[论文解读] One-Way Speed of Light Measurements Without Clock Synchronisation

Reginald T. Cahill|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2012

Geophysics and Sensor Technology参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文展示了，通过利用射频同轴电缆中不存在斐涅耳拖曳效应的特性，无需时钟同步即可实现单向光速测量，从而检测地球在空间中的运动。该方法经由DeWitte于1991年的实验验证，并通过现代双电缆装置得到确认，揭示了光速的一阶各向异性，与一个约486 km/s的优选惯性参考系一致，方向为赤右 Ascension=4.3 h，赤纬=−75°。

ABSTRACT

The 1991 DeWitte double one-way 1st order in v/c experiment successfully measured the anisotropy of the speed of light using clocks at each end of the RF coaxial cables. However Spavieri et al., Physics Letters A (2012), doi: 10.1016/j.physleta_2012.0010, have reported that (i) clock effects caused by clock transport should be included, and (ii) that this additional effect cancels the one-way light speed timing effect, implying that one-way light speed experiments "do not actually lead to the measurement of the one-way speed of light or determination of the absolute velocity of the preferred frame". Here we explain that the Spavieri et al. derivation makes an assumption that is not always valid: that the propagation is subject to the usual Fresnel drag effect, which is not the case for RF coaxial cables. As well DeWitte did take account of the clock transport effect. The Spavieri et al. paper has prompted this clarification of these issues.

研究动机与目标

• 解决关于单向光速实验是否能在无需时钟同步的情况下测量绝对运动的争议。
• 回应Spavieri等人提出的时钟传输效应会抵消单向光速信号的主张。
• 证明射频同轴电缆中不存在斐涅耳拖曳效应，使得光速各向异性的第一阶测量成为可能。
• 验证DeWitte 1991年的实验，并通过单时钟双电缆技术加以扩展，以提高实验的鲁棒性。
• 为与历史及空间探测器多普勒频移数据一致的优选惯性参考系提供实证依据。

提出的方法

• 采用双单向射频同轴电缆装置（图1），在两端设置时钟，测量信号传播时间差，无需预先同步。
• 利用同轴电缆中不存在斐涅耳拖曳效应的特性，其中相速度为 v_phase = c/n，不受流体类拖曳效应影响。
• 将单向传播时间建模为 t_AB = nL/c + v cos(θ)Ln²/c²，其中 v 为地球相对于优选参考系的速度。
• 通过相对论时间膨胀效应考虑时钟传输影响：Δτ ≈ −(v·u)/c² dt，该效应在地球自转过程中被积分。
• 采用双电缆配置（图4），使用不同折射率以消除温度漂移，隔离 v cos(θ) 信号。
• 使用单一10 MHz射频信号源和数字存储示波器（DSO）测量时间差 Δt = 2v cos(θ)L(n₁²−n₂²)/c²。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射频同轴电缆中不存在斐涅耳拖曳效应的前提下，是否可以实现无需时钟同步的单向光速测量？
• RQ2 Spavieri等人所声称的时钟传输效应是否真的会抵消单向光速各向异性信号？
• RQ3 同轴电缆中不存在斐涅耳拖曳效应是否足以实现对地球在空间中绝对运动的探测？
• RQ4 能否通过现代单时钟双电缆技术独立验证DeWitte 1991年实验的结果？
• RQ5 观测到的时间变化是否与恒星时相关，表明相对于优选惯性参考系的运动？

主要发现

• DeWitte 1991年的实验成功利用1.5公里长的射频同轴电缆测量到光速的一阶各向异性，检测到与地球运动速度约500 km/s一致的信号。
• 采用单时钟的双电缆探测器通过抵消温度引起的漂移，实现了高稳定性，并成功隔离了 v cos(θ) 信号。
• 观测到的时间变化与恒星时高度吻合（斜率 −3.918 min/day，与预期的 −3.932 min/day 非常接近），证实了地球相对于优选参考系的自转运动。
• NASA探测器飞越任务的多普勒频移数据预测动态范围为5.06 ps，与20米电缆实验的观测数据高度一致。
• 所有数据——迈克尔逊-莫雷实验、米勒实验、DeWitte实验、Cahill实验以及飞越任务数据——均指向太阳系速度约为486 km/s，方向为赤右 Ascension=4.3 h，赤纬=−75°。
• 同轴电缆中不存在斐涅耳拖曳效应，否定了Spavieri等人关于时钟传输效应会抵消信号的主张，因为其推导基于错误的传播模型。