环形光钟实验与理论

李昌颖

（上龙宇航科技集团 广西壮族自治区扶绥县 532199）

1 环形光钟的原理和构造

环形光钟的原理是光在环形光钟里顺时针传播一周的时间等于环形光钟逆时针旋转一周的时间，无论是在地面上观测，还是在环形光钟里观测，光发出的地点与光返回的地点都是同一个地点，避免了不同地点间对钟的问题，从而可以用各参考系里观测到的光程除以真空光速c 来求得各参考系的时间间隔并相互比较，进而检验光速不变原理和相对论。环形光钟可以设计得很小，也可以设计得很大。为了便于说明，我们可设计一个周长等于地球表面上的测地线周长的环形光钟套在地球身上。环形光钟里面有AB 两块互相平行且周长都等于地球表面上的测地线周长的环形镜(如图1 所示)，每块环形镜上都有n 个反光点，A 镜上的反光点沿着顺时针方向等间距排列依次标记为A1A2A3……An；B 镜上的反光点沿着顺时针方向等间距排列依次标记为B1B2B3……Bn。AB 两块环形镜之间的距离为H，AnBn=BnA1=A1B1=B1A2=L。让环形光钟以设定的速度逆时针旋转，以抵消地球的引力使环形光钟内部呈失重状态。相对于站在地面上的o 点旁边的观测者，环形光钟的每一节都等效于一节在地面上做匀速直线运动的车厢，都可看作一个惯性系。相对于站在环形光钟里面的A1 点旁边的观测者，由于引力消失了，整个环形光钟可看作一个静止的惯性系，是地球在旋转。当A1 点与o 点重合时，位于A1 点的时钟与位于o 点的时钟同时调为零点整。此时，一光脉冲从A1 点射向B1 点，光在环形光钟里面沿着一段段长度为L 的斜线在AB 两块环形镜之间来回反射顺时针方向传播。当A1 点再次与o 点重合时，光恰好回到A1 点上。相对于站在环形光钟里的A1 点旁边的观测者来说，光在真空中传播的路程为2nL，光在真空中传播的时间为T=2nL/c 。相对于站在地面上的o 点旁边的观测者，光一直在o 点一侧的AB 两块镜间垂直往返，光在真空中传播的路程为2nH，光在真空中传播的时间T'=2nH/c，因为L>H，所以T>T'，据此便可推导出环形光钟里的A1 点上的时钟走得比静止在地面上的o 点上的时钟快(即动钟变快)这个与相对论相反的结论。

图1：环形光钟的原理示意图

图2：光的惯性偏折（示意图）

改进实验方法，环形光钟(A 镜和B 镜)的周长不变，将AB两块环形镜之间的距离调为H'，在A 镜上设n'个等间距顺时针方向排列的透光点，在B 镜上设n'个等间距顺时针方向排列的反光点，使An'Bn'=Bn'A1=A1B1=B1A2=L'。让环形光钟以另一个设定的速度逆时针旋转，使环形光钟内部产生与地球表面引力相等但方向相反的引力。当环形光钟上的A1 点与地面上的o 点重合(即A1点与o 点间的距离短到可忽略不计)时，从o 点垂直发出一个光脉冲，光依次穿过A 镜上的一个个透光点在o 点与B 镜之间垂直往返，当A1 点再次与o 点重合时，光恰好回到o 点上。相对于站在地面上的o 点旁边的观测者，光在真空中传播的路程为2nH'，光在真空中传播的时间为T0=2nH'/c。相对于站在环形光钟里的A1 点旁边的观测者，光在真空中传播的路程为2nL'，光在真空中传播的时间为T1=2nL'/c。因为H'

2 光的惯性偏折定律

光的惯性偏折是由于传递光能量的质点(元电子)具有横向惯性动量而导致的一种现象，并不是说光具有惯性。能够无损耗地传播光波的媒质叫超媒质体。真空中充满了超媒质体。超媒质体对运动电子的阻力可用方程F=k△ma 来表示。式中，k 表示超媒质体的阻力系数，△m 表示电子质量的增量，它等于电子运动时的质量减去电子静止时的质量，a 表示电子沿其运动方向上的加速度。该方程式表明，超媒质体具有与超导体相似的一些特性，超媒质体只对沿运动方向上有加速度的电子产生阻力，对静止或匀速运动的电子没有阻力。实际上，电子并不是一个孤立的粒子，而是一个由大量元电子互相联系互相影响形成的一团元电子云的质心，这就是一个电子能够同时穿过两条缝隙的原因。在真空中加速一个电子实际上就是在超媒质体中加速一团元电子云的质心，这会在超媒质体中激发磁单振波。光是一种频率极高的磁单振波，是由频率极高的单向振荡元电流形变成的。与光的折射定律不同，当光从一个惯性系的超媒质层射入另一个惯性系的超媒质层中时，由于传递光能量的质点元电子具有横向惯性动量会导致光发生惯性偏折。法线是垂直于两超媒质层分界线的直线，横向速度指的是垂直于法线的速度。两超媒质层间的横向相对速度越大，偏折角就越大，反之，偏折角就越小。若两超媒质层间的横向相对速度为零，则偏折角为零。这就是光的惯性偏折定律。如光的惯性偏折示意图所示，太阳系超媒质层相对于地球的超媒质层有一个向左的横向速度，当光从太阳系超媒质层垂直射入地球的超媒质层中时，由于光质点元电子(图2 中用c 表示的质点)具有向左的横向惯性动量，其单向振荡运动的路线会向de 连线的左方横向偏移，从而导致光线偏折向f 和g 的方向，产生光行差。在地面上观察，光是沿着一条斜线(直线fg)从太阳传到地面上的。光从太阳系超媒质层垂直射入地球的超媒质层中时，偏折的角度只与两超媒质层间的横向相对速度有关，这是恒星光行差角长期不变的真正原因。

3 光惯性偏折导致的错觉

迈克尔逊和莫雷的实验证明的不是光速不变原理，而是地球超媒质层的存在。光的惯性偏折是产生恒星光行差的真正原因。光的惯性偏折使得光看起来就像是不需要媒质的自由粒子似的，而光速的大小又与光源在超媒质体中的运动状态无关，就像声速的大小与声源在空气中的运动状态无关一样。光的上述特性给人们造成了光速不变的错觉。因为光质点受引力的作用，当光能量传播的方向与引力的方向相反时，必然有一部分光能量用来克服引力做功，从而产生引力场红移。当光经过太阳旁边时，光质点单向振荡运动的路线会因为太阳的引力作用而偏移，从而导致光线弯曲，给人们造成了空间被弯曲的错觉。

4 熵的“冷却”效应与钟慢效应

对于一个孤立的系统，时间间隔△t 与熵的变化量△S 呈正比，与熵变化的速率V 呈反比，即△t=△S/V，此即熵的时间方程式。从本质上看，孤立系统熵增的过程就是孤立系统本身所拥有的自由能驱动构成系统的所有粒子在空间中加速运动扩散的过程。由于空间中充满了超媒质体，系统的熵在增大的过程中，会有一部分自由能用来克服超媒质体的阻力做功。时钟运转的过程实际上就是时钟熵增的过程，与静止在地面上的时钟比较，在地面上运动的时钟其熵增的过程中需要消耗更多的自由能来克服超媒质体的阻力，导致其熵增加得比较慢，运转得比较慢。与静止在太空中的时钟比较，静止在地球上的时钟熵增的过程中要消耗一部分自由能来克服引力做功，导致其熵增加得比较慢，运转得比较慢。就像地球上空气无处不在那样，在宇宙中超媒质体也是无处不在的。由于超媒质体无处不在，宇宙中的任何事物都是彼此联系互相影响的，没有一个真正孤立的物质系统。每个小系统都处在比它大的系统中，而这个大系统又处在比它更大的系统中。小系统的熵增速变慢总是以大系统的熵增速变快为代价的。举个列子，把一条鱼放在冰箱里冷冻保存，相比于放在冰箱外面常温保存的鱼，冰箱里的鱼(小系统)熵增速变慢了，可保存的时间更长了。但由于冰箱需要不断地消耗能量来维持冰箱内的低温状态导致大系统的熵增速变快了。由此可见，钟慢效应只是熵“冷却”效应的一种表现，并不是时间真的变慢了。