μ介子的半衰期(“壽命”)延長。
3由測量過程的多普勒效應導出測不準關系由式(8)桿的長度平方(r以光源為原點)L2＝L02(1+βcosθ)2＝L02(1+2βcosθ+β2cos2θ)θ＝0時(桿沿著r運動)的測量結果為L2(0)＝L02(1+2β+β2)θ＝π時(桿逆向r運動)的測量結果為L2(π)＝L02(1-2β+β2)正方向(θ＝0)與反方向(θ＝π)測量結果的平方差為L2(0)-L2(π)＝L024βΔL＝〔L2(0)-L2(π)〕1/2＝(L024β)1/2＝2L0β1/2式(10)的光波頻率平方(r以鐘為原點)f2＝f02(1-βcosθ)2＝f02(1-2βcosθ+β2cos2θ)θ＝0時(光源沿著r運動)的測量結果為f2(0)＝f02(1-2β+β2)θ＝π時(光源逆向r運動)的測量結果為f2(π)＝f02(1+2β+β2)正方向(θ＝0)與反方向(θ＝π)測量結果的平方之差為f2(0)-f2(π)＝-f024βΔf＝〔f2(0)-f2(π)〕1/2＝(-f024β)1/2＝i2f0β1/2
ΔL·Δf＝i4L0f0β (13)用光波波長λ定義的長度單位來測量桿的長度時，無法將光波長與桿固定來保持相對靜止。只有通過正、反向兩次測量，若得出相同的結果，則由式(8)可判斷桿相對光源是靜止的。當微觀粒子至原點o的距離x表示式(8)的桿長L，在原點o和粒子上分別設置計數器A和B，就可測量粒子的位置x。由于不容易控制粒子的運動，就讓光源反轉方向來進行兩次測量。跟隨粒子運動的鐘計數1秒鐘通過鐘的光的波長數N，為式(10)的光波頻率f，f0為靜止鐘(v＝0)測得的光波頻率。0到π積分cosθ取平均值為∫cosθ/π＝2/π，由式(10)可得頻移絕對值|Δf|與速度變化絕對值|Δv|之間的關系|Δf|=f0|Δv|c(∫cosθ)π=f02|Δv|πc]]>|Δv|=πc|Δf|2f0---(14)]]>式(13)L0用x0、ΔL用Δx、Δf用Δv取代后取絕對值，由式(14)有|Δx|·|Δv|2f0＝4x0f0βπc＝4πx0f0v|Δx|·|Δv|＝2πx0βc＝2πx0v|Δx|·|Δmv|＝2πx0mv|Δx|·|Δp|＝2πx0p (15)粒子與CMB(宇宙微波背景輻射)光子p0每碰撞一次，粒子的運動速度v就要改變一次。當ζ為CMB光子的平均間距，則兩次碰撞的時間間隔Δt＝ζ/v。取代本征長度L0的本征距離x0是兩次碰撞之間粒子的位移值，x0的原點o必需每次碰撞后重新設定到新位置。Δv為每次碰撞引起的粒子的速度變化，則x0＝ΔvΔt。每次碰撞粒子的動量變化Δp正是一個CMB光子的平均動量p0，有x0=ζΔvv=ζΔmvmv=ζΔpp=ζp0p---(16)]]>|Δx|·|Δp|＝2πx0p＝2πp0ζCMB光子的平均能量為ε0＝kT＝1.38×10-16erg K-1×2.7K＝3.726×10-16ergCMB光子的平均動量為p0＝μc＝kTc-1＝3.726×10-16erg c-1＝1.242×10-26g cm s-1地球上空觀測到的CMB光子的數密度平均約為200個/cm3。即每cm長度平均約有5.9個光子，粒子與CMB光子碰撞的平均自由程ζ約為0.17cm?？紤]到與CMB光子動態(tài)熱平衡的真空漲落虛光子(也具有平均能量ε0和動量p0)也會與粒子發(fā)生碰撞，但是虛光子的數密度比CMB光子的數密度大得多(虛光子對粒子碰撞的作用力正是Casimir壓力)，碰撞數目多時出現不平衡碰撞的幾率就大為減少。粒子與CMB光子的每次碰撞都可視為不平衡碰撞，因為反方向正好有另一光子也同時撞向粒子的幾率是罕見的。虛光子與實光子的動態(tài)熱平衡中，大量的虛光子的作用自我抵消掉了，只是極少量的未抵消的“偶發(fā)”虛光子的動量與實光子的動量力學相平衡。因此可以認為虛光子與粒子不平衡碰撞的自由程ζ跟CMB光子與粒子碰撞的自由程ζ是相等的，宇宙空間中粒子平均自由程就為0.17cm/2＝0.085cm。由于抽真空抽不掉CMB光子，在實驗室的真空室中粒子的平均自由程仍為0.085cm。粒子受到真空的作用量p0ζ為p0ζ＝1.242×10-26g cm s-1·0.085cm＝1.0557×10-27erg·sp0ζ與普朗克常數 量綱相同且數值很接近，這是很耐人尋味的。認為量子效應來自真空對粒子的作用，則真空對粒子的作用量p0ζ正是普朗克常數 或寫成對易關系，當I為單位矩陣有 由此可見，測不準關系的本質是測量的多普勒效應，波粒二象性的原因是CMB光子和真空漲落虛光子對粒子的碰撞。
v隨機變化的原因是無規(guī)則運動的CMB光子和虛光子從四面八方撞擊質點時，亞不是每一瞬間的撞擊動量都能完全相互抵消掉，總會在某一時刻、某一方向有一個撞擊光子或虛光子的動量p0未被抵消，質點就獲得了速度v＝p0/m。質點的質量m愈大則v愈小。質點為宏觀物體時v小到可忽略不計。質點為微觀粒子時v大到足以產生多普勒效應影響測量的結果。由于v的方向是隨機變化的，光速值c有限又導致測量粒子的位置x的過程至少要經歷光從原點o傳遞到粒子位置的時間，粒子的位置和速度就真的無法測準確了。若光速c無限大則無論粒子運動與否，正、反向兩次測量位置x的過程中粒子還來不及移動位置，一瞬間測量就完成了，正、反向測量的結果就是一樣的。x兩次測量值的乘積平方根與v無關了，羅侖茲變換就退回到伽利略變換。平方值之差開方與v無關了，對應于x0＝0和|Δx|·|Δp|＝0，量子效應就消失了。所以，羅侖茲變換和測不準關系都是光速值c有限所致，當光速c為無限大就都會回到經典力學。
結論當光波的波長λ和周期τ作為測量的標準尺和標準鐘，只有在標準與被測之間的相對速度v確定的情況下才有準確的測量結果。v不為零時雙向測量結果的平方根值(乘積再開方)對應于狹義相對論的羅侖茲變換；v隨機變化時雙向測量結果的平方差根值(平方之差再開方)對應于量子力學的測不準關系，波粒二象性的原因是CMB光子和真空漲落虛光子碰撞粒子；v＝0(或v≠0但c＝∞)的測量結果對應于相對論效應和量子效應都消失了的經典力學。


附圖是本發(fā)明的方法與裝置的原理圖。電磁波源S發(fā)射出的待測電磁波束被分束器D分成兩束，一束射向時鐘CL與計數器C組成的頻率-周期測量系統(tǒng)，測出電磁波的頻率v。另一束射向測量桿R和兩個結構相同的計數器CA、CB組成的單向波長測量系統(tǒng)，測出電磁波的單向波長λ。頻率v與單向波長λ的乘積就是單向光速c。計數器CA和CB的輸入端設置有結構相同的傳感器SA和SB，與測量桿R兩個端面齊平的光反射點A、B(A、B點在端平面內且A B線平行于桿R)至SA、SB的距離安置得滿足r(A→SA)＝r(B→SB)。SA和SB既可將接收到的電磁波電場強度的波峰與波谷的周期變化轉變成電流信號的周期變化由CA和CB計數；又可將接收到的“關閉計數”脈沖轉變成電流信號脈沖來關閉計數器CA和CB的計數，卻不關斷計數器的電源。所說的“關閉計數”的脈沖，可以是與待測電磁波束傳播路徑相同的另一束獨立的電磁波脈沖。但由于傳播路徑相同難以保證，最好是將“關閉計數”的脈沖調制在待測電磁波束上。用與電磁波源S電氣相連接的調制器M可將“關閉計數”脈沖調制在待測電磁波束上。所說的“關閉計數”脈沖，單次測量時是調制在連續(xù)電磁波束的終端，多次重復測量時是每隔一段時間調制出一個脈沖。最簡單的調制方法是終止或阻斷待測電磁波的發(fā)送，使之成為一段時間或一段隔一段時間的持續(xù)連續(xù)波，送完了一段連續(xù)波后計數器自然地停止了計數，也就自動地關閉了計數。計數器CA和CB的輸入端設置有結構相同的“啟動計數”觸發(fā)器TA和TB，TA和TB分別用傳輸延時為tGA和tGB的傳輸線連接到“啟動計數”脈沖發(fā)生器G。由G發(fā)出脈沖啟動CA、CB開始計數，CA和CB的計數值NA和NB用傳輸延時值分別為TAP和TBP的導線連接到電腦P進行減法運算后實時顯示出讀數K。
具體實施例方式
1、測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，由平面電磁波源、鐘、計數器和測量桿等部件組成，其特征在于平面電磁波源發(fā)射出的電磁波束被分束器分成兩束，一束射向由鐘CL和計數器C組成的頻率-周期測量系統(tǒng)CL-C，CL-C系統(tǒng)對電磁波源在兩者的連線上的相對速度分別為0、+v、-v時，測量以鐘為時間基準的電磁波的頻率f或以電磁波周期為時間基準的鐘的周期T；另一束射向由測量桿R和兩個結構相同的計數器CA、CB組成的單向波長測量系統(tǒng)R-CA-CB，測量桿R沿電磁波傳播方向相對電磁波源的速度分別為0、+v、-v時，計數出測量桿R的兩端面之間的單向電磁波波長的數目N，由己知測量杵R的靜止長度L0求出電磁波從A至B的單向波長λ＝L0/N，或由己知的電磁波的波長λ求出測量杵R的長度L＝Nλ。
2、根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于所說的鐘是定義時間單位的銫原子鐘，鐘相對電磁波源的速度為零時測得的電磁波的頻率為v0；所說的測量桿R的靜止長度L0經國際定義的長度單位“米”校準成為測量長度的標準，由測量桿相對電磁波源的速度為零時，計數得到測量桿的兩端面之間的波長的數目N，則單向波長值為λ0＝L0/N，單向波長λ0與頻率v0的乘積就是測得的電磁波單向傳播速度c。
3、根據權利要求2所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于測量裝置放入真空中進行測量，得到電磁波單向傳播的波長λ0與頻率v0的乘積為測得的真空中的電磁波單向傳播速度c。
4、根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于平面電磁波源發(fā)出的電磁波的周期τ經國際定義時間單位的銫原子鐘校準成為測量時間的標準，鐘沿著電磁波傳播方向相對電磁波源的速度分別為+v和-v時，測得以電磁波的周期τ為計量單位的鐘的周期分別為T(0)和T(π)，T(0)和T(π)乘積的平方根為羅侖茲變換的鐘慢效應
5、根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于平面電磁波的波長λ經國際定義長度單位的氪原子輻射的波長或碘穩(wěn)頻氦-氖激光的波長校準成為測量長度的標準，測量桿R沿著電磁波傳播方向相對電磁波源的速度分別為+v和-v時，測得以電磁波的波長λ為計量單位的測量桿R的長度分別為L(0)和L(π)，L(0)和L(π)乘積的平方根為羅侖茲變換的尺縮效應 6、根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于所說的計數器CA和CB的輸入端設置有結構相同的“啟動計數”觸發(fā)器TA和TB，TA和TB分別用傳輸延時為tGA和tGB的傳輸線連接到同一個“啟動計數”脈沖發(fā)生器G，由G發(fā)出脈沖啟動CA、CB開始計數，CA和CB的計數值NA和NB用傳輸延時值分別為TAP和TBP的導線連接到電腦P進行減法運算后實時顯示出讀數K；所說的計數器CA和CB的輸入端還設置有結構相同的傳感器SA和SB，與測量桿R兩個端面齊平的光反射點A、B至傳感器SA、SB的距離設置為r(A→SA)＝r(B→SB)，SA和SB既可將接收到的電磁波電場強度的波峰與波谷的周期變化轉變成電流信號的周期變化由CA和CB計數，又可將接收到的由調制器M調制在電磁波上的“關閉計數”脈沖轉變成電流信號脈沖來關閉計數器CA和CB的計數，卻不關斷計數器的電源，時序安排使頻率f的連續(xù)電磁波已經傳播到了計數器CA和CB的傳感器SA和SB之后G才發(fā)出脈沖啟動CA、CB開始計數，在CA、CB穩(wěn)定計數一段時間之后調制器M才在電磁波上調制出“關閉計數”脈沖，“關閉計數”脈沖先后到達傳感器SA和SB時關閉計數器的計數使輸出的計數值NA和NB不再變化，延時TAP和TBP之后電腦P收到的數據也不再變化並顯示出不變的讀數K，K減去f(tGA-tGB)和f(TAP-TBP)就得到測量桿R兩端面之間的波長的數目N。
7、根據權利要求6所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于兩計數器CA和CB都在計數時由啟動時間差(tGA-tGB)引起的計數差為NB-NA＝f(tGA-tGB)，計數器CA、CB與電腦P的連接導線的延時值差(TAP-TBP)所產生的電腦附加讀數為f(TAP-TBP)，兩計數器CA和CB都在計數時，穩(wěn)定的電腦讀數為K1＝f(tGA-tGB)+f(TAP-TBP)，將兩導線互換連接位置后所產生的電腦附加讀數反轉正負符號，兩計數器CA和CB都在計數時，穩(wěn)定的電腦讀數為K2＝f(tGA-tGB)-f(TAP-TBP)，當兩計數器先后都被調制在電磁波上的“關閉計數”脈沖觸發(fā)停止了計數后，最終不變的讀數為K3，則測量桿R的兩端面之間的波長的數目為N=K3-f(tGA-tGB)=K3-K1+K22.]]>8、根據權利要求6所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于所說的連接“啟動計數”脈沖發(fā)生器G與“啟動計數”觸發(fā)器TA、TB的傳輸線的延時值tGA和tGB滿足tGA＝tGB，相等延時的傳輸線是用光學各向異性的固態(tài)晶體或液態(tài)晶體制作的，根據晶體尋常光o與非常光e的速度vo與ve的不同，在終端用單鐘測量o光與e光到達時間之差，再由已測出的晶體的o光與e光的折射率參數求出起始點光的發(fā)出時間，就分別得到傳輸線的o光與e光的延時值，由此挑選出兩根傳輸線保證其延時值相等；當“關閉計數”脈沖先后到達傳感器SA和SB關閉了計數器的計數，計數值NA和NB不再變化並存貯在計數器的顯示屏上，直接抄彔計數值NA和NB手算得出測量桿R的兩端面之間的波長數目為N＝NB-NA。
9、根據權利要求6所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于兩計數器CA和CB的輸入端設置的“啟動計數”觸發(fā)器TA和TB是由超聲波啟動的聲電開關，“啟動計數”脈沖發(fā)生器G是超聲脈沖發(fā)生器，連接G與TA、TB的傳輸線是超聲傳輸線，根據超聲傳輸線縱波、橫波聲速的不同，在終端用單鐘測量縱波與橫波到達時間之差，再由已知的超聲傳輸線材料的體積彈性模量k和切變彈性模量n的比值k/n求出始端超聲發(fā)射的時間，就分別得到傳輸線的縱波與橫波延時值，由此挑選出兩根超聲傳輸線保證其延時值tGA和tGB滿足tGA＝tGB；當“關閉計數”脈沖先后到達傳感器SA和SB關閉了計數器的計數，計數值NA和NB不再變化並存貯在計數器的顯示屏上，直接抄彔計數值NA和NB手算得出測量桿R的兩端面之間的波長數目為N＝NB-NA。
權利要求
1.測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，由平面電磁波源、鐘、計數器和測量桿等部件組成，其特征在于平面電磁波源發(fā)射出的電磁波束被分束器分成兩束，一束射向由鐘CL和計數器C組成的頻率-周期測量系統(tǒng)CL-C，CL-C系統(tǒng)對電磁波源在兩者的連線上的相對速度分別為0、+v、-v時，測量以鐘為時間基準的電磁波的頻率f或以電磁波周期為時間基準的鐘的周期T；另一束射向由測量桿R和兩個結構相同的計數器CA、CB組成的單向波長測量系統(tǒng)R-CA-CB，測量桿R沿電磁波傳播方向相對電磁波源的速度分別為0、+v、-v時，計數出測量桿R的兩端面之間的單向電磁波波長的數目N，由已知測量杵R的靜止長度L0求出電磁波從A至B的單向波長λ＝L0/N，或由已知的電磁波的波長λ求出測量杵R的長度L＝Nλ。
2.根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于所說的鐘是定義時間單位的銫原子鐘，鐘相對電磁波源的速度為零時測得的電磁波的頻率為v0；所說的測量桿R的靜止長度L0經國際定義的長度單位“米”校準成為測量長度的標準，由測量桿相對電磁波源的速度為零時，計數得到測量桿的兩端面之間的波長的數目N，則單向波長值為λ0＝L0/N，單向波長λ0與頻率v0的乘積就是測得的電磁波單向傳播速度c。
3.根據權利要求2所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于測量裝置放入真空中進行測量，得到電磁波單向傳播的波長λ0與頻率v0的乘積為測得的真空中的電磁波單向傳播速度c。
4.根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于平面電磁波源發(fā)出的電磁波的周期τ經國際定義時間單位的銫原子鐘校準成為測量時間的標準，鐘沿著電磁波傳播方向相對電磁波源的速度分別為+v和-v時，測得以電磁波的周期τ為計量單位的鐘的周期分別為T(0)和T(π)，T(0)和T(π)乘積的平方根為羅侖茲變換的鐘慢效應
5.根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于平面電磁波的波長λ經國際定義長度單位的氪原子輻射的波長或碘穩(wěn)頻氦-氖激光的波長校準成為測量長度的標準，測量桿R沿著電磁波傳播方向相對電磁波源的速度分別為+v和-v時，測得以電磁波的波長λ為計量單位的測量桿R的長度分別為L(0)和L(π)，L(0)和L(π)乘積的平方根為羅侖茲變換的尺縮效應
6.根據權利要求1所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于所說的計數器CA和CB的輸入端設置有結構相同的“啟動計數”觸發(fā)器TA和TB，TA和TB分別用傳輸延時為tGA和tGB的傳輸線連接到同一個“啟動計數”脈沖發(fā)生器G，由G發(fā)出脈沖啟動CA、CB開始計數，CA和CB的計數值NA和NB用傳輸延時值分別為TAP和TBP的導線連接到電腦P進行減法運算后實時顯示出讀數K；所說的計數器CA和CB的輸入端還設置有結構相同的傳感器SA和SB，與測量桿R兩個端面齊平的光反射點A、B至傳感器SA、SB的距離設置為r(A→SA)＝r(B→SB)，SA和SB既可將接收到的電磁波電場強度的波峰與波谷的周期變化轉變成電流信號的周期變化由CA和CB計數，又可將接收到的由調制器M調制在電磁波上的“關閉計數”脈沖轉變成電流信號脈沖來關閉計數器CA和CB的計數，卻不關斷計數器的電源，時序安排使頻率f的連續(xù)電磁波已經傳播到了計數器CA和CB的傳感器SA和SB之后G才發(fā)出脈沖啟動CA、CB開始計數，在CA、CB穩(wěn)定計數一段時間之后調制器M才在電磁波上調制出“關閉計數”脈沖，“關閉計數”脈沖先后到達傳感器SA和SB時關閉計數器的計數使輸出的計數值NA和NB不再變化，延時TAP和TBP之后電腦P收到的數據也不再變化並顯示出不變的讀數K，K減去f(tGA-tGB)和f(TAP-TBP)就得到測量桿R兩端面之間的波長的數目N。
7.根據權利要求6所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于兩計數器CA和CB都在計數時由啟動時間差(tGA-tGB)引起的計數差為NB-NA＝f(tGA-tGB)，計數器CA、CB與電腦P的連接導線的延時值差(TAP-TBP)所產生的電腦附加讀數為f(TAP-TBP)，兩計數器CA和CB都在計數時，穩(wěn)定的電腦讀數為K1＝f(tGA-tGB)+f(TAP-TBP)，將兩導線互換連接位置后所產生的電腦附加讀數反轉正負符號，兩計數器CA和CB都在計數時，穩(wěn)定的電腦讀數為K2＝f(tGA-tGB)-f(TAP-TBP)，當兩計數器先后都被調制在電磁波上的“關閉計數”脈沖觸發(fā)停止了計數后，最終不變的讀數為K3，則測量桿R的兩端面之間的波長的數目為N=K3-f(tGA-tGB)=K3-K1+K22.]]>
8.根據權利要求6所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于所說的連接“啟動計數”脈沖發(fā)生器G與“啟動計數”觸發(fā)器TA、TB的傳輸線的延時值tGA和tGB滿足tGA＝tGB，相等延時的傳輸線是用光學各向異性的固態(tài)晶體或液態(tài)晶體制作的，根據晶體尋常光o與非常光e的速度vo與ve的不同，在終端用單鐘測量o光與e光到達時間之差，再由已測出的晶體的o光與e光的折射率參數求出起始點光的發(fā)出時間，就分別得到傳輸線的o光與e光的延時值，由此挑選出兩根傳輸線保證其延時值相等；當“關閉計數”脈沖先后到達傳感器SA和SB關閉了計數器的計數，計數值NA和NB不再變化並存貯在計數器的顯示屏上，直接抄錄計數值NA和NB手算得出測量桿R的兩端面之間的波長數目為N＝NB-NA。
9.根據權利要求6所述的測量電磁波單向傳播速度和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，其特征在于兩計數器CA和CB的輸入端設置的“啟動計數”觸發(fā)器TA和TB是由超聲波啟動的聲電開關，“啟動計數”脈沖發(fā)生器G是超聲脈沖發(fā)生器，連接G與TA、TB的傳輸線是超聲傳輸線，根據超聲傳輸線縱波、橫波聲速的不同，在終端用單鐘測量縱波與橫波到達時間之差，再由已知的超聲傳輸線材料的體積彈性模量k和切變彈性模量n的比值k/n求出始端超聲發(fā)射的時間，就分別得到傳輸線的縱波與橫波延時值，由此挑選出兩根超聲傳輸線保證其延時值tGA和tGB滿足tGA＝tGB；當“關閉計數”脈沖先后到達傳感器SA和SB關閉了計數器的計數，計數值NA和NB不再變化並存貯在計數器的顯示屏上，直接抄錄計數值NA和NB手算得出測量桿R的兩端面之間的波長數目為N＝NB-NA。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測量單向光速和檢驗羅侖茲變換的方法與裝置，它涉及電磁波測量技術領域，研究了兩種同步異地鐘的方法在單端用單鐘校準異地同時的雙速傳輸線法和電腦實時運算的等效同時法。同時設計了一個實驗室的測量裝置可用來①直接測量出單向光速；②由多普勒效應的測量直接檢驗羅侖茲變換的尺縮與鐘慢效應；③將多普勒效應的測量應用于微觀粒子導出測不準關系。在實驗室中直接測量出了單向光速并對光速不變原理驗、羅侖茲變換和測不準關系進行了驗證，狹義相對論和量子力學就完全建立在實驗測量的基礎上了。這不僅可改進GPS定位技術和飛船導航技術，而且必將成為二十一世紀新技術的生長點。
文檔編號G01B11/02GK101059373SQ20071008995
公開日2007年10月24日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權日2007年3月23日
發(fā)明者陳紹光, 陳斌, 陳賦 申請人:陳紹光, 陳斌, 陳賦