大质量天体产生传播光的媒介及其可行性光学实验_肖长顺.pdf

光学前沿 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明78大质量天体产生传播光的媒介及其可行性光学实验肖长顺1，肖懿晗21.山东健康集团肖长顺劳模创新工作室，山东 淄博 2551202.德国达姆施塔特工业大学，德国 达姆施塔特 65462摘要：设计双光行差现象数学模型，可以由模型逻辑推理得出结论：大质量天体产生传播光的媒介。如果这一推论正确，则在大质量天体周围空间内，惯性系的运动状态一定可以被检测。为此，设计可检测惯性系运动状态的光学实验，包括运动旋转仪实验、运动振荡仪实验、光反射单位移实验、光反射多位移实验、光行差遮光实验、运动线性仪实验、迈克尔逊干涉仪太空运动实验、光与光接受器相对运动的频率变化实验、物体相对运动光频率变化实验。在以上 9 个光学实验中，如果实验仪器运动时得到了大于零的结果，并且所得结果与所设计的光学实验理论公式的计算结果 相符合，证明“大质量天体产生传播光的媒介”正确。关键词：大质量天体；光的传播媒介；光行差现象；光学实验分类号：O430引言十九世纪的科学家认为光的传播需要以太，并提出重要问题：地球相对于以太运动吗？由于地球和太阳都不是宇宙的中心，以太不应该相对于地球静止，也不应该相对于太阳静止，因此认为以太相对于牛顿所说的“绝对空间”静止，而地球相对于以太运动。天文学上的光行差现象表明，地球确实相对于以太运动1。1728 年，英国天文学家布莱德雷发现了光行差现象，根据当时的观测结果，太阳相对于以太是静止的2，而地球在以太中穿梭运动。1881 年，迈克尔逊莫雷实验得出了“零结果”，这个“零结果”非常确凿地判定“以太风”根本不存在3。爱因斯坦是狭义相对论的唯一缔造者，因为只有他提出了光速不变原理，并进一步认识到“同时的相对性”，也只有他不仅否定了绝对空间，也否定了以太的存在，从而彻底地坚持了“相对性原理”。狭义相对论创立初期，科学家洛伦兹、庞加莱、马赫反对相对论。狭义相对论是二十世纪直到今天的物理学理论支柱，被认为是对迈克尔逊莫雷实验“零结果”最好的解释。文章设计和分析双光行差现象数学模型，以光行差现象和迈克尔逊莫雷实验的“零结果”为依据，得出结论：大质量天体在其周围空间产生传播光的媒介。一个理论是否正确必须由实验来检验，为此，设计可检测惯性系运动状态的相关物理实验，从不同角度设计了 9 个光学实验，以确保实验的可行性和证据的充分性。1光行差现象与迈克尔逊莫雷实验“零结果”之间的矛盾根据布莱德雷发现的光行差现象，太阳相对于以太是静止的，以太是存在的，而根据迈克尔逊莫雷实验的“零结果”，以太是不存在的，二者存在逻辑矛盾，这对矛盾是不能调和的，在数学逻辑上存在以下四种可能情况：（1）肯定光行差现象，否定迈克尔逊莫雷实验；（2）否定光行差现象，肯定迈克尔逊莫雷实验；（3）否定光行差现象，否定迈克尔逊莫雷实验；（4）肯定光行差现象，肯定迈克尔逊莫雷实验。因为不能否定客观存在（即光行差现象和迈克尔逊莫雷实验），只能对客观存在进行合理解释，所以在上述四种情况中，只有（4）是对的，即需要肯定光行差现象和迈克尔逊莫雷实验。狭义相对论的建立基于否定以太存在的基础，因此狭义相对论对应上述四种情况中的（2），即否定光行差现象，肯定迈克尔逊莫雷实验，这使狭义相对论否定了客观存在光行差现象。然而，只能对客观存在进行合理解释，而不能否定客观存在，这说明狭义相对论可能存在问题。至此，从逻辑上推出结论：光行差现象是对的，作者简介：肖长顺，男，本科，教授，研究方向为光学及屈光介质的应用。文章编号：2096-9317（2023）01-0078-09光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光学前沿79以太有可能存在。2光行差现象的逻辑变换光行差现象与其逻辑变换的示意图如图 1、图 2所示。图 1 中，S 为发光的遥远星系的实际位置，S为望远镜在地球运动的垂直方向上倾斜 a 角后所看到的遥远星系虚像，v 为地球运动速度，a 为望远镜视线与地球运动的垂直方向夹角；图 2 中，S 为太阳，S 为望远镜在围绕地球运动的垂直方向上倾斜 a 角后所看到的太阳虚像，v 为望远镜围绕地球的运动速度，a 为望远镜视线与其在围绕地球运动的垂直方向夹角。把布莱德雷发现的光行差现象中的遥远星系换成太阳（星系=太阳），太阳换成地球（太阳=地球），地球换成望远镜（地球=望远镜），望远镜围绕地球运动，根据物质的普适性，这种变换在逻辑上不存在矛盾。因此，望远镜同样会检测到光行差现象，即地球相对于以太是静止的，望远镜在以太中穿梭运行，然后可以得到以下结论：太阳相对于以太是静止的；地球相对于以太是静止的；地球在以太中穿梭运动；望远镜在以太中穿梭运动。vaSS太阳地球遥远星系图 1光行差现象中遥远星系、太阳、地球示意图vaSS太阳地球望远镜图 2光行差现象逻辑变换后的太阳、地球、望远镜示意图两个光行差现象的合理存在，导致了新的矛盾：以太相对于太阳是静止的，同时以太相对于地球是静止的，但太阳与地球之间有相对运动（这是客观存在），这导致了认识上的矛盾。为了消除认识上的矛盾，只能认为太阳与地球各自都能产生以太。这个逻辑推理结果可表述为大质量天体在其周围空间产生传播光的媒介，这个媒介与大质量天体相对静止。以太被认为均匀地充满在整个宇宙空间，因此以太与大质量天体在其周围空间所产生的传播光的媒介有所不同。在这里把大质量天体在其周围空间所产生的传播光的媒介叫做“光物质场”，太阳在其周围空间产生太阳的光物质场，地球在其周围空间产生地球的光物质场，不同天体产生的光物质场的性质都相同。引入“光物质场”这一概念后，光行差现象与迈克尔逊莫雷实验“零结果”的矛盾消失，可以得到以下结论：太阳与太阳的光物质场是相对静止的；地球与地球的光物质场是相对静止的；地球在太阳的光物质场中穿梭运动；望远镜在地球的光物质场中穿梭 运动。至此，可以合理地解释光行差现象：地球在太阳的光物质场中运动，来自遥远星系的光在太阳的光物质场中运动，地球与光有相对运动，导致光行差现象。迈克尔逊莫雷实验也得到合理解释：迈克尔逊干涉仪实验用的光均在地球的光物质场中，迈克尔逊干涉仪与地球的光物质场没有发生相对运动，没有光程差，如果迈克尔逊干涉仪与地球发生相对运动，也会测出光程差。遥远星系、太阳、地球三体系统的光行差现象和逻辑变换后的太阳、地球、望远镜三体系统的光行差现象叫做双光行差现象，由双光行差现象逻辑推理得出结论：大质量天体在其周围空间产生传播光的媒介，这个媒介与大质量天体相对静止。既然太阳、地球都能产生光物质场，天体质量又不相同，那么光物质场在不同的空间位置应当存在强弱之分，光物质场的强度与产生光物质场的天体的质量及到天体的距离有关。假设天体的质量为 M，距离天体中心距离为 R 处的光物质场的强度为 Q，则光物质场强度可能遵循下列公式：（1）式中：K 为待求常数。3物体产生光物质场的分析大质量天体，如恒星（太阳）、行星（地球）等星 光学前沿 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明80体与普通物体在内部构成上并无本质区别，在原子级别上均含有质子、中子、电子等物质，因此“大质量天体产生传播光的媒介”可以表述为“物体产生传播光的媒介”。一个大的实心球体可以看作由许多小的球体组成，小的球体之间的距离 R 极小，根据式（1），在球体内部，光物质场强度极强。因此，物体在其周围空间产生光物质场的同时，也在其内部产生光物质场，且物体内部的光物质场的强度远大于在其周围空间产生的光物质场的强度。根据双光行差现象数学模型，结合光行差现象和迈克尔逊莫雷实验的“零结果”，可以得出结论：物体（大质量天体）产生传播光的媒介。4菲索流水实验与艾里光行差实验1851 年，菲索设计了菲索流水实验，得出结论：以太是存在的，以太渗透到一切物体中，被物体部分拖曳，但不受大气运动的影响。1871 年，艾里（G B Airy，18011892）在望远镜中灌满了水，根据水的折射率，其应该可以带动以太运动，但艾里却观察到和无水时一样的光行差现象，表明水并没有带动以太运动。矛盾再现：a.菲索流水实验证明水带动以太运动；b.艾里光行差实验证明水不能带动以太运动。这对矛盾同样不能调和，在逻辑上存在以下两种情况：（1）水带动以太运动是对的；（2）水不能带动以太运动是对的。逻辑分析与解释：根据对双光行差现象与迈克尔逊莫雷实验“零结果”的分析，大质量天体（物体）产生传播光的媒介光物质场，地球与水都产生了光物质场，即地球光物质场和水产生的光物质场。在菲索流水实验中，光在水产生的光物质场中运动，由于地球光物质场强度大，光在水中的运动受到两个光物质场的共同作用，流动的水所产生的光物质场与地球光物质场有相对运动，而且流动的水所产生的光物质场只能部分带动光的运动，这可能是实验中见到的水分子只能部分拖曳光的运动。在艾里光行差实验中，艾里在望远镜中灌满了水然后观测光行差现象。地球在以太中运动，水又被地球带着运动，以菲索流水实验的结果为判据，水应当带动以太运动，但是观测结果是水没有带动以太运动，这个结果与菲索流水实验结果严重矛盾。但是，如果以“大质量天体（物体）产生传播光的媒介”作为判断依据，则菲索流水实验与艾里光行差实验的结果毫无矛盾，理论也上非常自洽：地球与水都产生光物质场，在艾里光行差实验中，虽然地球在运动，但是水与地球保持相对静止，光在地球光物质场和水产生的光物质场中运动，水与地球没有相对运动，水中的光不能被相对于地球静止的水产生拖曳运动。“大质量天体（物体）产生传播光的媒介”这一推论消除了菲索流水实验与艾里光行差实验所得结果的矛盾，合理解释了菲索流水实验与艾里光行差实验所得的结果。5狭义相对论的创立及相关推导5.1 狭义相对论的创立1900 年，开尔文认为经典物理理论是晴空万里，但在 20 世纪末却出现了两朵“乌云”，其中一朵就是“以太漂移”的否定结果。当时，迈克尔逊莫雷实验与光行差现象、菲索流水实验与艾里光行差实验出现了相互矛盾的结果，没有人能给出合理的解释。1905 年，爱因斯坦基于麦克斯韦电磁理论、相对性原理，得出光速不变原理，创立了狭义相对论。5.2 相对论光速不变原理与麦克斯韦电磁理论光速恒定的差异狭义相对论的理论基础是光速不变原理和相对性原理，光速不变原理并不是指真空中的光速各点均匀、各向同性，而是指光速与光源相对于观测者的运动无关。爱因斯坦认为，电磁理论得到大量实验的支持，应该坚持。在麦克斯韦电磁理论中，作为电磁波的光波，在真空中的传播速度是一个常数。如果既相信电磁理论又相信相对性原理，一个自然的想法是真空中的光速在任何一个惯性系中都应该是同一个值 c。因此，爱因斯坦所建立的狭义相对论从来就没有否定麦克斯韦电磁理论的正确性，而且还以麦克斯韦电磁理论为依据，又在相信相对性原理的情况下，得出光速不变原理。麦克斯韦方程组导出真空中的光速恒定不变，光在真空的传播速度与介电常数和磁导率有关，因此，麦克斯韦光速恒定不变是相对于真空介质的，这显然与狭义相对论光速不变原理有区别。因为狭义相对论否定以太存在，而狭义相对论的创立又是基于麦克斯韦电磁理论、相对性原理，这为狭义相对论会得出一些自相矛盾的推论埋下了隐患。5.3 狭义相对论和光物质场理论的矛盾狭义相对论的理论基础是光速不变原理和狭义相光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光学前沿81对性原理。爱因斯坦时空图如图 3 所示。图中，t2为惯性系静止时光脉冲在 AB 距离上来回反射的时间，t1为惯性系运动时光脉冲发出的起始时间，t3为惯性系运动时光脉冲在 AB 距离上反射回来的终止时间。基于光速不变原理和狭义相对性原理，爱因斯坦利用时空图推导出了运动物体的相对论效应：长度收缩、时间膨胀。t1t2t3光脉冲距离反射时间AAB光脉冲图 3定义时间和距离的爱因斯坦时空图狭义相对论中，运动的惯性系内的时间遵循公式：（2）式中：t 为运动的时钟时间；t 为固有时；v 为时钟的运动速度；c 为光速。狭义相对论否定以太存在，认为运动的惯性系内静止的观测者看到的光的运动路径如图 4 所示，t 为运动的惯性