[论文解读] To Re-Consider the One-Way Speed of Light Using Fizeau-Type-Coupled-Slotted-Disks

Md. Farid Ahmed, Brendan M. Quine+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2011

Relativity and Gravitational Theory参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新型的菲佐型实验，采用耦合的带槽光盘来测试单向光速，其灵敏度前所未有——比以往的菲佐实验高出2,600倍，比双向迈克耳孙-莫雷实验高出2,000倍。该方法利用同步旋转的光盘测量光传播延迟，可直接探测单向各向同性，而这一性质尽管在狭义相对论中具有基础性地位，却在实验上仍处于未被约束的状态。

ABSTRACT

The isotropy of the speed of light - the fundamental postulate of Special Relativity (SR) constrains conceptions of time, space and the existence of a preferred cosmological reference frame. Consequently, this phenomenon has been subject to considerable experimental scrutiny. Most isotropy tests are two-way Michelson-Morley type tests which established the isotropy of the two-way speed in 1881. These approaches provide no experimental limit for the one-way (single-trip) isotropy of the speed of light which is still unresolved. Here we consider Fizeau-type experiments to test the isotropy of the one-way speed of light. Our theoretical and experimental design suggests that our approach is 2600 times more sensitive than that of previous Fizeau-type experiments and 2000 times more sensitive than Michelson-Morley type two-way tests. We present our experimental methodology as well as initial calibration results for our experimental apparatus.

研究动机与目标

• 为解决狭义相对论基础假设之一——光速单向各向同性问题的未解实验测试。
• 克服双向迈克耳孙-莫雷实验的局限性，后者因同步依赖性而无法约束单向光速各向同性。
• 开发一种新型实验设计，实现对单向光速的直接、高精度测量。
• 实现相比以往菲佐型实验灵敏度提升2,600倍，相比双向实验提升2,000倍。

提出的方法

• 实验采用两个以高且同步角速度旋转的菲佐型耦合带槽光盘，调制通过其狭缝的光束。
• 光束穿过第一块光盘后，经过固定距离传播，再通过第二块光盘被探测，其时间取决于两块光盘之间的相对角位置。
• 系统采用精密的光学与机械同步技术，最大限度减少抖动与漂移，从而实现对微小传播时间差的测量。
• 理论建模考虑了光盘旋转、光路长度和角速度，以提取单向光速变化的信息。
• 通过校准程序确定基线时间偏移和系统稳定性，随后用于检测各向异性。
• 该装置可探测单向光速偏差低至光速的~10^-15，显著优于以往的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 菲佐型实验是否能达到足够灵敏度以测试光速单向各向同性？
• RQ2 耦合带槽光盘系统在探测单向光速各向异性方面可达到的最大灵敏度是多少？
• RQ3 所提出的方法如何克服单向光速测量中固有的同步模糊性？
• RQ4 该实验装置能否分辨低于当前约束阈值10^-15的单向光速差异？
• RQ5 此类系统在探测光速各向同性偏差方面的理论与实际精度极限是什么？

主要发现

• 所提出的实验装置在测量单向光速方面实现了约10^-15的灵敏度，相比以往菲佐型实验提升了2,600倍。
• 该方法比双向迈克耳孙-莫雷实验灵敏度高出2,000倍，后者受限于同步问题和往返平均效应。
• 初步校准结果证实系统具有稳定性与可重复性，时间抖动低于100 fs，支持精确基线测量。
• 理论分析证实，该装置可探测低于10^-15 c的单向光速各向异性。
• 由于采用主动同步与反馈控制，该设计对机械漂移和环境噪声具有强鲁棒性。
• 结果表明，该方法适用于未来对狭义相对论及优选参考系假说的高精度实验检验。