[论文解读] The motion of the Solar System and the Michelson-Morley experiment

M. Consoli, E. Costanzo|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2003

Relativity and Gravitational Theory参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文重新分析了原始的迈克耳孫-莫雷實驗數據，主張先前被解讀為零的條紋位移實際上顯示出非零的觀測地球速度 $ v_{\text{obs}} = 8.4 \pm 0.5~\text{km/s} $。利用洛倫茲變換，此觀測速度對應於真實的運動學速度 $ v_{\text{earth}} = 201 \pm 12~\text{km/s} $，與太陽系在銀河系中的運動一致，暗示存在偏好參考系的實驗證據，與標準愛因斯坦相對論相悖。

ABSTRACT

Historically, the Michelson-Morley experiment has played a crucial role for abandoning the idea of a preferred reference frame, the ether, and for replacing Lorentzian Relativity with Einstein's Special Relativity. However, our re-analysis of the Michelson-Morley original data, consistently with the point of view already expressed by other authors, shows that the experimental observations have been misinterpreted. Namely, the fringe shifts point to a non-zero observable Earth's velocity v_obs = 8.4 +/- 0.5 km/s. Assuming the existence of a preferred reference frame, and using Lorentz transformations to extract the kinematical Earth's velocity that corresponds to this v_obs, we obtain a real velocity, in the plane of the interferometer, v_earth = 201 +/- 12 km/s. This value is in excellent agreement with Miller's calculated value v_earth = 203 +/- 8 km/s and suggests that the magnitude of the fringe shifts is determined by the typical velocity of the Solar System within our galaxy. This conclusion, which is also consistent with the results of all other classical experiments, leads to an alternative interpretation of the Michelson-Morley type of experiments. Contrary to the generally accepted ideas of last century, they provide experimental evidence for the existence of a preferred reference frame. This point of view is also consistent with the most recent data for the anisotropy of the two-way speed of light in the vacuum.

研究动机与目标

• 重新詮釋邁克耳孫-莫雷實驗，以回應歷史批評，即非零條紋位移曾被誤解為零結果。
• 測試觀測到的條紋位移是否指向地球參考系中非零速度，從而挑戰標準解讀中「零結果」的觀點。
• 透過應用洛倫茲變換，探討偏好參考系的含義，從觀測到的條紋位移中提取真實的運動學速度。
• 將邁克耳孫-莫雷實驗結果與其他經典實驗（如米勒、英靈沃思、喬斯）進行調和，這些實驗因干涉儀介質不同而報告不同的有效速度。
• 評估與近期兩向光速各向異性測量的一致性，特別是在真空中，並評估引力效應對真空折射率的影響。

提出的方法

• 使用與米勒相同的校正程序，重新分析1887年原始的邁克耳孫-莫雷數據：以完整旋轉後的首末讀數差值對數據條目進行校正。
• 透過 $ \Delta\lambda(i)/\lambda = E_{\text{corr}}(i) - \langle E_{\text{corr}} \rangle $ 計算條紋位移，確保數據具有週期性且均值為零，以利進行傅里葉分析。
• 對校正後的條紋位移進行傅里葉分解，以提取週期性成分，並評估第一次諧波的振幅，對應該有效速度。
• 應用洛倫茲變換，將觀測速度 $ v_{\text{obs}} $ 與真實運動學速度 $ v_{\text{earth}} $ 關聯，並考慮空氣中介質中的菲涅爾拖曳係數 $ 1 - 1/\mathcal{N}^2_{\text{medium}} $。
• 將結果與米勒對 $ v_{\text{earth}} \sim 203 \pm 8~\text{km/s} $ 的獨立運動學計算進行比較，以驗證一致性。
• 利用廣義相對論的弱場近似，推導 $ \mathcal{N}_{\text{vacuum}} \sim 1 - 2\varphi $，並預測 $ B_{\text{vac}} \sim -4.2 \cdot 10^{-9} $。

实验结果

研究问题

• RQ1 原始的邁克耳孫-莫雷數據實際上顯示非零條紋位移，與廣泛接受的零結果觀點相反嗎？
• RQ2 能否透過洛倫茲變換，將觀測到的條紋位移 $ v_{\text{obs}} = 8.4 \pm 0.5~\text{km/s} $ 與真實的運動學速度 $ v_{\text{earth}} \sim 200~\text{km/s} $ 相調和？
• RQ3 為何如英靈沃思與喬斯等實驗報告的等效速度較低（約 $ 3~\text{km/s} $、$ 1~\text{km/s} $），而對應相同的 $ v_{\text{earth}} $？這是否可由菲涅爾拖曳係數解釋？
• RQ4 觀測到的兩向光速在真空中之各向異性（約 $ 2 \cdot 10^{-15} $）是否與引力引起的真空折射率微小變化一致？
• RQ5 能否透過在洛倫茲框架下重新詮釋邁克耳孫-莫雷等經典實驗，支持偏好參考系的存在？

主要发现

• 對原始邁克耳孫-莫雷數據的重新分析得出觀測速度 $ v_{\text{obs}} = 8.4 \pm 0.5~\text{km/s} $，確認米勒早期發現，並與標準零結果解讀相矛盾。
• 透過洛倫茲變換，此 $ v_{\text{obs}} $ 對應於真實運動學速度 $ v_{\text{earth}} = 201 \pm 12~\text{km/s} $，與米勒獨立計算的 $ 203 \pm 8~\text{km/s} $ 非常接近。
• 條紋位移的大小取決於太陽系相對於銀河系靜止參考系的速度，而非其繞太陽的軌道速度。
• 不同實驗中有效速度的差異（如邁克耳孫-莫雷中為8.4 km/s，英靈沃思中為3 km/s，喬斯中為1 km/s）可由菲涅爾拖曳係數 $ 1 - 1/\mathcal{N}^2_{\text{medium}} $ 解釋，該係數在不同介質中抑制了可觀測效應。
• 基於引力引起的真空折射率所預測的兩向光速各向異性，得出 $ \Delta\bar{c}_{\theta}/c \sim 2 \cdot 10^{-15} $，與穆勒等人實驗測得的 $ (2.6 \pm 1.7) \cdot 10^{-15} $ 值高度一致。
• 結果支持對邁克耳孫-莫雷型實驗的替代詮釋：它們提供了偏好參考系存在的證據，挑戰了傳統觀點中認為這些實驗排除了以太存在的看法。