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从声波运动规律研讨电磁波的运动规律

时间:2019-10-04 来源:巧手精品推荐

                作者:彭晓韬

             日期:2016年03月28日

[文章摘要]:人们对声波在空气、液体、固体物质(包括地壳)中的运动规律有较全面的了解与认识,这些知识可能对研究电磁波的运动规律有重要的参考意义。本文试图从此方面作些探讨,并得出一个有意思的结论:电磁波的运动速度很可能只相对产生或传递电磁波的介质中的原子核的运动速度恒定。而与介质存在相对运动的物体间的运动速度符合经典物理学中的速度叠加原理。这一结论可解决相对论光速不变原理所存在的缺陷,也能很好地解释为什么不能用干涉仪检测到光速变化的效应。同时,设计出了验证光速是否恒定不变的可行方法。供相关爱好者参考。

一、声波的运动规律及对电磁波运动规律的类比性假设

声波在空气和液体中只能以纵波的形式传递能量;在固体物质中则可以以纵波和横波的形式传递能量;在两种介质分界面则还可以以面波的形式传递能量。在不同介质、不同压力和不同温度条件下,声波的传递速度也不相同。同时,在不同介质的分界面上,声波会产生反射波和透射波,也会发生传递速度的突变。

声波在空气中的传递速度一般在330~370m/s,而人类目前制造的飞行器在空气中的飞行速度可达5倍音速,也就是1650~1850m/s,其速度远远超过声波在空气中的传递速度。虽然人造飞行器可以数倍声速飞行,但其产生的声波仍只能以每秒300多米的速度在空气中传递。而当人们在其他相对与空气有一定运动速度的运动物体中观测声波时,其运动速度则符合经典物理学的速度叠加原理。因此,我们可以类比声波在空气中的传递规律对电磁波的运动规律作如下假设:

1、电磁波是由于电子相对于原子核的运动状态的改变而导致原子外部电磁场的变化所形成的一类波(也就是说:在电子相对于原子核的运动状态不变时,不产生电磁波)。因此,当我们认定电场或磁场均是以光速C运动时,则电磁波也是以相对与产生电磁波的原子核以光速C运动;

2、当人们相对与产生电磁波的原子核静止或运动速度较小时,基本上可以认定电磁波的速度为光速C;但人们相对与产生电磁波的原子核的运动速度较大时,可能就不能忽略由此导致对电磁波速度的影响了。也就是说:当人们相对与产生电磁波的原子核运动时,测得的电磁波速度应该类似于在空气中运动时测量声波速度一样,符合速度叠加原理。

3、电磁波在传递过程中,与产生电磁波的物体运动状态无关(就像超音速运动的飞行物产生的声波速度与飞行物的飞行速度无关一样),只与传递介质有关。也就是说:在特定介质中的电磁波传递速度仅与该介质的性质有关。如:在空气中的速度基本接近在真空中的传递速度,但仍与空气的温度与压力有关;在玻璃等光导材料中的传递速度则远低于在空气中的传递速度。但当电磁波从玻璃等光导材料中再次进入空气中后,又立即恢复到在空气中的传递速度。这是与粒子的运动规律完全不同的地方(按照能量和动量守恒原理,粒子不可能在两类物质的交界面突然增速)。因此,电磁波虽然在某些条件下似乎有类似于粒子的特征,但绝对不可能是粒子。如下图示:

从声波运动规律研讨电磁波的运动规律

按照几何光学绘制的上图中可以清楚地发现:在平板玻璃折射率为1.6时,电磁波在玻璃内的运动速度应为(C/1.6),其频率更是下降为(v/1.62)。也就是说:透射波的频率和运动速度都比在空气中的小。按量子力学计算的电磁波能量=hv=mC2或动量=hv/C=mC,则在透射过程中也不符合能量和动量守衡定律。为了满足能量守恒定律,我们必须假定在玻璃内的电磁波质量m为空气中的1.62倍或频率不发生变化。而在玻璃的另一侧,透射波射出玻璃后的出射波的频率又恢复为入射时的频率了。这一过程也不符合能量与动量守恒定律。

如果电磁波是粒子的话,入射波变为透射波过程中,粒子的速度由于玻璃密度大于空气,使其速度降低是可以理解的,但这类速度降低应该随运动距离的增加而变得越来越低,而不应仅仅在两种不同介质的界面处发生速度突变后,在介质内部速度又保持恒定。特别是由透射波变为出射波的过程中,速度已经降低的粒子为什么一下子又提高到原来入射时的速度了呢?又有哪种力量能使其瞬间加速到光速的呢?

二、电磁波可能的运动规律分析

1、绝对惯性系(簇)存在的可能性

从声波运动规律研讨电磁波的运动规律

上图为一单侧(左侧)悬挂的高速旋转的陀螺,我们假设陀螺的质量为M,质心位于陀螺的中间,则右侧应该存在某种向上的力量(Mg/2)才能使其平稳地悬吊在空中。这种力一般都认为是由于陀螺高速旋转产生的保持其运动状态的力矩的分量。

从声波运动规律研讨电磁波的运动规律

上图为假设位于赤道上的、在0点时刻为水平悬吊状态的陀螺在一天不同时刻的状态示意图。也就是说:只要能长时间保持足够快的旋转速度,在0时刻处于指向朝右水平悬吊状态的陀螺,在6时会处于指向朝上的悬吊状态,而到中午12时会处于指向朝左的悬吊状态,在18时会处于指向朝下的悬吊状态。他的指向不因地球的自转而变化,始终指向天空中某一特定的方向。因此人们很早就在航海中利用陀螺的这种特性进行定向。

那么我们要问:陀螺保持的指向到底是在哪个惯性系中保持不变的呢?是太阳、还是银河系,或者是更高级别的所谓本星系等?这个惯性系为什么会这么特别呢?如果此惯性系即不是太阳、也不是银河系和本星系,那么,我们基本上可以肯定地说:能让陀螺所指方向始终不变的惯性系应该是一种特别的惯性系,相对此惯性系无旋转量的惯性系都应具备此类性质

人造卫星中的地球同步卫星,即所谓静止卫星是指相对地球表面是静止不动的。在地球表面上的人来观测,它不符合经典物理规律。在经典物理中,空中静止的物体受地球的引力会产生自由落体运动。只有以太阳为参照系时,才能发现地球每24小时自转一周,而静止卫星也围绕地球转一周。因此,计算卫星受到的地球引力以及围绕地球飞行的离心力都应以太阳作为参照系,而不能以地球作为参照系。但我们知道,卫星实际上受到地球的引力远强于太阳,因此对卫星的运动规律的影响也应远大于太阳。但为什么不能以地球作为参照系来衡量卫星的运动规律呢?我们知道:地球在宇宙空间中的运动规律主要受到太阳的影响,而太阳的运动规律又受到银河系的影响,银河系的运动规律受到本星系的影响,......。那么,宇宙中应该存在一种或一类惯性系,对研究宇宙中任何天体的运动规律都适用。这一惯性系应该就是上面讲到的高速旋转的陀螺所始终指定的方向作为一数轴,再用与其正交的另外两个数轴所构成的三维坐标系或与其作无旋转的平直、匀速运动的坐标系。这类坐标系或称作惯性系应该归类为绝对参照系簇(由一系列相对作匀速直线运动的坐标系构成)。我们可以把这类参照系当作绝对惯性系用来衡量天体的运动规律。

2、电磁波的产生和传递

从下图中我们可以清晰地发现:原子产生或传递电磁波的过程就是电子围绕原子核运动状态改变的过程。在此过程中,由于电子的跃迁,导致原来位于原子外部空间的电场强度为0的状态改变。也就是说:在电子被激发以前和激发后以及释放出能量后,原子外部空间的电场强度均为0,但在电子跃迁过程中,原子外部空间的电场强度会随着跃迁电子空间位置的变化而变化,这种变化的直接后果就是向原子的外部空间发出或传递电磁波。

还有一种可能性,就是在原子吸收电磁波时,也就是下图中电子激发过程中也应该存在电磁波的发出,也可能就是电磁波反射形成的过程。由于此过程存在先吸收,再发射的过程,因此会出现半波损失的现象。

从声波运动规律研讨电磁波的运动规律

如果我们以上的分析正确的话,则可以这样认为:电磁波通过介质的传递与在真空中的传递是不同的在真空中传递时,仅与发射或最后一棒传递电磁波的介质有关。而在介质中的传递过程中,是由于介质中的原子中的电子因外来电磁波的扰动导致电子跃迁过程中,原子的外部空间电场发生变化形成的。在此过程中,电磁波可能发生吸收、反射、折射,甚至转换作用(即频率与相位均发生变化,就像我们日常看到的一样,日光照射在树叶上会反射出绿色光,照射在花朵上会反射出鲜花的迷人色彩,这个过程中应当存在电磁波的转换,即植物将照射在其上的电磁波转换成了不同频率的电磁波,与入射的电磁波频率完全不同)。同时,其反射或透射再出射到空气中的电磁波运动速度与原子受其他作用自发的电磁波一样,仅相对于原子核速度恒定,与入射的电磁波速度无关。其理由是:电子跃迁过程中打破了原子原来的电场分布,这种分布的改变只与原子核的电场向外部传递的速度有关,与使电子跃迁的外来电磁波速度无关。这就是我们上面讲到的:介质反射出的电磁波的速度相对于介质中反射电磁波的原子核速度是恒定的当测量装置相对该原子核运动时,则测得的电磁波运动速度应满足速度叠加原理

三、利用电磁波运动规律对现有观测试验结果的解释

我们利用上述假设对迈克尔逊-莫雷实验进行分析:

从声波运动规律研讨电磁波的运动规律

如上图示:光源发出的光照射到分光镜上分成二路,一路透射(实际上应该有两个过程,先透射到分光镜内部,再从分光镜出射)到反光镜M1,另一路反射到反光镜M2。在此过程中,分光镜的反射与透射都是通过分光镜完成的。那么按照我们上面的描述,自分光镜反射或透射后的光波速度对于分光镜是恒定的,与入射光的速度无关。那么上图中后续的计算就完全是错误的。因此,本实验观测不到干涉条纹的变化是当然的事情。

实际上,在上图中应该增加一个三棱分光镜,也就是用来选择本实验中所需的特定频率的光源的装置。在此过程中,三棱镜已经把入射光波变为相对三棱分光镜作恒速运动的光波了。后续的分光镜和反光镜与该三棱镜是相对静止的,因此在整个实验中,光波的速度不再发生变化了。

通过以上分析,我们可以得出:利用干涉仪在某一特定空间位置上检测光速的变化是不可行的。要测量光的速度是否与发光光源的运动有关,只能采取其他方法。如直接测量静止与运动光源发出的光在特定距离间的时差变化。如果距离足够大,完全可以判定光速与光源的运动速度到底是否有关系。

四、对相对论光速不变原理的质疑

我们假设在一列以速度V运动的高铁上对地面上的光源发出的光进行速度测量,如下图示:

从声波运动规律研讨电磁波的运动规律

我们假设这辆列车以速度V匀速从左向右通过一个小车站,靠近铁道旁的车站站台上有一每秒发光一次的灯不停地发出脉冲光波,在车厢内等间距放置三台记录仪(图中1、2、3的位置上)记录光脉冲到达的时刻,记录仪间距L。同时在站台地面上位于灯柱处和两侧间隔L处也设置三台与列车上相同精度的记录仪(图中A、B、C的位置上)。并假设光波在空气中的传递速度为C。那么我们来分析理论上的地面与列车上各台记录仪记录到灯光脉冲的时刻情况。

1、以地面站台作为参照系的情况下

1.1、经典物理学理论基础上

1.1.1、地面上各观测装置记录到的时间

假设时间为T0=0时刻,位于B点上的灯光发出一个脉冲,此脉冲到达各点的时刻分号记为TA、TB、TC,则有:

TB=0/C=0

TA=TC=L/C

1.1.2、列车上各观测装置记录到的时间

假设时间T0=0时刻,2号列车记录仪正好位于灯柱处,则从地面惯性系来分析,灯光到达列车各记录仪的时刻为:

T2=0/C=0

T1=L/(C+V)

T3=L/(C-V)

1.2、相对论物理学理论基础上

1.2.1、地面上各观测装置记录到的时间

由于观测装置与灯无相对运动,在此情况下,与上述的经典物理学情况一致。

1.2.2、列车上各观测装置记录到的时间

由于观测装置与灯存在相对运动,则观测装置所在参照系的时间与空间都按相对论的结论作修正。即观测装置所在参照系(也就是行驶中的列车上)的时间变慢,沿列车运动方向的尺规变短,变化率为:f=(1-(V/C)21/2

T2=0/C=0

T1=fL/(C+V)

T3=fL/(C-V)

2、以行驶的列车作为参照系的情况下

2.1、经典物理学理论基础上

2.1.1、列车上各观测装置记录到的时间

与上述以地面为参照系相同。

2.1.2、地面上各观测装置记录到的时间

与上述以地面为参照系相同。

2.2、相对论物理学理论基础上

2.2.1、列车上各观测装置记录到的时间

T2=0/C=0

T1=T3=L/C

2.2.2、地面上各观测装置记录到的时间

TB=0/C=0

TA=TC=fL/C

3、从以上分析可以发现:根据经典物理学理论,在地面上预测列车上1号和3号位置上的记录仪的时间与在列车上预测是一致的,即:T1与T3存在时差,就是在地面上按相对论理论对其进行校正,T1与T3仍存在时差;但利用相对论理论的预测结果则不同,在地面上T1与T3存在时差,但在列车上就不存在时差了。

那么,客观上到底列车上1号和3号位置上的计时器是像相对论认为那样,在地面认为不相等,而在列车上就相等了呢?还是像经典物理学认为的存在差别呢?这两种预测方式的三种结论只能有一个是正确的。

4、从天文观测可知,电磁波发生源与测量装置间存在相对运动时,观测到的电磁波的频率会发生变化。当电磁波发生源与测量装置相背运动时,电磁波的频率会降低,即出现所谓的红移;而当电磁波发生源与测量装置相向运动时,电磁波的频率会提高,即出现所谓的蓝移。而电磁波的速度等于其频率与波长的积,即:

C=γ*λ (式中:C为光速,γ为频率,λ为波长)

4.1、电磁波发生源与测量装置相背运动时,我们假设电磁波发生源发出的电磁波频率为γ0,而波长为λ0,测量装置与电磁波发生源间的相对运动速度为V,测量装置测得的频率为γ,波长为λ。则有:

△γ=γ0-γ>0

γ00=C>γ*λ0

为了保持光速恒定,则此时必要要求测量装置处的波长λ要大于λ0

4.2、电磁波发生源与测量装置相向运动时,则有:

△γ=γ0-γ<0

γ00=C<γ λ="λ">0

为了保持光速恒定,则此时必要要求测量装置处的波长λ要小于λ0

4.3、当我们回到上面的列车测量系统中来,也就是1号记录仪与灯相向运动,而3号记录仪与灯相背运动的情况下,如果为满足相对论光速恒定理论,则1号记录仪一侧的频率提高但波长应变短,而3号记录仪一侧的频率降低但波长应变长。

如果我们把灯光波长的一定倍数(如一百万倍)作为一把标准尺规,那么为了保证在列车上光速恒定,就会出现一个矛盾:在地面上两把分别向左、右方向运动的相等的尺规,在列车上必须是不相等的,而原因仅是因为测量装置相对光源的运动方向不同而已。但我们知道,经过一定的时间,1号记录仪也会运动到3号记录仪的一侧,我们总不能又要求1号记录仪不能用原来的尺规,必须用新的尺规吧。这样不是把尺规当成可随意伸缩的非规了吗?也就是说,在列车上的长度单位因地而异了。这当然不符合客观现实规律。

从以上分析可知,光速在任何参照系中都是恒定的假设是存在问题的。而本文所提出的观点就不会存在此类问题。

五、检验光速是否恒定的方法与实验方案

按照以上对经典物理学和相对论理论各种条件下记录仪记录时间的计算公式,可以设计出多种验证光速是否恒定的方法。首先我们再对以上计算方法进行回顾,并分析实验方法和实现途径:

1、地面上计算的列车上1号和3号记录仪的时间

1.1、经典物理学条件下

T1=L/(C+V)

T3=L/(C-V)

△T13= T3-T1=2LV/(C2-V2

1.2、相对论理论条件下

T1=fL/(C+V)

T3=fL/(C-V)

△T13=T3-T1=2fLV/(C2-V2

2、列车上计算的列车上1号和3号记录仪的时间

1.1、经典物理学条件下

T1=L/(C+V)

T3=L/(C-V)

△T13=T3-T1=2LV/(C2-V2

1.2、相对论理论条件下

T1=L/C

T3=L/C

△T13=T3-T1=0

3、从以上四种条件下的计算公式分析,影响列车上1号和3号记录仪所记录的时间的参数有光速C、列车运动速度V、光源发光时刻与记录仪间的距离L,以及相对论因子f。

在一般条件下,V远小于C,目前人造卫星的飞行速度一般在30公里/秒以内,仅为光速的万分之一以内。按30公里/秒计算,f=0.99999999995。因此,利用人造卫星分辨经典物理学与相对论计算结算到底哪一个正确的难度较大。

我们把V/(C2-V2)记为F(v),即:F(v)=V/(C2-V2

则V=30km/s时,F(30)=0.000000000333333336666667=3.333 ×10-10

要确保△T13达到目前人类的计时精度并削除测量误差,则一般需达到纳秒级,即10-9秒,则L必须达到10公里级。也就是说,如果用我们以上设想的列车来做实验,则即使是列车的运行速度达到30公里/秒(在地球上实现的机会不大),也需要使列车上的三台记录的间距达10公里以上(在地球上实现的难度也很大)。

通过以上分析,我们得到的结论是:在目前人类所掌握的技术条件下,利用人造飞行器进行光速是否恒定验证的难度很大。但随着人类计时技术的发展,当计时精度达到0.001纳秒级时,利用高铁进行验证将成为可能。

我们可以采用测量不同天体产生的电磁波(最好是脉冲星或光变星)来验证其速度是否恒定。具体设想是:

在两个距离在百公里级的天文台和其中点上各设置一台天体电磁波观测装置,并将接收的信息用相同的方式传递到此两天文台间的中点位置上的记录装置上,以形成一套类似于列车上的三个记录仪的测量系统。采用位于两天文台中点上的人造电磁波对该测量系统进行校准以消除因两个天文台的观测装置和信息传递过程中可能出现的延时。系统经校准后,再同时对准两天文台的延长线一侧的特定天体进行观测。

按照目前人类对宇宙的认知,宇宙中存在许多以高速远离地球的脉冲星或光变星,一般相对地球的视速度均在每秒百公里级以上。如果这种结论是正确的,则上述观测系统应该能通过对同一天体某一特定电磁波信号到达两天文台的时间差计算出该天体的电磁波传递速度是否恒定。如果通过对不同类型、不同距离的天体进行观测,所有天体的电磁波传递速度相同,则可证明相对论的光速不变原理是正确的。

按以上计算方法,假设天体相对地球的退行视速度为100公里/秒,则:

F(100)=0.00000000111111123456791=1.111×10-9

当两个天文台的间距为100公里,同一天体的同一电磁信息到达两天文台的时间差为:

经典物理条件下:T=100/(C-100)

相对论条件下:T=100/C

两种理论间存在的时间差:△T=T-T=100/(C-100)-100/C

=0.000000111148S=111.48 nS

以上计算结果表明:在光源相对测量系统的运动速度为100公里/秒、两测量点间距为100公里时,经典物理学与相对论条件下计算的时差在111纳秒左右,随着光源相对测量系统运动速度的提高或观测点间距的加大,时差也会随之加大。从现有对时间的测量精度而言,完全可以分辨出光速是否与光源的运动速度有关。