[论文解读] Non-time-orthogonality and Tests of Special Relativity

Robert D. Klauber|ArXiv.org|Jun 6, 2000

Geophysics and Sensor Technology参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文认为，布里莱特与霍尔在1981年迈克耳遜-莫雷實驗中觀察到的異常信號可能並非如先前所聲稱的那樣是虛假的，這是因為在旋轉地球參考系中存在非時間正交性（NTO）。利用NTO參考系分析，作者表明地球表面速度對光傳播的影響在v/c下為二階，而非布爾等人一階檢驗中所假設的一階，因此該檢驗不足以排除此信號。該分析還解釋了在旋轉參考系中使用不同介質的薩格納克類實驗結果。

ABSTRACT

An intriguing, and possibly significant, anomalous signal in the Brillet and Hall experiment is contrasted with a simple first order test of special relativity subsequently performed to discount that signal as spurious. Analysis of the non-time-orthogonal nature of the rotating earth frame leads to the conclusion that the latter test needed second order accuracy in order to detect the effect sought, and hence was not sufficient to discount the potential cause of the anomalous signal. The analysis also explains the results found in Sagnac type experiments wherein different media were placed in the path of the light beams.

研究动机与目标

• 在非時間正交（NTO）旋轉參考系理論的背景下，重新表達布里萊特與霍爾的異常信號。
• 質疑布爾等人一階檢驗在否認布里萊特與霍爾信號為虛假信號時的有效性。
• 證明在NTO參考系分析下，地球表面速度對光傳播的影響在v/c下為二階，而非所假設的一階。
• 使用NTO參考系物理解釋涉及不同介質的旋轉干涉儀中出現的薩格納克類實驗結果。

提出的方法

• 通過從慣性參考系到旋轉參考系的度規變換，推導出在旋轉NTO參考系中真空中光的物理（測量）速度。
• 將NTO參考系度規應用於計算周向方向的光傳播速度，得出u_light,vacuum = (±c - v)/√(1 - v²/c²)，該結果依賴於方向和速度。
• 將NTO參考系的預測與洛侖茲系與伽利略系進行比較，突出光速不變性在這些框架中的差異。
• 通過重新計算在NTO假設下預期的干涉條紋位移，分析布爾等人的第一階檢驗，表明其僅能檢測二階效應。
• 通過比較NTO參考系與慣性參考系中的坐標時間，推導出在旋轉參考系中水內光的有效速度。
• 使用時空圖（圖1與圖2）比較旋轉與慣性參考系中發射與干涉事件的差異，專注於時間非正交性效應。

实验结果

研究问题

• RQ1 布里萊特與霍爾在1981年實驗中觀察到的異常信號是否與地球表面速度的物理效應一致，還是被過早地否認？
• RQ2 旋轉地球參考系的非時間正交性（NTO）是否否定了布爾等人在1985年實驗中聲稱的一階敏感度？
• RQ3 在旋轉NTO參考系中，真空中測量的光速與慣性參考系相比有何不同？對干涉儀實驗有何影響？
• RQ4 為何在旋轉參考系中使用不同介質（如空氣與水）的薩格納克類實驗會顯示出無法用標準相對論處理方法解釋的可測量效應？
• RQ5 NTO參考系形式化是否能解決旋轉參考系物理中的悖論，同時保持與狹義相對論及實驗數據的一致性？

主要发现

• 在旋轉NTO參考系中，真空中光的物理速度是非不變且非各向同性的，表達式為u_light,vacuum = (±c - v)/√(1 - v²/c²)，該結果預測的信號與布里萊特與霍爾的異常現象一致。
• 在NTO參考系分析下，地球表面速度對光傳播的影響在v/c下為二階，而非布爾等人實驗中所假設的一階，因此該實驗不足以排除此信號。
• 布爾等人的一階實驗無法檢測NTO所預測的效應，因為其設計僅具有一階敏感度，而真實效應為二階。
• 在旋轉參考系中，水內光的速度約為v_water,k ≈ (c/n)(1 - v/(cn))，該結果來自時間非正交性，與慣性參考系中的值不同。
• NTO參考系分析通過顯示時間非正交性改變了光束之間的有效路徑與相位差，從而解釋了使用不同介質的薩格納克類實驗結果。
• NTO框架與狹義相對論及實驗數據（包括迴旋加速器結果）一致，同時解決了旋轉參考系物理中長期存在的悖論。