用實驗突破相對論

一、時間觀和空間觀

根據本知論哲學（見哲學著作《自在論》）原理，時間是實在化空間的系統(tǒng)化和序列化的結果。序列標記物一般選取運動周期相對穩(wěn)定的參照物，所以時間只是一種空間現象，應以空間來解釋時間而不能將時間絕對化或實在化。時間基本單位是以銫原子兩個超精細能階間躍遷輻射振蕩9,192,631,770個周期的持續(xù)時間作為1秒；空間長度基本單位是將光在真空中1/299,792,458秒的時間內所通過的距離作為一米。如果確認光子運動一樣遵循牛頓第一運動定律，光子做慣性運動，這樣看起來似乎空間單位還是以時間單位為基礎的，這不是以時間決定空間嗎？其實不然，雖然目前人們對銫原子振蕩周期的決定因素還沒有確切的研究結果，但我們起碼可以肯定的是，這個振蕩周期仍然是一種空間現象，只是它表現出比其他參照物運動特別穩(wěn)定的周期性，所以被人們作為標準時間序列標記參照物。這種空間現象仍然可繼續(xù)進行深入的探究，我們還可以發(fā)問，銫原子的兩個超細能階間的躍遷輻射振蕩周期又是由什么決定的？這個振蕩周期是不是就是永恒的？現在的科學研究顯示，這種表現穩(wěn)定的序列參照物卻并不能保持永恒一致的特性，精確的原子鐘在太空旅行一段時間后，人們發(fā)現其時間變慢了，而且旅行時間越長變慢得越多，這說明其表現為振蕩周期的時間節(jié)律并不是絕對恒定的。

人們從運動物體上測量各種光速所得到的結果一致，當然這是利用目前最為精確的原子鐘測得的結果。不論速度測量采用什么方法，人們都是根據距離除時間而計算得出速度值的，光速也是這樣測量和計算得出的結果。既然作為序列參照物原子鐘的時間在運動中會變慢，那么我們在運動時測光速的時間段就會相應變小，而目前測得的光速不變這個事實就可以說明，在運動物體中測光速時測得的光走行距離也應同比例地縮小，這樣才能確保實測的光速一致。雖然目前還沒有在運動物體上測量空間關系變化的數據，但從原子鐘變慢和光速不變這兩個測量事實中，根據速度計算公式我們就可得出相對運動的慣性系中的物體空間距離即空間密度變小的結論。因空間密度變小，測量儀器所測得光走行距離變小，原子鐘振蕩周期變慢即時間節(jié)律變小，而且兩者同比例變化，所以兩者相除后得到光速不變的計算結果。

二、實驗設計原理

我們可將速度變化使空間密度縮脹現象理解為是產生加速度的外力作用于慣性系內物體的結果，被加速的物體在被加速的方向上被施加了一個作用力，使物體內空間密度被壓縮，被減速的物體相當于已被壓縮的空間密度被釋放，時間的變化是因物體的空間縮脹而表現出來的一種現象。光速不變是光速測量結果的不變，是因慣性系的空間和時間同步變化而導致的。

如果在慣性運動的高鐵上，在平行和垂直于加速度兩個方向上，放置兩個儀器分別測量原為同一長度的空間距離。因為平行于加速方向擺放的測量儀器的空間長度被壓縮，而垂直于加速方向的測量儀器的空間長度將會保持不變。只要能測得同一慣性系內原兩個相同的空間距離在加速后光所走行的時間值不同，我們就可證明在運動后兩者的空間距離不同，因為慣性系內時間統(tǒng)一，從而可證明測量的光速不同。根據做相對運動的慣性系空間長度變化量，我們也就可據此推算出空間密度因子，又根據所測得的相對運動速度可計算出空間密度因子的理論值，再將兩者進行對比驗證，就可知道空間密度因子計算公式的推導是否正確。

三、實驗裝置設計

在高鐵上做實驗，高鐵運行速度按97..2m/s（約350km/h）計算。為了測得在高鐵勻速運動時的兩個相互垂直方向的儀器空間距離變化，就必須測得光的走行時間。實驗采用手持型微型銣原子鐘計時器，該原子鐘的最大頻率偏差范圍為5E-11 5E-12（注：科學記數法，表示5乘以10的負12次方）。如原子鐘的頻率準確度最大偏差按5E-11計算，那么相對應的光子走行距離最大測量偏差值就是：

S= 2.99792458E11 5E-11

=14.9896

15mm

高鐵運動時速按97.2m/s計算，根據空間密度因子計算公式（見《自在論》第二章第四節(jié)）可得：

β β= 1/（1－v/C）

=1/（1－1 97.2/299792458）

β 1.00000016214925

本次為實驗設計了兩套不同的裝置，均可用來測量驗證超光速是否可能和空間密度因子推導結果是否正確：

1. 一體方案

制造一個長寬高為1 1 0.2m密閉的分為二層（二層高均為0.1m）的長方體鋼箱。在一層鋼箱的寬度方向裝上兩面相互平行且與長度方向垂直的反光鏡，兩鏡之間的反射距離均為1m（誤差范圍為0.01mm），在一個鏡子兩端分別裝上引入和引出光線的裝置。在鋼箱的另一層的長度方向上也同樣裝上這樣的一套裝置。

鋼箱每層的兩面反射鏡之間的距離按1m計算，則在高鐵按97.2m/s速度運行測量期間，根據空間密度因子計算公式，理論上兩個方向反光鏡之間的空間距離之差值約為1.621E-4mm。而光的走行距離測量偏差最大值約為15mm，為了達到測量精度要求，只有使光在兩反射鏡之間多次反射，通過增加測量期間光所走行的距離，測量兩儀器中兩反射鏡之間距離的變化量。如果將入射光線與法線的夾角調為0.5秒，則光在兩平行的反射鏡間的走行距離可放大412529.61倍。從理論上講，兩個儀器的光走行距離之差就可從1.621E-4mm放大到66.87mm，銣原子鐘的最大15mm測量距離誤差就可基本滿足測量要求。如果在時速800km/h的飛機上實驗，則兩個方向的光走行距離之差從理論上講可從3.71E-4mm放大到153.0mm；如果在時速120km/h的汽車上實驗，則兩個方向的光走行距離之差從理論上講可從5.559E-5mm放大到22.9mm，原子鐘15mm的測量誤差使人難以看出兩者的距離差別。

2. 分體方案

制造二個長寬高均為1 0.3 0.2m密閉的長方體鋼箱。在每個鋼箱的寬度方向裝上兩面相互平行且與長度方向垂直的大反射鏡，兩鏡之間的反射距離為1m（誤差范圍為0.01mm）。在每個鋼箱兩反射鏡之間放置二個可小角度轉動的、與大兩反射鏡呈450夾角的、相互平行的兩個小反射鏡，一個小反射鏡（A）將激光發(fā)射器發(fā)射過來的激光反射到一個大反射鏡上，另一個小反射鏡（B）則將另一大反射鏡反射過來的激光反射到接收光線的感應器上。

同樣在350km/h時速運行的高鐵上做實驗，兩大反射鏡間距離亦按1m計，同樣需要通過多次反射增加光走行的距離。如果將光的走行距離通過反射增加到6E5m，則兩測量儀器的反射鏡間光的走行距離之差值就可放大到約1m，約是測量距離最大偏差值15mm的66倍。這個距離差值應控制在兩倍反射鏡間距以內，以避免一個儀器內的光因反射次數減少而提前到達，以至被少計時。

當小反射鏡（A）離開兩大反射鏡間光反射路徑時開始計時，至小反射鏡（B）到達兩大反射鏡間光反射徑路時（兩小反射鏡的機械控制部分可采用聯動裝置，以減少測量誤差）的時間間隔為：

T=6E5/299792458

=2.00138E-3s

3. 兩設計方案的優(yōu)缺點分析

一體方案不需要機械操作控制計時，實驗精度較高。但對反射鏡的平整度和箱體尺寸有較高的精度要求，對光線的入射角控制精度要求也很高，調試難度大，對載體的穩(wěn)定性要求亦很高。

分體設計方案對反射鏡的平整度和箱體尺寸的精度要求較低，光線控制較易，對載體穩(wěn)定性要求不是很高。但實驗需要機械控制小反射鏡的轉動，誤差不易控制，難以實現較高的實驗精度。

四、實驗結果數據預分析

物體在一個慣性運動方向上的空間密度是一致的，在空間三個維度方向，如果各自速度經過了不一樣的變化，那么它們的空間密度就不一致。因為時間是空間三個維度整體的一個統(tǒng)一維度，時間是空間三個維度變化的總結果，所以它在空間三個方向上的任一點都是同一的。在這兩個實驗中，運動的高鐵是一個慣性系，可將高鐵上的時間視為統(tǒng)一的。

為便于研究，我們可將與加速方向平行的儀器視作洛倫茲變換中的慣性系S’，在不考慮S’系相對運動后，即可將原為一個方向的光的運動視為光在一個較短區(qū)段內的往復運動。另一與加速方向垂直的儀器原是與S’系一樣的在高鐵內的慣性系，因為垂直方向速度沒有改變，所以它與S’系的空間密度不一致，因此我們可將之視為洛倫茲變換的慣性系S。因為與加速垂直的方向速度不變，所以可以將該方向視為與x軸同一方向。在實驗中兩個儀器記錄的有光從發(fā)射到被感應之間的時間間隔 t1’（垂直于加速方向）和 t2’（平行于加速方向），以及相應的高鐵運動速度v。

利用實驗數據，我們可驗證超光速是否可能和空間密度因子的推導是否正確。

1. 空間密度因子

儀器記錄的數據 t1’和 t2’首先應剔除在地面靜止測量時的差值。因為實驗中光在做往復運動，而不是朝一個方向運動，所以可不考慮S’系以v速的相對運動，因為往復運動必有一個過程與相對運動速度方向相反。因此，實驗可看作是利用光在兩慣性系中分別對同一空間距離進行測量，在各自的坐標系中的光速都為C，則有：

β=C t1/(( C t2′)/β)

β=β t1’/( t2’/β)

β= t2’/ t1′

因為時間與空間同比例變化，當光速相對于原慣性系不變時，在新慣性系內因為時間節(jié)律已改變，所以作為光速的尺子所測的距離相對于原慣性系也會隨時間同比例變化，即以光速作為尺子的坐標系S’系和實物空間密度同比例變化，所以測得的空間距離數值C t2’應除以β。

又通過實測的高鐵運動速度可計算出相應時刻的空間密度因子：

β β =1 /（1－v/C）

通過兩者比較就可驗證空間密度因子計算公式是否正確。

2. 超光速

因為時間節(jié)律一致，如果認為光線在同一慣性系做慣性運動，那么通過光在高鐵上所測的兩個儀器的反光鏡間的距離之差，應與地面上所測得距離之差一致。如果所測得的兩者間距之差值不同，根據光速等于距離除以時間的公式，就可證明兩個儀器中所測得的光速不相等。

因為垂直于加速方向儀器中的空間密度與S系一樣，在 t1’時間內光走行的空間距離就等于C t1，而它的時間節(jié)律又與S，相一致，所以在S，系的實測光速V’應該為：

V’-C t1/ t1′

= C t1′ β/ t1′

= C β C。

3.洛倫茲因子

對于洛倫茲公式γ=x/（x’ vt’），x可以利用地面實測數據。公式中的x’值，是以與x系相同的空間密度的尺子的坐標系得出的S，系中的值，這是件無法做到的事。vt’中的v值是x系中的速度值，vt’相乘后不能得到S，系中的距離值（參閱論文《用邏輯突破相對論》）。所以我們也就無法通過本實驗數據對作為相對論基礎的洛倫茲變換關系進行驗證。

如果按洛倫茲因子計算公式，在高鐵上一體實驗方案兩儀器的鏡子之間的距離差值就應為2.162E-5mm，而測量的差值理論上應為67mm，兩者差了6個數量級，不在可觀察范圍之內。