Стефан Гифт. Успешный поиск эфирного ветра в модифицированном эксперименте Майкельсона-Морли с использованием gps, 2012



жүктеу 134.44 Kb.
Дата24.04.2016
өлшемі134.44 Kb.

Стефан Гифт. Успешный поиск эфирного ветра в модифицированном эксперименте Майкельсона-Морли с использованием GPS, 2012


Stephan J. G. Gift

Отдел электротехнических и компьютерных прикладных наук

Технический факультет

Униветситет Вест-Индии

Сент-Августин, Тринидад и Тобаго, Вест-Индия

Tel: 868-662-2002 ext. 2166 E-mail: Stephan.Gift@sta.uwi.edu


Получено: 18 ноября 2011 Принято: 5 декабря 2011 Опубликовано: 1 февраля 2012

doi:10.5539/apr.v4n1p185 URL: http://dx.doi.org/10.5539/apr.v4n1p185

www.ccsenet.org/apr Applied Physics Research, Том. 4, №1; февраль 2012, С.185

ISSN 1916-9639 E-ISSN 1916-9647

Опубликовано Канадским центром науки и образования (Canadian Center of Science and Education).
Была выявлена результирующая эфирного ветра из вращения Земли. Это было сделано с использованием технологии GPS в модифицированном эксперименте Майкельсона-Морли. Оригинальный эксперимент Майкельсона-Морли производил поиск эфирного ветра наблюдением разницы времени пути света туда и обратно с использованием сдвига полос интерференции. Этот метод ограничен эффектами сокращения длины, которые значимо сокращают какие-либо сдвиги полос. В модифицированном эксперименте затраченное время для однопутевого прохождения света прямо определяется с использованием часов GPS. Метод выдает различия время пути для прохождения света в Восточно-Западном направлении, но не в Северно-Южном направлении, соответствуя эфирному ветру, вызванному вращением.

Ключевые слова: Эксперимент Майкельсона-Морли, Эфирный ветер, GPS, Синхронизированные часы, Однопутевая скорость света, фрейм ECI.

1. Введение


Один из наиболее знаменитых экспериментов всех времен является эксперимент Майкельсона-Морли 1887 года, который производит поиск эфирного ветра и основан на сдвиге полос интерферометра (Майкельсон и Морли, 1887). Этот эксперимент включает интерферирующие лучи света, которые пропускаются под прямым углом в подвижном аппарате.

Он был разработан для выявления скорости орбитального движения Земли через гипотетический эфир, используя ожидаемое изменение скорости света, возникающего из движения по или против взаимодействующего эфирного ветра. Поскольку световой луч был двухпутевым, эксперимент имел второй порядок в том, что искомый сдвиг полос был пропорционален второй степени от отношения орбитальной скорости Земли и скорости света c. Сдвиг полос, наблюдаемый Майкельсоном и Морли, был значительно меньше, чем ожидаемый как результат вращения Земли и был, в основном, интерпретирован как имеющий, по существу, нулевой результат.

Важное усовершенствование базового эксперимента было представлено T. S. Jaseja и др. (1964) в 1964 году. Эти исследователи применили лазерную технологию, чтобы реализовать рост чувствительности в 25 раз по отношению к оригинальному эксперименту, но не обнаружили изменений в частоте биения системы в пределах своей точности измерений. Позднее усовершенствованная версия эксперимента Jaseja была выполнена Brillet и Hall (1979) в 1979 году; исследователи искали анизотропию скорости света в форме изменений резонансной частоты объемного резонатора. Эти исследователи заявили 4000-кратное улучшение измерений Jaseja и др. и снова не определили изменений.

Современные версии эксперимента Майкельсона-Морли развивались в русле подхода Brillet and Hall с использованием электромагнитных резонаторов, которые исследовали изотропию скорости света. Эти системы, в общем, сравнивают резонансные частоты двух ортогональных резонаторов в соответствии с орбитальным вращательным движением. Различные версии этого современного эксперимента типа Майкельсона-Морли включают таковые авторов Muller и др. (2003), Wolfe и др. (2004), Hermann и др. (2005), Antonini и др. (2005), Muller и др. (2007), Eisele и др. (2009) и Hermann и др. (2009). Эти эксперименты прогрессивно снижали лимит анизотропии скорости света. Самые последние из них установили верхний лимит δc / c < 10–17, значение величины, которая на много порядков ниже отношению для изменения скорости света, которая должна при наличии эфира быть результатом орбитального движения Земли 29,765 м/с (δc/c≈10–4) или даже ее меньшей скорости поверхности при ее вращении 463.8 м/с (δc/c ≈10–6).

Несмотря на эту коллекцию экспериментов с отрицательным результатом, Демьянов (2010) недавно сообщил о положительных сдвигах полос в эксперименте Майкельсона-Морли, с использованием оптически плотной среды. Согласно отчету, сдвиг полос исчезает, когда оптически плотная среда заменяется на вакуум, из-за сокращения второго порядка длины плеча, которое параллельно направлению движения аппарата. Это, как заявил исследователь, объясняет примерно нулевые результаты многих экспериментов типа Майкельсона-Морли (Демьянов, 2011). Демьянов также описал эксперимент первого порядка по Майкельсону и Морли, в котором наблюдались положительные сдвиги полос (Демьянов, 2010). В эксперименте подобного типа, использующего оптически плотную среду, Галаев (2002) сообщил о положительных сдвигах полос в модифицированном эксперименте Майкельсона-Морли. В дополнение к полученным им данным, о положительных результатах определения орбитального движения Земли сообщалось в экспериментах, основанных на эффекте Рёмера (Gift, 2006), эффекте Допплера (Gift, 2006) и аберрации Брэдли (Штырков, 2005). Похоже, однако, что ни один из этих положительных результатов не привлек внимания научного сообщества.

В поисках эфирного ветра в результате вращательного, а не орбитального движения Земли, мы используем основной эксперимент Майкельсона-Морли с модификацией. Вместо того чтобы косвенно определять разницы во времени для прохождения света туда и обратно вдоль плеча аппарата с использованием интерферометрии, как это было сделано в оригинальном эксперименте, мы используем синхронизированные часы GPS, чтобы непосредственно определить время одностороннего пропускания света вдоль плечей аппарата. Широко используемая система GPS была строго и тщательно протестирована и проверена. Ее синхронизированные часы работают в широком диапазоне приложений для измерения времени, включая отметки времени бизнес-транзакций, сетевой синхронизации и времени передачи. Система недавно была использована для точного поддержания синхронизации в эксперименте OPERA в ЦЕРНе по измерению времени прохождения быстрых нейтрино (OPERA, 2011). Эта современная система, таким образом, подходит для определения времени пути на фиксированном расстоянии, как в предлагаемых нами тестах.

Sardin (2004) ранее предложил прямые измерения времени прохождения света вдоль плеча устройства Майкельсона-Морли, используя LIGO со множественными отражениями. Этот тест не был проведен из-за несовершенной чувствительности оборудования. Подход, предложенный в этой статье, не сталкивается с этой проблемой, так как отличительной чертой метода является то, что время прохождения света непосредственно доступно из алгоритма синхронизации часов GPS, принятого CCIR, что делает фактические времена прохождения сигнала совершенно ненужными (Gift, 2010). Принципиально определение времени пролета на любом расстоянии от поверхности Земли возможно с помощью этого метода.

Рис. 1. Эксперимент Майкельсона-Морли.



2. Оригинальный эксперимент Майкельсона-Морли (1887)


Основной аппарат оригинального эксперимента Майкельсона-Морли показан на рис. 1, где устройство движется со скоростью v через гипотетический эфир в направлении PM1. Свет из источника S расщепляется на два луча светоделителем P. Один луч движется от P до зеркала M1 и возвращается назад и отражается на P в интерферометр I. Второй луч отражается от P к зеркалу M2 и возвращается, проходя через P в интерферометр I, где оба луча формируют интерференционную картину. В рамках движущегося аппарата в результате эфирного ветра результирующая скорость света между P и M1 должна быть cv по направлению к M1 и c + v по направлению к P, тогда как результирующая скорость света между P и M2 должна составить (c2v2)1/2 в обоих направлениях. Для длин оптического пути PM1 = l1 и PM2 = l2 время t1(a) прохождения света от P до M1 составляет

(1)
и время t1 (b) для прохождения света от M1 до P выражается как
(2)
Таким образом время прохождения света вдоль дано выражением

(3)
Время t2 (a) для прохождения света от P до M2 составляет

(4)
и время t2 (b) для прохождения света от M2 до P составит

(5)
Таким образом время прохождения света вдоль PM2 составит

(6)

Различие времени ΔT имеет вид



(7)

Если аппарат повернуть на 90°, так что PM2 окажется по линии движения, разница времени составит



(8)

Разница в этих различиях времени составляет



(9)

Если l1 = l2 = l, тогда это сокращается до



(10)

Сдвиг полос, который пропорционален значению (данному выражением ) ожидается к появлению в интерферометре. Временная разница имеет второй порядок и значительно уменьшается за счет сокращения длины, возникающего из движения через эфир (Демьянов, 2010, 2011). Вот почему эксперименты типа Майкельсона-Морли были в основном неуспешными в определении эфирного ветра.


3. Модифицированный эксперимент Майкельсона-Морли


Доступность аккуратно синхронизированных часов в GPS позволяет прямое определение однопутевого светового пути. Так, в модификации оригинального аппарата Майкельсона-Морли часы GPS расположены в P, Ml и M2 на рис.1. Дополнительно плечо PM1 ориентировано вдоль линии широты и плечо PM2 спозиционировано вдоль линии долготы. Как результат вращения Земли существует движение аппарата со скоростью v = w в направлении PM1 на восток, где w – вращательная скорость поверхности Земли на определенной широте.

3.1 Измерение времени вдоль PM1


Время t1(a)GPS измеренное часами GPS в P и M1 для светового пути из P в M1 составляет (Gift, 2010; Marmet, 2000; Ashby, 2003)

(11)

тогда как из выражения (1) теории эфира



(13)

Отсюда t1(a)GPS = t1(a) и эфирный ветер, происходящий из вращения Земли оказывается определен. Время t1(b)GPS измеренное часами GPS для светового пути от M1 до P составляет (Gift, 2010; Marmet, 2000; Ashby, 2003)



(14)

тогда как из выражения (2) эфирной теории



(15)

Отсюда t1(b)GPS = t1(b) и эфирный ветер, происходящий из вращения Земли, оказывается снова выявленным. Из эфирной теории, так же как и из измерений времени следует различие времени движения туда и обратно вдоль PM1, данное выражением



(16)
Результат (16) является результатом первого порядка и таким образом не зависит от сокращения длины второго порядка, как и от результата второго порядка (10) в обычных экспериментах типа Майкельсона-Морли. Уравнение (16) было тщательно проверено в операциях с GPS.

3.2 Измерение времени вдоль PM2


Время t2(a)GPS для светового пути от P до M2 измеряется часами GPS в P и M2, составляя (Marmet, 2000; Ashby, 2003)

(17)

тогда как из выражения (4) эфирной теории



(18)

Отсюда t2(a)GPS = t2(a) и эфирная теория подтверждается измерениями GPS. Время t2(b)GPS для светового пути от M2 до P измеряется часами GPS и составляет (Marmet, 2000; Ashby, 2003)



(19)

тогда как из выражения (5) эфирной теории



(20)

Отсюда t2 (b)GPS = t2 (b) и эфирная теория снова подтверждается измерениями GPS. Из эфирной теории, так же как и из измерений времени часами GPS, различие во времени пути туда и обратно вдоль PM2 дается выражением



(21)

Это было подтверждено актуальными измерениями GPS, которые показали, что в отличие от пути восток-запад, нет различия времени между световыми путями с севера на юг и обратно.


4. Обсуждение


Модифицированный эксперимент Майкельсона-Морли, использующий синхронизированные часы GPS для прямого измерения времени световых путей в прямом и обратном направлении вдоль плечей аппарата определил эфирный ветер, происходящий из вращательного движения Земли. Часы непосредственно подтвердили времена световых путей для измененнной скорости света c + w в направлении восток-запад, являющейся результатом эфирного ветра, так как аппарат движется через среду со скоростью w, соответствуюшщую скорости вращения поверхности Земли на определенной широте. Различие времени между прямым и обратным световым путем в направлении движения является эффектом первого порядка и, таким образом, невосприимчиво к эффектам сокращения длины второго порядка, возникающим в плече, параллельном направлению движения. Эксперимент сознательно ограничен параметрами оригинального аппарата Майкельсона и Морли, где систему отсчета принято считать примерно инерциальной и где повсеместно принимается специальная теория относительности (Rindler, 2006). Это сделано, чтобы свести на нет все возражения по поводу вращающихся координат и неинерциальных систем отсчета, которые никогда не возникают в оригинальном эксперименте Майкельсона и Морли или в некоторых из современных версий этого эксперимента. При текущем пределе разрешения часов GPS, если есть желание произвести оригинальные тесты, эффективная длина пути может быть, в принципе, произвольно увеличина применением повторных отражений света вдоль каждого плеча аппарата, как это сделано в современных экспериментах этого типа.

Из этого анализа очевидно, что измерения времени, особенно, разница времени , применяется за пределами ограничений аппарата. Два случая, связанные со средней длиной пути между Сан-Франциско и Нью-Йорком и длинным путем вокруг Земли были описаны в литературе. Мармет (Marmet, 2000) обсудил случай светового пути между Сан-Франциско и Нью-Йорком — оба города находятся на одной и той же широте, причем, Нью-Йорк на 4500 км восточнее Сан-Франциско. Для этих двух городов 28 нс, что означает, что перемещение света из Сан-Франциско в Нью-Йорк занимает на 28 нс больше времени, чем перемещение света из Нью-Йорка в Сан-Франциско. Эшби (Ashby 2003) и Келли (Kelly 2005) обсудили случай светового пути, который опоясывает Землю вдоль экватора. Здесь141.8 нс и снова это означает, что свет перемещается в восточном направлении вокруг экватора на 414.8 нс дольше, чем кругосветное движение в западном направлении.

Следует отметить, что разница во времени для света, распространяющегося в направлении Восток-Запад, найденная в модифицированном эксперименте Майкельсона-Морли, соответствует изменениям скорости света c ± w, которые были непосредственно обнаружены с помощью синхронизированных часов GPS (Gift, 2010), а также ранговыми уравнениями GPS (Gift, 2011). Это выглядит как особенность распространения света на поверхности Земли, которая вращается в геоцентрической инерциальной системе отсчета. Факт, что ни орбитальное, ни галактическое движение Земли не влияет на эти измерения скорости света предполагает, что геоцентрическая инерциальная система отсчета является привилегированной системой отсчета, связанной с Землей. Однако, Хатч (Hatch, 2004) показал, что такое поведение является следствием систематического отклонения часов, подразумевающее, что привилегированная система отсчета не обязательно переносится вместе с Землей, как это кажется. Интересно, что анизотропия скорости света, происходящая из движения Земли также сообщалась в лазерном дифракционном эксперименте (Navia, 2007) и, как представляется, есть свидетельства анизотропии скорости распространения света на космологических расстояниях (Nodland, 1997).

5. Заключение


Модифицированный эксперимент Майкельсона-Морли, применяющий часы GPS вместо интерферометра для прямого измерения времени светового пути вдоль плечей системы выявил эфирный ветер, появляющийся при вращении Земли. Времена светового пути были прямо определены и были, таким образом, существенно независимы от эффектов сокращения длины второго порядка, который появляется в обычном эксперименте Майкельсона-Морли. Использованный подход не требует измерения действительных времен, но применяет новую особенность GPS, выявленную автором (Gift, 2010) где время светового пути прямо доступно из алгоритма синхронизации часов CCIR. Модифицированный эксперимент успешно определил эфирный ветер для вращательного движения, тогда как все другие эксперименты типа Майкельсона и Морли, за исключением экспериментов Демьянова и Галаева, были признаны дающими нулевой результат.

Эксперимент Майкельсона-Геля (Michelson-Gale, 1925) в 1925 г. дал положительный результат и, судя по всему, обнаружил эфирный ветер, связанный со вращением Земли. Однако, иногда выдвигается возражение, что из-за расширенных размеров аппарата на вращающейся Земле этот эксперимент включает вращающиеся координаты и неинерциальную систему отсчета. Таким образом, в результате изменения скорости света могут происходить положительные сдвиги полос без несовместимости с постулатом о неизменности скорости света в СТО, которая применяется только к инерциальным системам отсчета (Brown, 2011). Мы не согласны с этим возражением, поскольку размеры аппарата могут быть принципиально уменьшены так, что они составят примерно инерциальную систему отсчета, все еще производят положительный результат, используя достаточно чувствительное оборудование. Тем не менее для того, чтобы отрицать это возражение, в модифицированном ММ-эксперрименте, описанном в этой статье, аппарат ограничен размерами оригинального ММ-эксперимента, где система отсчета считается примерно инерциальной. Здесь СТО прямо применима и предсказывает нулевое различие времени светового пути между равными плечами, расположенными под прямым углом, и следовательно нулевой результат (Rindler, 2006).

Таким образом определенный эфирный ветер в модифицированном ММ-эксперименте в этой приблизительно инерциальной системе отсчета является законным и показывает привилегированную систему отсчета, о которой ранее сообщалось автором (Gift, 2006) и Штырковым (Shtyrkov, 2005), а также Демьяновым (Demjanov, 2010) и Галаевым (Galaev, 2002). Это согласуется с привилегированной системой отсчета, связанной со множеством «эквивалентных» преобразований, определенных Селлери (Selleri, 2004). Это множество содержит все возможные преобразования (в том числе преобразование Лоренца специальной теории относительности), которые соединяют две инерциальные системы при разумных предположениях и которые отличаются только параметрами синхронизации. При этом успешном обнаружение эфира, в последнее время прилагаются усилия по повторной интерпретации специальной теории относительности при наличии выделенной системы, которые, как ожидается, приобретают большую значимость как попытки спасти эту теорию (Guerra и Abreu, 2006; Perez, 2010). Кроме того, установленное существование эфира, скорее всего, будет иметь последствия для анализа и возможных интерпретации результатов эксперимента OPERA, где были зарегистрированы сверхсветовые нейтрино (OPERA, 2011).

Ссылки


Antonini, P., M. Okhapkin, E. Goklu, & S. Schiller. (2005). Test of Constancy of Speed of Light With Rotating Cryogenic Optical Resonators. Physical Review A, 71, 050101. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.71.050101

Ashby, N. (2003). Relativity in the Global Positioning System. Living Reviews in Relativity, 6, 1.

Brillet, A., & J. L. Hall. (1979). Improved Laser Test of the Isotropy of Space. Physical Review Letters, 42, 549. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.42.549

Brown, K. (2011). Reflections on Relativity, Lulu.com, 2011. [and also Online] Available: http://www.mathpages.com/rr/rrtoc.htm

Demjanov, V. V. (2010). Physical interpretation of the fringe shift measured on Michelson interferometer in optical media. Physics Letters A, 374, 1110. http://dx.doi.org/10.1016/j.physleta.2009.12.068

Demjanov, V. V. (2011). What and how does a Michelson interferometer measure? arXiv:1003.2899v4 [physics.gen-ph] 18 January.

Demjanov, V. V. (2010). Michelson Interferometer Operating at Effects of First Order with Respect to v/c (the third method of measuring the speed of "aether wind"), arXiv:quant-h/0103103v3 19 April.

Eisele, C, A. Nevsky, & S. Schiller (2009). Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10-17 Level. Physical Review Letters, 103, 090401. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.090401

Galaev, Y. M. (2002). The Measuring of Ether-Drift Velocity and Kinematic Ether Viscosity Within Optical Wavebands, Spacetime & Substance 3 (5,15), 207.

Gift, S. J. G. (2006). The Relative Motion of the Earth and the Ether Detected. Journal of Scientific Exploration, 20, 201.

Gift, S. J. G. (2010). One-Way Light Speed Measurement Using the Synchronized Clocks of the Global Positioning System (GPS). Physics Essays, 23, 271. http://dx.doi.org/10.4006/L3361840

Gift, S. J. G. (2011). One-Way Light Speed Determination Using the Range Measurement Equation of the GPS. Applied Physics Research, 3, 110.

Guerra, V., & R. de Abreu. (2006). On the Consistency Between the Assumption of a Special System of Reference and Special Relativity. Foundations of Physics, 36, 1826. http://dx.doi.org/10.1007/s10701-006-9085-5

Hatch, R. R. (2004). Those Scandalous Clocks. GPS Solutions, 8, 67. http://dx.doi.org/10.1007/s10291-004-0092-8

Hermann, S., A. Senger, E. Kovalchuk, H. Muller, & A. Peters. (2005). Test of the Isotropy of the Speed of Light Using a Continuously Rotating Optical Resonator. Physical Review Letters, 95, 150401. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.150401

Herrmann, S., A. Senger, K. Mohle, M. Nagel, E. V. Kovalchuk, & A. Peters. (2009). Rotating Optical Cavity Experiment Testing Lorentz Invariance at the 10-17 Level. Physical Review D, 80, 105011. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.80.105011

Jaseja, T.S., A. Javan, J. Murray, & C. H. Townes. (1964). Test of Special Relativity or of the Isotropy of Space by Use of Infrared Masers. Physical Review, 133, A1221. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.133.A1221

Kelly, A. (2005). Challenging Modern Physics. BrownWalker Press, Florida.

Marmet, P. (2000). The GPS and the Constant Velocity of Light. Acta Scientiarum, 22, 1269.

Michelson, A. A., & E. W. Morley. (1887). The relative motion of the Earth and the luminiferous aether. Am. J. Sci., ser. 3, v.34, 333.

Michelson, A. A., & H. E. Gale. (1925). The Effect of the Earth’s Rotation on the Velocity of Light. Astrophysical Journal, 61, 140. http://dx.doi.org/10.1086/142879

Müller, H., S. Herrmann, C. Braxmaier, S. Schiller, & A. Peters. (2003). Modern Michelson-Morley Experiment using Cryogenic Optical Resonators. Phys. Rev. Lett. 91, 020401. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.020401

Müller, H., P. L. Stanwix, M. E. Tobar, E. Ivanov, P. Wolf, S. Herrmann, A. Senger, E. Kovalchuk, & A. Peters. (2007). Relativity tests by complementary rotating Michelson-Morley experiments. Phys. Rev. Lett., 99(5): 050401. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.050401

Navia,C. E., C. R. Augusto, D.F. Franceschini, M. B. Robba, & K. H. Tsui. (2007). Seach for Anisotropic Light Propagation as a Function of Laser Beam Alignment Relative to the Earth’s Velocity Vector. Progress in Physics, 1, 53.

Nodland, B., & J. P. Ralston. (1997). Indication of Anisotropy in Electromagnetic Propagation over Cosmological Distances. Physical Review Letters, 78, 3043. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.3043

Perez, I. (2010). The Physics Surrounding the Michelson-Morley Experiment and a New Aether Theory. arXiv:1004.0716v3 [physics.gen-ph] 15 Dec.

Rindler, W. (2006). Relativity Special, General and Cosmological, 2nd edition, Oxford University Press, New York.

Sardin, G. (2004). Testing Lorentz symmetry of special relativity by means of the Virgo or Ligo set-up, through the differential measure of the two orthogonal beams time-of-flight, arXiv:physics/0404116v1 [physics.gen-ph] 25 April.

Selleri, F. (2004). Recovering the Lorentz Ether. Apeiron, 11, 246.

Shtyrkov, E. I. (2005). Observation of Ether Drift in Experiments with Geostationary Satellites, Proceedings of the Natural Philosophy Alliance, pp201-205, 12th Annual Conference, Storrs CT, 23-27, May.

OPERA Collaboration. (2011). Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, arXiv:1109.4897, 23 September.

Wolf, P., S. Bize, A. Clairon, G. Santarelli, M.E. Tobar, & A.N. Luiten. (2004). Improved Test of Lorentz Invariance in Electrodynamics. Physical Review D, 70, 051902. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.70.051902



Перевод: Р.Г.Чертанов, 15 марта 2013 г.



©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет