環形光鐘實驗與理論

李昌穎

（上龍宇航科技集團 廣西壯族自治區扶綏縣 532199）

1 環形光鐘的原理和構造

環形光鐘的原理是光在環形光鐘里順時針傳播一周的時間等于環形光鐘逆時針旋轉一周的時間，無論是在地面上觀測，還是在環形光鐘里觀測，光發出的地點與光返回的地點都是同一個地點，避免了不同地點間對鐘的問題，從而可以用各參考系里觀測到的光程除以真空光速c 來求得各參考系的時間間隔并相互比較，進而檢驗光速不變原理和相對論。環形光鐘可以設計得很小，也可以設計得很大。為了便于說明，我們可設計一個周長等于地球表面上的測地線周長的環形光鐘套在地球身上。環形光鐘里面有AB 兩塊互相平行且周長都等于地球表面上的測地線周長的環形鏡(如圖1 所示)，每塊環形鏡上都有n 個反光點，A 鏡上的反光點沿著順時針方向等間距排列依次標記為A1A2A3……An；B 鏡上的反光點沿著順時針方向等間距排列依次標記為B1B2B3……Bn。AB 兩塊環形鏡之間的距離為H，AnBn=BnA1=A1B1=B1A2=L。讓環形光鐘以設定的速度逆時針旋轉，以抵消地球的引力使環形光鐘內部呈失重狀態。相對于站在地面上的o 點旁邊的觀測者，環形光鐘的每一節都等效于一節在地面上做勻速直線運動的車廂，都可看作一個慣性系。相對于站在環形光鐘里面的A1 點旁邊的觀測者，由于引力消失了，整個環形光鐘可看作一個靜止的慣性系，是地球在旋轉。當A1 點與o 點重合時，位于A1 點的時鐘與位于o 點的時鐘同時調為零點整。此時，一光脈沖從A1 點射向B1 點，光在環形光鐘里面沿著一段段長度為L 的斜線在AB 兩塊環形鏡之間來回反射順時針方向傳播。當A1 點再次與o 點重合時，光恰好回到A1 點上。相對于站在環形光鐘里的A1 點旁邊的觀測者來說，光在真空中傳播的路程為2nL，光在真空中傳播的時間為T=2nL/c 。相對于站在地面上的o 點旁邊的觀測者，光一直在o 點一側的AB 兩塊鏡間垂直往返，光在真空中傳播的路程為2nH，光在真空中傳播的時間T'=2nH/c，因為L>H，所以T>T'，據此便可推導出環形光鐘里的A1 點上的時鐘走得比靜止在地面上的o 點上的時鐘快(即動鐘變快)這個與相對論相反的結論。

圖1：環形光鐘的原理示意圖

圖2：光的慣性偏折（示意圖）

改進實驗方法，環形光鐘(A 鏡和B 鏡)的周長不變，將AB兩塊環形鏡之間的距離調為H'，在A 鏡上設n'個等間距順時針方向排列的透光點，在B 鏡上設n'個等間距順時針方向排列的反光點，使An'Bn'=Bn'A1=A1B1=B1A2=L'。讓環形光鐘以另一個設定的速度逆時針旋轉，使環形光鐘內部產生與地球表面引力相等但方向相反的引力。當環形光鐘上的A1 點與地面上的o 點重合(即A1點與o 點間的距離短到可忽略不計)時，從o 點垂直發出一個光脈沖，光依次穿過A 鏡上的一個個透光點在o 點與B 鏡之間垂直往返，當A1 點再次與o 點重合時，光恰好回到o 點上。相對于站在地面上的o 點旁邊的觀測者，光在真空中傳播的路程為2nH'，光在真空中傳播的時間為T0=2nH'/c。相對于站在環形光鐘里的A1 點旁邊的觀測者，光在真空中傳播的路程為2nL'，光在真空中傳播的時間為T1=2nL'/c。因為H'

2 光的慣性偏折定律

光的慣性偏折是由于傳遞光能量的質點(元電子)具有橫向慣性動量而導致的一種現象，并不是說光具有慣性。能夠無損耗地傳播光波的媒質叫超媒質體。真空中充滿了超媒質體。超媒質體對運動電子的阻力可用方程F=k△ma 來表示。式中，k 表示超媒質體的阻力系數，△m 表示電子質量的增量，它等于電子運動時的質量減去電子靜止時的質量，a 表示電子沿其運動方向上的加速度。該方程式表明，超媒質體具有與超導體相似的一些特性，超媒質體只對沿運動方向上有加速度的電子產生阻力，對靜止或勻速運動的電子沒有阻力。實際上，電子并不是一個孤立的粒子，而是一個由大量元電子互相聯系互相影響形成的一團元電子云的質心，這就是一個電子能夠同時穿過兩條縫隙的原因。在真空中加速一個電子實際上就是在超媒質體中加速一團元電子云的質心，這會在超媒質體中激發磁單振波。光是一種頻率極高的磁單振波，是由頻率極高的單向振蕩元電流形變成的。與光的折射定律不同，當光從一個慣性系的超媒質層射入另一個慣性系的超媒質層中時，由于傳遞光能量的質點元電子具有橫向慣性動量會導致光發生慣性偏折。法線是垂直于兩超媒質層分界線的直線，橫向速度指的是垂直于法線的速度。兩超媒質層間的橫向相對速度越大，偏折角就越大，反之，偏折角就越小。若兩超媒質層間的橫向相對速度為零，則偏折角為零。這就是光的慣性偏折定律。如光的慣性偏折示意圖所示，太陽系超媒質層相對于地球的超媒質層有一個向左的橫向速度，當光從太陽系超媒質層垂直射入地球的超媒質層中時，由于光質點元電子(圖2 中用c 表示的質點)具有向左的橫向慣性動量，其單向振蕩運動的路線會向de 連線的左方橫向偏移，從而導致光線偏折向f 和g 的方向，產生光行差。在地面上觀察，光是沿著一條斜線(直線fg)從太陽傳到地面上的。光從太陽系超媒質層垂直射入地球的超媒質層中時，偏折的角度只與兩超媒質層間的橫向相對速度有關，這是恒星光行差角長期不變的真正原因。

3 光慣性偏折導致的錯覺

邁克爾遜和莫雷的實驗證明的不是光速不變原理，而是地球超媒質層的存在。光的慣性偏折是產生恒星光行差的真正原因。光的慣性偏折使得光看起來就像是不需要媒質的自由粒子似的，而光速的大小又與光源在超媒質體中的運動狀態無關，就像聲速的大小與聲源在空氣中的運動狀態無關一樣。光的上述特性給人們造成了光速不變的錯覺。因為光質點受引力的作用，當光能量傳播的方向與引力的方向相反時，必然有一部分光能量用來克服引力做功，從而產生引力場紅移。當光經過太陽旁邊時，光質點單向振蕩運動的路線會因為太陽的引力作用而偏移，從而導致光線彎曲，給人們造成了空間被彎曲的錯覺。

4 熵的“冷卻”效應與鐘慢效應

對于一個孤立的系統，時間間隔△t 與熵的變化量△S 呈正比，與熵變化的速率V 呈反比，即△t=△S/V，此即熵的時間方程式。從本質上看，孤立系統熵增的過程就是孤立系統本身所擁有的自由能驅動構成系統的所有粒子在空間中加速運動擴散的過程。由于空間中充滿了超媒質體，系統的熵在增大的過程中，會有一部分自由能用來克服超媒質體的阻力做功。時鐘運轉的過程實際上就是時鐘熵增的過程，與靜止在地面上的時鐘比較，在地面上運動的時鐘其熵增的過程中需要消耗更多的自由能來克服超媒質體的阻力，導致其熵增加得比較慢，運轉得比較慢。與靜止在太空中的時鐘比較，靜止在地球上的時鐘熵增的過程中要消耗一部分自由能來克服引力做功，導致其熵增加得比較慢，運轉得比較慢。就像地球上空氣無處不在那樣，在宇宙中超媒質體也是無處不在的。由于超媒質體無處不在，宇宙中的任何事物都是彼此聯系互相影響的，沒有一個真正孤立的物質系統。每個小系統都處在比它大的系統中，而這個大系統又處在比它更大的系統中。小系統的熵增速變慢總是以大系統的熵增速變快為代價的。舉個列子，把一條魚放在冰箱里冷凍保存，相比于放在冰箱外面常溫保存的魚，冰箱里的魚(小系統)熵增速變慢了，可保存的時間更長了。但由于冰箱需要不斷地消耗能量來維持冰箱內的低溫狀態導致大系統的熵增速變快了。由此可見，鐘慢效應只是熵“冷卻”效應的一種表現，并不是時間真的變慢了。