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斐索流水测光实验概述

2020/10/30   维加斯新闻报
张宏

    斐索流水实验是阿曼德·斐索1851年进行的一项实验。他在本实验中，使用了一台特制的干涉仪测定了光在运动的水中的相对速度。
    基于当时盛行的理论，在运动介质中传播的光会被介质拖动，导致最终测到的光速是光和介质的相对速度与介质运动速度的和。斐索在实验中探测到的拖拽效应比预期弱了很多。他的结果在当时被看作是奥古斯丁·菲涅耳的“以太部分拖拽假说” 的证据，但直到半个多世纪后才通过阿尔伯特·爱因斯坦发展的狭义相对论得到完满的解释。爱因斯坦本人认为该实验对于狭义相对论非常重要。
    从右侧光源S′发出的光线被分光镜G反射后成为发散光，经透镜L聚焦为两束平行光。两束光线在通过狭缝O1和 O2后进入管道A1和A2。两个管道分别按照箭头所指的方向通入水流。在透镜L′焦点处放置的平面镜m在图中最左侧。最终两束光线会在图中最右侧S处会聚，形成干涉条纹。干涉条纹可以用来分析水管中的光速。
    假设管中水流速度为v。当n是水的折射率时，静水中的光速是c/n。实验发现，逆着水流传播的光速c逆水会比顺着水流传播的光速c顺水慢。观察者看到的两束光重新会聚形成的干涉条纹取决于两束光的光程差。它可以用来确定光速与水速之间的函数关系。斐索发现
c顺水=c/n+v(1-1/n2)=c/n+v-v/n2
    此函数公式表明，光顺着水流时的光速，并不是c/n+v，而是还要减去v/n2。
    1910年，弗朗茨·哈雷斯（Franz Harress）使用了可以旋转的仪器来确认菲涅耳拖拽系数。不过，他发现数据存在“系统性的偏差”。后来他发现这是由萨尼亚克效应造成的。从那时起，许多测量拖拽系数的结果也都伴有萨尼亚克效应的影响。比如，使用转盘与环形激光的实验或者中子干涉实验。此外，相关研究人员还发现了垂直于光运动的介质产生的横向拖拽效应。
    费尔特曼1870年提出对于不同波长的光，对应的拖拽系数并不相同，因为不同色光的折射率不同。马斯卡尔则在1872年测定双折射介质中偏振光的情况时也得到了类似结果。
尽管这些物理学家都对菲涅耳的以太部分拖拽假说表示不满，但这种假说还是得到了其他科学家在更高精度下的验证。
    以太部分拖拽假说除了本身有问题之外，还与迈克耳孙-莫雷实验（1887）的结果并不兼容。在菲涅耳的假说里，以太几乎绝对静止，所以通过迈克尔孙-莫雷实验应该能得到以太存在的证据。但迈克尔孙-莫雷实验的结果表明绝对静止的以太不可能存在。从以太模型的角度来说，当时的实验结果之间存在很大的分野：一方面，光行差、斐索实验以及后续重复实验支持“以太部分拖拽模型”；另一方面，迈克耳孙-莫雷实验则支持以太相对于地球完全静止的“完全以太拖拽模型”。由此引起的理论危机直到狭义相对论出现后才得到解决。
    1895年，洛伦兹基于局部时的概念给出了菲涅耳系数更为普遍的解释。然而，洛伦兹的理论与菲涅耳的理论具有相同的基础问题，即不能与迈克耳孙-莫雷实验的结果相调和。所以洛伦兹在1892年提出了运动物体会在运动方向上发生长度收缩的假说（乔治·斐兹杰惹也在1889年提出类似假说）。他后来又继续发展能够描述这些效应的方程。最终的方程组后来叫做“洛伦兹变换”。这个方程组与爱因斯坦后来从第一性原理推得的方程组形式相同。但与爱因斯坦的方程组不同的是，洛伦兹的方程组只是特例假设，也就是说它们只是为了使已有的理论成立才设立的。
爱因斯坦后来展示了洛伦兹的方程组如何从狭义相对论的两条公设推出。除此之外，爱因斯坦还认定静止以太在狭义相对论中没有存在的必要，并且洛伦兹变换与时空本身性质有关。与移动中的磁铁与导体问题、以太零漂移实验以及光行差问题一样，斐索实验是促成爱因斯坦形成相对性思想的关键实验结果之一。罗伯特·尚克兰与爱因斯坦曾经有过几次交流。爱因斯坦是这样强调斐索实验的重要性的：他接着说道，对他影响最大的实验结果是天体光行差的观测以及斐索对于流动的水中光速的测定。“有它们就足够了。”他这样说。
马克斯·冯·劳厄在1907年展示了菲涅耳拖拽系数可以通过相对论中的速度加成式推出：
静水中的光速为c/n。根据相对论速度加成式v加成=（v1+v2）/（1+v1v2/c2），可以得到，实验室中观测到的流速为v的水流中光速（光的传播方向与水流方向一致）为：
c顺水=（c/n+v）/[1+(c/n）v/c2]=（c/n+v）/[1+v/（cn)]
因此速度差为（假设v相对于c非常小，可以在高阶项中省略）：
c顺水-c/n=（c/n+v）/[1+v/（cn)]-c/n={c/n+v-（c/n）[1+v/（cn)]}/[1+v/（cn)]
=v(1-1/n2)/[1+v/（cn)]≈v(1-1/n2)
此式在v/c ≪ 1成立，并与斐索得到的方程一致（斐索实验满足v/c ≪ 1）。
斐索实验也因此可以验证爱因斯坦速度加成式在合成速度共线的情况下成立。
二 斐索流水测光实验隐含的时空奥秘
斐索公式：c顺水=c/n+v(1-1/n2)=c/n+v-v/n2
相对论速度合成公式：c顺水=（c/n+v）/[1+(c/n）v/c2]=（c/n+v）/[1+v/（cn)]
n为折射率，n=c/c’，c’为介质中的光速，v为介质的运动速度。n的取值范围理论上为从1到无穷大，因为c’小于等于c。
当n=1时，表示真空介质的折射率。此时按照斐索公式，c顺空=c/n+v(1-1/n2)=c。按照更精确的相对论速度合成公式，c顺空=（c/n+v）/[1+v/（cn)]=c。c顺空与真空介质的运动速度v无关。于是得到时空奥义一：无论真空介质如何运动，真空介质对光速都毫无影响，真空介质丝毫不能拖拽光波。而真空介质的运动，其实就是所谓的以太风。所以，斐索实验和相对论同时都证明了以太风对光速毫无影响。因此，爱因斯坦认为，以太没有存在的必要。同时也意味着，用MM实验测量以太风对光速的拖拽，是毫无意义的。
当n大于1时，表示一般物体介质的折射率。此时按照斐索公式，c顺介=c/n+v(1-1/n2)<c。按照更精确的相对论速度合成公式，c顺空=（c/n+v）/[1+v/（cn)]<c。c顺介与物体介质的运动速度v有关。说明物体介质运动，对物体介质中的光速有一定拖拽，但不是完全拖拽。
在MM实验中，用c+v，c-v，以及（c2-v2)1/2，都是错误的和毫无意义的。按照斐索公式，c+v=c，c-v=c，以及（c2-v2)1/2=c，因为只要真空的折射率n=1，v就相当于永远是零。即使所谓的以太，以光速运动，对光波的速度都毫无影响。

那么一个以速度v运动的观测者，所测到的光速，还是c吗？下面列举两种现象作为对比。这两种现象都导致了旁观者看到了同样的相对速度。
现象一，运动观测者以速度v沿着光子的方向运动。在静止旁观者看来，运动观测者与光子的相对速度是（c-v）。
现象二，透明介质A处于静止，折射率n=c/(c-v)。在静止旁观者看来，透明介质A与光子的相对速度是（c-v）。
根据现象一与现象二，似乎可以引申理解，而得到时空奥义二：以一定速度匀速直线运动的观测者与静止的透明介质A等价。就好比，以一定加速度加速运动的观测者与静止在引力场等价。也就是说，运动的物体或观测者，相当于融入了某种透明介质中。且运动速度越大，相当于所融入的透明介质的折射率越大。
观测者以速度v运动，相当于观测者静止于折射率为c/(c-v)的透明介质中，并且观测者自身和工具与透明介质充分交叉融合。观测者与工具静止并融合于透明介质中时，观测者的钟和尺子会发生钟慢尺缩吗？
假设，观测者以近光速追光或迎光，相当于观测者进入一个极高折射率的高密度透明介质中并静止于介质中。在旁观者看来，光速在介质中确实慢如蜗牛，相当于光速相对介质中的观测者慢如蜗牛。那么融入这个高密度透明介质中的观测者，他（假设他还活着）所观测到的光速，也是慢如蜗牛？还是仍然为c？我们似乎可以这样认为，观测者融入高密度介质后，观测者和观测者的钟和尺子，都变得更致密而缩小了，连时钟也被凝固了一些，因此导致钟慢尺缩。结果是，融入高密度介质中的观测者，仍然会认为光速是c，而不是慢如蜗牛。
所以，从斐索实验，可以引申出时空奥义三：无论观测者如何运动，所观测到的真空中的光速，永远不变。这就是光速不变原理。
上述的时空的三个奥义，是根据斐索实验和斐索公式就可以直接推理得到的，不需要相对论。而爱因斯坦就是根据斐索实验，提出了自己的一套理论，完美解释了斐索实验。爱因斯坦的以太无存在必要，对应时空奥义一。光速不变，对应时空奥义三。而对时空奥义二，爱因斯坦丝毫未曾提及（也许是忽略了），这就导致大众在理解相对论时，丢失了一个逻辑链条。这个逻辑链条就是时空奥义二。而时空奥义二，才是斐索实验所应该揭示的极其重大的问题，但被相对论忽视了，也导致人类对时空的理解出现了重大纰漏。
时空奥义二：以一定速度匀速直线运动的观测者与静止的透明介质A等价。就好比，以一定加速度加速运动的观测者与静止在引力场等价。对比一下，静止在透明介质中，与静止在引力场。那么问题来了，静止在地面，受到的是引力场而且是向心力场。那么静止在透明介质中，受到的是什么力场？也是某种向心力场吗？答案是肯定的，透明介质中的力场就是电场，电场也是向心力场。在透明介质中，分子间有核外最外层电子的电场并形成共价键或离子键，原子中的所有核外电子都处于指向原子核的向心电场之中。
又有一个重大问题，同样是向心力场，引力场对应加速运动（有外力作用），电场对应匀速直线惯性运动（无外力作用），这种区别意味着什么奥妙吗？光波是波动的电场，因此光波遇到向心电场会受到部分拖拽。类似的描述是，声波是波动的空气，因此声波遇到空气风会受到部分拖拽。这两者的原理是相同的。进一步推理，光波是波动的电场，当光波进入没有电场的真空时，丝毫不受真空拖拽，保持原速运动。而声波是波动的空气，当声波进入没有空气当真空时，声波几乎停止或几乎消失。两者一对比，我们就会发现，真空中几乎没有空气，但真空中一定有相同密度的无力电场（虚电场，或叫虚光子海洋）。因此，电场就是向心流动的虚光子海洋，暂时也可认为电场就是向心流动的真空。