[论文解读] Search for anisotropic light propagation as a function of laser beam alignment relative to the Earth's velocity vector

C. E. Navia, C. R. A. Augusto+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2006

Experimental and Theoretical Physics Studies被引用 6

一句话总结

本研究利用激光衍射装置与分段光电二极管测量亚微米级光斑位置，探究各向异性光传播。实验发现光速各向异性相对于狭义相对论预测存在18%的偏差，得出参数 $ a = -0.4106 \pm 0.0225 $，表明存在与宇宙微波背景辐射静止参考系相关的优选参考系。

ABSTRACT

A laser diffraction experiment was conducted to study light propagation in air. The experiment is easy to reproduce and it is based on simple optical principles. Two optical sensors (segmented photo-diodes) are used for measuring the position of diffracted light spots with a precision better than $0.1 μm$. The goal is to look for signals of anisotropic light propagation as function of the laser beam alignment to the Earth's motion (solar barycenter motion) obtained by COBE. Two raster search techniques have been used. First, a fixed laser beam in the laboratory frame that scans due to Earth's rotation. Second, an active rotation of the laser beam on a turntable system. The results obtained with both methods show that the course of the light rays are affected by the motion of the Earth, and a predominant quantity of first order with a $Δc/c=-β(1+2a)\cos θ$ signature with $a=-0.4106\pm 0.0225$ describes well the experimental results. This result differs in a amount of 18% from the Special Relativity Theory prediction and that supplies the value of $a=-1/2$ (isotropy).

研究动机与目标

• 测试光速各向异性随激光光束相对于地球相对于CMBR的运动速度矢量方向变化的关系。
• 通过测量单向光速变化，探究洛伦兹不变性与狭义相对论的潜在偏离。
• 探索是否存在优选惯性参考系，可能与宇宙微波背景辐射静止参考系相关。
• 提供一种可重复、高精度的光学实验，利用分段光电二极管检测衍射光斑的微小角度偏移。
• 将实验结果与相对论检验理论（特别是Mansouri-Sexl与Lorentz-Poincaré框架）进行比较。

提出的方法

• 采用透射光栅的激光衍射装置，在两个分段光电二极管上产生衍射光斑。
• 使用高精度分段光电二极管，实现亚0.1 μm分辨率的光斑位置测量。
• 实施两种扫描技术：(1) 利用地球自转固定激光光束进行扫描；(2) 在转盘上主动旋转光束进行扫描。
• 采用模型分析数据，该模型预测单向光速各向异性：$ c(\theta) = c - v(1 + 2a)\cos\theta $，其中 $ \theta $ 为光束方向相对于地球速度矢量的夹角。
• 通过拟合实验数据提取参数 $ a $，并与狭义相对论预测的 $ a = -0.5 $ 进行比较。
• 使用COBE测定的地球速度矢量（相对于CMBR）作为对准参考方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 光的单向速度是否随激光光束相对于地球在CMBR静止参考系中运动方向的取向而表现出各向异性？
• RQ2 能否通过简单的光学衍射装置结合高分辨率位置传感，探测到优选惯性参考系的实验证据？
• RQ3 实验结果与狭义相对论预测的各向同性相比，偏离程度如何？
• RQ4 实验结果与Mansouri-Sexl相对论检验理论及Lorentz-Poincaré框架相比，有何异同？
• RQ5 观测到的各向异性是否与CMBR偶极方向一致，提示存在宇宙学意义上的优选参考系？

主要发现

• 实验检测到光传播存在显著各向异性，测得参数 $ a = -0.4106 \pm 0.0225 $，与狭义相对论预测的 $ a = -0.5 $ 偏差达18%。
• 各向异性特征符合形式 $ \Delta c/c = -\beta(1 + 2a)\cos\theta $，表明光束对准方向相对于地球速度矢量具有方向依赖性。
• 两种独立扫描方法（地球自转与主动光束旋转）的结果一致，有效降低了系统漂移误差。
• 数据强烈支持存在优选参考系，以CMBR偶极方向为参考，暗示存在宇宙学定义的静止参考系。
• 观测到的各向异性与标准狭义相对论不相容，但与允许光速各向异性的某些扩展或替代相对论理论相符。
• 本实验表明，利用分段光电二极管进行高精度光学测量，可探测光传播中的微小方向效应，即使在亚微米量级亦可实现。