《超光速现象观测》的实验设计

摘要：本实验设计以麦克斯韦方程组的正确解读和光线在传播过程中遇到原子的微观描述为基础，得出速度超越c（真空中的光速）的光线可以有的结论，并给出“超速”光线的观测方案。预测的观测结果将证伪爱因斯坦相对论的理论基础假设：光速不变原理。

关键词：超光速；观测；实验设计

1 实验原理

1.1 对麦克斯韦方程组的正确解读――光速相对不变原理

通过电动力学我们知道，电场与磁场相对运动会产生电磁波，并向外辐射。电磁波的速度与电场或磁场的运动速度无关。与其它物体的运动速度无关。然而电磁波之所以会产生，电场与磁场缺一不可，亦即电场与磁场此时应当作为一个系统或说一个物体对待，其“静止”参考系坐标原点是电场与磁场交变的中心。则，对于麦克斯韦方程组的正确解读――光速相对不变原理：光线以固定的速率c离开“静止”物体。即真空中光线相对于光源的速率为c。

1.2 光线传播的微观描述

光子在前行的途中遇到物体表面的原子发生反射，或遇到介质中的原子发生折射的过程分为：①不完全受激吸收。②不完全自发辐射。描述如下：

①不完全受激吸收。

光子遇到原子时，以原子为静止参考系原点，入射光子的速度作矢量修正。原子吸收光子的能量，跃迁到“准”高能级。称为不完全受激吸收。准高能级不稳定，迅速进入不完全自发辐射过程。此过程的时间间隔在宏观上表现为光线在介质中的传播速度小于c。

②不完全自发辐射。

准高能级原子跃回原来的能级，辐射出相对于自己速率为c的光子。此过程中原来的“快”

“慢”光子的动能则靠降低光子的频率来补充，光子的动能损失被原子获得，宏观表现为光压。

表现为红移。原子“吸收-辐射”光子成为“新”光源，并表现出宏观上的反射、折射规律。

1.3 光速相对不变原理的宏观描述

“静止”光源以速率c发射光线，相对于光源运动的观测者将观测到不同的光速。

真空中，

相对于光源运动的物体或介质，反射或折射后的光线红移，速率相对于物体或介质为c。

光线在“静止的”介质中都是以确定的速度运动，无论这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。不同速率的光线在接触介质时迅速被“同化”。相对于介质运动的观测者将观测到不同的光速。

“相对于介质运动的观测者将观测到不同的光速。”这句话反过来以观测者为静止，则表现为运动的介质具有“携光”效应。已在1859年斐索的流水实验被验证。

2 实验设计

上述实验原理可知，要想捕捉“超速”光线，必须要在其被介质“同化”之前方有可能。所以实验要在真空的环境里进行。以下为实验设计及结果预测：

①真空室中垂直方向旋转的旋臂两端距旋臂中心等距离放置两个光源向对面墙壁垂直发射光线。

②转动旋臂，两个光源发射的光线在墙壁上绘出重叠的圆形。

③靠近旋臂垂直放置一块玻璃，使绘制左半圆的光线穿过玻璃。

④旋臂缓慢转动时，左右两个半圆的半径相同。

⑤加快旋臂的转动，透过玻璃的光线绘制的左半圆半径不变，直接投射在墙上的光线绘制的右半圆半径增大。

3 预测结果的分析

绘制右半圆的光线矢量叠加了光源的线速度，为“快光”。所以随着光源线速度的增大，右半圆的半径增大。绘制左半圆的光线在透过玻璃后，光速恢复正常。所以左半圆的半径不

随光源速度变化而发生改变。

4 系统误差及有效观测

旋臂旋转产生的形变差异会使两个光源光线的轨迹形成一条圆形的光带。由于左右半圆均由两个光源共同绘制，所以形变差异可以不计。

在墙壁上放置感光底片，从旋臂静止到旋转至最大速度对两个光源的光线感光。

若旋臂全长32cm，光源最大线速度为200m/s，底片距旋臂30m。底片感光的右半圆光带将比左半圆光带要宽0.000013mm。

光源线速度越大，底片距旋臂越远，左右两半圆的光带宽度差异越大。

5 思辨解析

在终于完善了各项细节，完整了这个理论，我觉得――她很美。尽管尚未被实验验证，但是我的物理直觉――她，是真实的。

她完美地解决了麦克斯韦方程组在伽利略变换下不具协变性的矛盾，换一个角度才发现：原来，“绝对静止”不是在外面，不在宇宙的某一处，而是在自己。

如果非要给她起个名字，我愿称她为“还原论”。

5.1 绝对参考系――“以太”

如本文开头所述，把电磁场交变的中心为静止参考系原点，得出光速相对不变原理。

现在我们退回一步，由联立求解麦克斯韦方程组得到：无论相对于磁场还是电场，所产生的电磁波的速度是相同的。可是磁场和电场又是相互运动的，如果以磁场为原点随电磁波运动，这时在中心点观察电磁波的运动是怎样的呢？

可以这样理解，电磁波是一种波，本身存在相变。以磁场为原点随电磁波运动，在中心点看到的是随着电磁波运动同时在此方向上下波动。反之，以电场为原点的运动亦然，只是相位相反。

所以这个结论本身并不矛盾，完整的描述应该是：无论相对于磁场还是电磁，所产生的电磁波相应的“相位”速度是相同的。相位速度相对于交变中心做超光速曲线运动，在电磁波传播方向上的速度投影等于光速。

人们一开始忽视了相位运动，认为麦克斯韦方程组只能对一个绝对参考系――“以太”成立，引入了“以太”这个概念。此时违背了奥卡姆剃刀“如无必要，勿增实体”的原则。光速相对不变原理剃掉了第一个不必要的概念――以太。

5.2 洛伦兹变换

有绝对参考系就有绝对速度，人们开始测量地球的绝对速度，太阳光迈克尔逊――莫雷实验由此诞生。可是无论怎么测，地球的绝对速度始终为0。

洛伦兹对此现象进行解释，认为物体在运动方向尺寸变短，而我们本身随地球运动，所以无法测得变短的量。

这个解释产生了洛伦兹变换。这其实是一种不讲理的自证，科学家有时候也会不讲理。

由“还原论”可知，无论入射光线的速度为何，在经过分光镜反射、透射后都会被同化为一个速度，事实上太阳光线在入射之前就已经被地球大气同化了。

锋利的奥卡姆剃刀剃掉了第二个无用的公式――洛伦兹变换。

5.3 “尺短钟慢”

洛伦兹变换是用以补偿不存在的地球绝对速度而产生的，其中有一个时间改动没有合理的解释。

爱因斯坦思考运动系统中光程的变化，以对麦克斯韦方程错误的解读为基础，引入“运动的时钟变慢”为这个改动找到合理的解释。

仔细研究真空中运动系统中的光程变化会发现，垂直于运动方向的光程变长，平行于运动方向的往返光程不变，而返回的单程更是会变短，有悖（自我矛盾）。