《超光速現(xiàn)象觀測》的實驗設(shè)計

范海坤

摘 要：本實驗設(shè)計以麥克斯韋方程組的正確解讀和光線在傳播過程中遇到原子的微觀描述為基礎(chǔ)，得出速度超越c（真空中的光速）的光線可以有的結(jié)論，并給出“超速”光線的觀測方案。預(yù)測的觀測結(jié)果將證偽愛因斯坦相對論的理論基礎(chǔ)假設(shè)：光速不變原理。

關(guān)鍵詞：超光速；觀測；實驗設(shè)計

1 實驗原理

1.1 對麥克斯韋方程組的正確解讀——光速相對不變原理

通過電動力學(xué)我們知道，電場與磁場相對運(yùn)動會產(chǎn)生電磁波，并向外輻射。電磁波的速度與電場或磁場的運(yùn)動速度無關(guān)。與其它物體的運(yùn)動速度無關(guān)。然而電磁波之所以會產(chǎn)生，電場與磁場缺一不可，亦即電場與磁場此時應(yīng)當(dāng)作為一個系統(tǒng)或說一個物體對待，其“靜止”參考系坐標(biāo)原點是電場與磁場交變的中心。則，對于麥克斯韋方程組的正確解讀——光速相對不變原理：光線以固定的速率c離開“靜止”物體。即真空中光線相對于光源的速率為c。

1.2 光線傳播的微觀描述

光子在前行的途中遇到物體表面的原子發(fā)生反射，或遇到介質(zhì)中的原子發(fā)生折射的過程分為：①不完全受激吸收。②不完全自發(fā)輻射。描述如下：

①不完全受激吸收。

光子遇到原子時，以原子為靜止參考系原點，入射光子的速度作矢量修正。原子吸收光子的能量，躍遷到“準(zhǔn)”高能級。稱為不完全受激吸收。準(zhǔn)高能級不穩(wěn)定，迅速進(jìn)入不完全自發(fā)輻射過程。此過程的時間間隔在宏觀上表現(xiàn)為光線在介質(zhì)中的傳播速度小于c。

②不完全自發(fā)輻射。

準(zhǔn)高能級原子躍回原來的能級，輻射出相對于自己速率為c的光子。此過程中原來的“快”光子的動能損失被原子獲得，宏觀表現(xiàn)為光壓?！奥惫庾拥膭幽軇t靠降低光子的頻率來補(bǔ)充，表現(xiàn)為紅移。原子“吸收-輻射”光子成為“新”光源，并表現(xiàn)出宏觀上的反射、折射規(guī)律。

1.3 光速相對不變原理的宏觀描述

真空中，“靜止”光源以速率c發(fā)射光線，相對于光源運(yùn)動的觀測者將觀測到不同的光速。相對于光源運(yùn)動的物體或介質(zhì)，反射或折射后的光線紅移，速率相對于物體或介質(zhì)為c。

光線在“靜止的”介質(zhì)中都是以確定的速度運(yùn)動，無論這道光線是由靜止的還是運(yùn)動的物體發(fā)射出來的。不同速率的光線在接觸介質(zhì)時迅速被“同化”。相對于介質(zhì)運(yùn)動的觀測者將觀測到不同的光速。

“相對于介質(zhì)運(yùn)動的觀測者將觀測到不同的光速?！边@句話反過來以觀測者為靜止，則表現(xiàn)為運(yùn)動的介質(zhì)具有“攜光”效應(yīng)。已在1859年斐索的流水實驗被驗證。

2 實驗設(shè)計

上述實驗原理可知，要想捕捉“超速”光線，必須要在其被介質(zhì)“同化”之前方有可能。所以實驗要在真空的環(huán)境里進(jìn)行。以下為實驗設(shè)計及結(jié)果預(yù)測：

①真空室中垂直方向旋轉(zhuǎn)的旋臂兩端距旋臂中心等距離放置兩個光源向?qū)γ鎵Ρ诖怪卑l(fā)射光線。

②轉(zhuǎn)動旋臂，兩個光源發(fā)射的光線在墻壁上繪出重疊的圓形。

③靠近旋臂垂直放置一塊玻璃，使繪制左半圓的光線穿過玻璃。

④旋臂緩慢轉(zhuǎn)動時，左右兩個半圓的半徑相同。

⑤加快旋臂的轉(zhuǎn)動，透過玻璃的光線繪制的左半圓半徑不變，直接投射在墻上的光線繪制的右半圓半徑增大。

3 預(yù)測結(jié)果的分析

繪制右半圓的光線矢量疊加了光源的線速度，為“快光”。所以隨著光源線速度的增大，右半圓的半徑增大。繪制左半圓的光線在透過玻璃后，光速恢復(fù)正常。所以左半圓的半徑不隨光源速度變化而發(fā)生改變。

4 系統(tǒng)誤差及有效觀測

旋臂旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的形變差異會使兩個光源光線的軌跡形成一條圓形的光帶。由于左右半圓均由兩個光源共同繪制，所以形變差異可以不計。

在墻壁上放置感光底片，從旋臂靜止到旋轉(zhuǎn)至最大速度對兩個光源的光線感光。

若旋臂全長32cm，光源最大線速度為200m/s，底片距旋臂30m。底片感光的右半圓光帶將比左半圓光帶要寬0.000013mm。

光源線速度越大，底片距旋臂越遠(yuǎn)，左右兩半圓的光帶寬度差異越大。

5 思辨解析

在終于完善了各項細(xì)節(jié)，完整了這個理論，我覺得——她很美。盡管尚未被實驗驗證，但是我的物理直覺——她，是真實的。

她完美地解決了麥克斯韋方程組在伽利略變換下不具協(xié)變性的矛盾，換一個角度才發(fā)現(xiàn)：原來，“絕對靜止”不是在外面，不在宇宙的某一處，而是在自己。

如果非要給她起個名字，我愿稱她為“還原論”。

5.1 絕對參考系——“以太”

如本文開頭所述，把電磁場交變的中心為靜止參考系原點，得出光速相對不變原理。

現(xiàn)在我們退回一步，由聯(lián)立求解麥克斯韋方程組得到：無論相對于磁場還是電場，所產(chǎn)生的電磁波的速度是相同的?？墒谴艌龊碗妶鲇质窍嗷ミ\(yùn)動的，如果以磁場為原點隨電磁波運(yùn)動，這時在中心點觀察電磁波的運(yùn)動是怎樣的呢？

可以這樣理解，電磁波是一種波，本身存在相變。以磁場為原點隨電磁波運(yùn)動，在中心點看到的是隨著電磁波運(yùn)動同時在此方向上下波動。反之，以電場為原點的運(yùn)動亦然，只是相位相反。

所以這個結(jié)論本身并不矛盾，完整的描述應(yīng)該是：無論相對于磁場還是電磁，所產(chǎn)生的電磁波相應(yīng)的“相位”速度是相同的。相位速度相對于交變中心做超光速曲線運(yùn)動，在電磁波傳播方向上的速度投影等于光速。

人們一開始忽視了相位運(yùn)動，認(rèn)為麥克斯韋方程組只能對一個絕對參考系——“以太”成立，引入了“以太”這個概念。此時違背了奧卡姆剃刀“如無必要，勿增實體”的原則。光速相對不變原理剃掉了第一個不必要的概念——以太。

5.2 洛倫茲變換

有絕對參考系就有絕對速度，人們開始測量地球的絕對速度，太陽光邁克爾遜——莫雷實驗由此誕生。

可是無論怎么測，地球的絕對速度始終為0。

洛倫茲對此現(xiàn)象進(jìn)行解釋，認(rèn)為物體在運(yùn)動方向尺寸變短，而我們本身隨地球運(yùn)動，所以無法測得變短的量。

這個解釋產(chǎn)生了洛倫茲變換。這其實是一種不講理的自證，科學(xué)家有時候也會不講理。

由“還原論”可知，無論入射光線的速度為何，在經(jīng)過分光鏡反射、透射后都會被同化為一個速度，事實上太陽光線在入射之前就已經(jīng)被地球大氣同化了。

鋒利的奧卡姆剃刀剃掉了第二個無用的公式——洛倫茲變換。

5.3 “尺短鐘慢”

洛倫茲變換是用以補(bǔ)償不存在的地球絕對速度而產(chǎn)生的，其中有一個時間改動沒有合理的解釋。

愛因斯坦思考運(yùn)動系統(tǒng)中光程的變化，以對麥克斯韋方程錯誤的解讀為基礎(chǔ)，引入“運(yùn)動的時鐘變慢”為這個改動找到合理的解釋。

仔細(xì)研究真空中運(yùn)動系統(tǒng)中的光程變化會發(fā)現(xiàn)，垂直于運(yùn)動方向的光程變長，平行于運(yùn)動方向的往返光程不變，而返回的單程更是會變短，有悖（自我矛盾）。

這樣一個“時鐘變慢”的補(bǔ)丁引發(fā)諸多矛盾。

由還原論可知，真空中，光線矢量疊加光源的速度；介質(zhì)中，與車廂共同運(yùn)動的空氣具有攜光作用。這些推理只需要對光線傳播的微觀過程詳加考察就可以得出，不需要引入任何的假設(shè)。

寒光一閃，第三個。

5.4 同時性在不同參考系中的非同時效應(yīng)

單單說著都拗口?？墒菫榱似较r鐘變慢引起的動亂，這個必須有。

相對論的補(bǔ)丁就這樣一個接著一個越來越多。

非同時效應(yīng)立馬引發(fā)另一個問題——因果律悖論。

“非同時性不會改變因果律！”科學(xué)家又開始不講理了。

手起刀落，第四個。

5.5 光速不變

似乎有些累了，我們暫時放下手中寶刀。

證明光速不變的四項事實中的太陽光邁克爾遜——莫雷實驗已經(jīng)分析過，我們來看其他三個：

①恒星光行差都長期保持不變。

②恒星都是一個一個的小圓點。

③恒星都靜止。

這三個事實其實是一回事兒：宇宙空間中稀薄的原子讓恒星發(fā)出的光很快被同化。

看來還要動刀，第五個。

5.6 空間彎曲

“小空啊，輪到你了?！?/p>

空間說：“我招誰惹誰了？”

惠能說：“本來無一物，何處惹塵埃？”

我說：“我有寶刀在手！”

你說：“莫急動刀，先看看咋回事?！?/p>

……好吧，就讓我們來看看愛因斯坦與空間不得不說的那些事兒。

在洛倫茲變換時，在運(yùn)動方向上物體的尺寸變短就已暗含空間彎曲。勻速圓周運(yùn)動、勻加速直線運(yùn)動及有引力存在的靜止參考系等效。勻速圓周運(yùn)動的瞬時與垂直于引力方向的勻速直線運(yùn)動等效。所以物體的尺寸在垂直于引力的方向上變短，光線在引力方向上發(fā)生紅移，這種現(xiàn)象稱為空間彎曲。

可是，首先我們無法理解什么都沒有的空間是如何被彎曲的。其次，垂直引力方向的空間彎曲，那平行于引力方向的空間怎么辦？

三維空間只能在四維空間里彎曲?！彼木S空間？什么東西？

至于引力紅移，還原論認(rèn)為真空中光線的速度相對光源不變，而運(yùn)動的光有質(zhì)量，必然要受到引力的作用。速度不能改變，只能靠減小頻率來抵償在引力場中勢能的改變。

相對論和還原論就好比地心說和日心說。地心說能夠正確地描述絕大多數(shù)星體的運(yùn)行，偏就那么幾顆行星調(diào)皮搗蛋不聽話，只好鼓搗出各種補(bǔ)丁。日心說就非常簡潔，但是普適，所有的星體都在一個理論下該干啥干啥。

相對論認(rèn)為光是第一性的。光程變長，時間就要變慢。光拐彎了，那空間就得彎曲。這涉及物理的哲學(xué)理念。

還原論認(rèn)為信息是宇宙的第一要素，比如說“無”，啥都沒有，沒有時間、空間。但它是一種狀態(tài)，是信息，可以獨立于其他要素單獨存在，而其他要素卻不能夠脫離信息而存在。然后是時間、空間、能量、物質(zhì)依次向下。光作為能量存在于時空當(dāng)中，“級別”要低于時空。不能因為光程變長就改時間，光拐彎就彎曲空間，空間不是你想彎，想彎就能彎。

關(guān)于這些個宇宙要素之間的那些事兒，就是另外一個故事了。

那說愛因斯坦他咋就恁執(zhí)著呢？究其根源在于對麥克斯韋方程的錯誤解讀。

馬云說：“一個游戲讓你感到痛苦，說明你的玩法錯了?！蓖瑯拥牡览?，一個有效、正確的理論，它是真實的，它的計算結(jié)果是不會錯的?；谶@個結(jié)果得出的推論存在諸多矛盾，最后必須要靠硬性的定義來強(qiáng)加規(guī)制，那只能說明一件事：你對這個計算結(jié)果理解錯了。

你默默地松開我的手……

5.7 極限速度和質(zhì)能方程

物體相對于自己永遠(yuǎn)是靜止的，所以宇宙間沒有極限速度。

物體的質(zhì)量表現(xiàn)只能依靠萬有引力來測定。

物體向外放出能量而自身內(nèi)能不變的話，質(zhì)量是要有虧損的。運(yùn)動可以減肥大概就是這個道理。

愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2在核物理實驗被證實存在質(zhì)量虧損，成為相對論正確的又一佐證。

真實情況是這樣嗎？

先來看看用還原論是否能夠推導(dǎo)出質(zhì)能方程。

光是能量，靜止時表現(xiàn)為物體內(nèi)部原子的熱運(yùn)動，即內(nèi)能。物體的質(zhì)量與溫度無關(guān)，所以靜止的光沒有質(zhì)量。

在宇宙空間中以平均速率c運(yùn)動的光的能量即其動能Ec=（Mc2）/2，M為光的運(yùn)動質(zhì)量。

設(shè)空間內(nèi)有兩個絕對零度靜止物體A、B，質(zhì)量均為M+m，此時每個物體的總能量就是自身質(zhì)量具有的核能E'=HM+Hm，并設(shè)E=Hm。

A損失質(zhì)量m后使自身獲得c的速度改變，相對原參照系總能量Ea=HM+（Mc2）/2即物體質(zhì)量核能與動能之和。

速度改變需要力，A與B相互作用改變自己速度的同時也改變了B的運(yùn)動狀態(tài)。則B相對于原參照系的總能量Eb=HM+E+（M+m）v2/2，并E=（M+m）v2/2+（Mc2）/2，即A損失的質(zhì)量m轉(zhuǎn)變成A與B的動能。

設(shè)其間沒有內(nèi)能改變，即動量守恒。則有Mc2=（M+m）v2。

物體A的質(zhì)量與光的運(yùn)動質(zhì)量相同都為M，意味著絕對零度質(zhì)量為M+m的靜止物體損失質(zhì)量M可使自身內(nèi)能增加Ec，總能量E'=E+Ec即物體質(zhì)量核能與內(nèi)能之和。

這里需要提到一個假說：還原論認(rèn)為光作為能量只有運(yùn)動質(zhì)量，與萬有引力的作用是單向的。即光雖有運(yùn)動質(zhì)量但是不會產(chǎn)生萬有引力，萬有引力是具有靜止質(zhì)量的“物質(zhì)”存在之后產(chǎn)生的。

追加勢能補(bǔ)償后總能量E'=E+2Ec，含義為攜帶內(nèi)能運(yùn)動不會產(chǎn)生更多的動能。

聯(lián)立以上方程得到：E=mc2

5.8 紅移錯覺及宇宙的“可視半徑”

光線在宇宙空間傳播，被不同運(yùn)動方向的分子不斷地“加速”和“減速”，其能量不斷衰減，表現(xiàn)在頻率不斷變小。

這種現(xiàn)象在宏觀上產(chǎn)生紅移的錯覺，并且越遠(yuǎn)的天體紅移越大。宇宙天體雖然在加速遠(yuǎn)離我們，但其速度遠(yuǎn)比我們估計的要小很多。

恒星發(fā)出的光最終衰減成色溫為3K的宇宙背景輻射，此時恒星不再能被觀測。