[论文解读] Lunar Laser Ranging Test of the Invariance of c

D. Y. Gezari|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2009

Quantum Mechanics and Applications参考文献 3被引用 7

一句话总结

本研究利用月球激光测距技术检验地球自转参考系中光速（c）的不变性。通过测量激光脉冲往返月球角反射器的时间，实验发现c比其标准值高出200±10 m/s——该偏差归因于观测站因地球自转产生的运动，表明存在一阶局部洛伦兹不变性破坏，暗示光传播存在优选参考系。

ABSTRACT

The speed of laser light pulses launched from Earth and returned by a retro-reflector on the Moon was calculated from precision round-trip time-of-flight measurements and modeled distances. The measured speed of light (c) in the moving observers rest frame was found to exceed the canonical value c = 299,792,458 m/s by 200+/-10 m/s, just the speed of the observatory along the line-of-sight due to the rotation of the Earth during the measurements. This is a first-order violation of local Lorentz invariance; the speed of light seems to depend on the motion of the observer after all, as in classical wave theory, and implies that a preferred reference frame exists for the propagation of light. However, the present experiment cannot identify the physical system to which such a reference frame might be tied.

研究动机与目标

• 使用月球激光测距技术，在运动参考系中检验光速（c）的不变性。
• 研究测量得到的光速是否依赖于观测者的运动，如经典波动理论所预测。
• 评估测量值与 c = 299,792,458 m/s 的偏差是否表明局部洛伦兹不变性遭到破坏。
• 基于飞行时间测量，判断光传播是否存在优选参考系。
• 在地球自转运动的背景下，量化测量值与标准c值之间的差异。

提出的方法

• 对从地球发射至月球反射器的激光脉冲进行高精度往返飞行时间测量。
• 利用星历数据和轨道力学模型化地月距离及激光传播路径。
• 根据测得的往返时间与建模的路径长度，计算单向光速。
• 在测量时段内，考虑观测站因地球自转沿视线方向的运动速度。
• 将测得的光速与标准值 c = 299,792,458 m/s 进行比较，以检测偏差。
• 对测量不确定度进行统计分析，得出结果为比c高出200±10 m/s。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地球基观测者的静止参考系中，测得的光速是否偏离标准值 c = 299,792,458 m/s？
• RQ2 观测到的偏差是否与观测站因地球自转产生的速度一致？
• RQ3 数据是否表明在光传播背景下存在一阶局部洛伦兹不变性破坏？
• RQ4 观测到的效应是否暗示光传播存在优选参考系？
• RQ5 本实验中测得的c值偏差的大小与不确定度是多少？

主要发现

• 在地球基观测者的静止参考系中，测得的光速比标准值 c = 299,792,458 m/s 高出 200±10 m/s。
• 观测到的超速与观测站因地球自转沿视线方向的速度分量一致。
• 该结果构成了一阶局部洛伦兹不变性破坏，符合经典波动理论的预测，但与狭义相对论不符。
• 本实验未确定优选参考系所关联的物理系统。
• 该偏差在统计上显著，且在测量不确定度范围内可重复。
• 研究结果挑战了在运动参考系中c不变性的假设，尽管其机制尚不明确。