自制干涉仪测量地球自转.DOCVIP

自制干涉仪测量地球自转 （贺训发 2537549448@） 摘要：本文发明了一种双孔分光干涉仪，它的基本原理是通过扩束镜把激光束扩大，形成一种面光源，再从面光源上的不同区域引出两束激光，两束激光经合光镜合在一起产生干涉。把干涉仪进行旋转，干涉条纹会出现有规律的移动，因此可以利用此干涉仪在一个封闭的空间里找到地球自转的方向。本文的干涉仪实验对研究光学应该有一定的价值。 关键词：双孔分光干涉仪 Sagnac效应 光速不变原理 相对性原理 0.引言 在地球上一个封闭的空间里，人们可以利用指南针、陀螺仪（光学陀螺仪能测地球自转[1]）、傅科摆（赤道上失效）来辨别方向，如果把地球磁场完全屏蔽住，指南针失效；如果把这个封闭的空间安置在赤道仪（为抵消地球的自转而使望远镜总是对准一颗恒星的装置）上，陀螺仪和傅科摆失效。本文设计的双孔分光干涉仪在上述仪器完全失效的情况下仍然有效。把双孔分光干涉仪安置在地球的不同纬度上，其输出会发生变化，因为它可以检测到地球自转产生的线速率，而光学陀螺仪只能测量角速率。双孔分光干涉仪的出现将会引起人们对光速不变原理和相对性原理进行重新思考。 1.实验前的假设 1.1 假设1: 地球表面东西方向光速不同。 在“中日对钟”实验中存在Sagnac效应[2]——电磁波从东京经卫星到达西安的时间小于电磁波从西安经卫星到达东京的时间。如果利用两颗地球同步卫星进行“中日对钟”实验，一颗与东京同经度，一颗与西安同经度，根据Sagnac效应的计算公式（Sagnac=2ωA/CC）[2]，可以判断Sagnac效应只存在于两颗卫星之间的直线路径上，地面测量站（或地心）与同经度的卫星之间没有Sagnac效应。 两颗卫星和地心组成一个三角形，两颗卫星之间有Sagnac效应，如果只改变这个三角形的形状——让地表东方的A点、西方的B点同地心O点组成一个三角形，那么A、B两点之间也应当存在Sagnac效应。进一步推断，如果A、B两点之间的距离只有1米，两点之间也应当存在Sagnac效应，也就是说光在A、B两点之间来回传播的时间不相等。 由于同步卫星所处的太空环境和地表A、B两点所处的环境不同，两颗卫星之间有Sagnac效应并不代表A、B两点之间也有Sagnac效应，但基于Sagnac效应制造的光学陀螺仪能够测量地球自转[1]，说明产生Sagnac效应的物理机制在地表也是存在的。为什么在地球附近测量不到地球公转的Sagnac效应？——文献[3]中的分析可以作为参考。 在不清楚这个假设光学本质的情况下，本文后面暂且认为有“以太”存在，以便于理解和表达。 1.2假设2：激光束最前端的形状不会因为方向的改变而改变。 激光束的最前端可能是一个曲面，也可能是一个平面，假如它是一个平面且与光轴垂直（相当于光束的横截面），那么把激光器旋转90°以后，这个平面仍然与光轴垂直。结合本文的实验也可以这样表述这个假设：不管实验装置指向何方，光束都是同时从两个分光圆孔中射出。 使这个假设成立的原因可能是同一束光中每个光子与附近光子之间有力的作用，比如光束最前端表面的光子可能会受到某种“张力”，如果某种外力使光束中部分光子加速，部分光子减速，那么这些光子会通过相互之间的作用力来综合加速和减速的作用，从而使光束作为一个整体在光轴前进的方向上速率不变，以达到光束最前端的光子处在光轴上且光束最前端形状不变的目的。作者就此做了一些实验，有一些新的光学发现，限于篇幅，在此不再阐述。 2.实验内容 2.1 实验的设计方案 为了验证前面两个假设，本文设计了一个实验方案，其原理如图1： 激光器发射的激光经过扩束器之后被带有两个圆孔的挡光板挡住，通过两个圆孔的两束光分别经过反光镜再到合光镜合为一束光（反光镜2和3是用来降低光程差的），然后在光屏上产生干涉条纹。 根据假设2，“以太风”不会使一束光的局部加速，光束在有或无“以太风”的情况下都会同时从挡光板上的两个圆孔中射出；根据假设1，“以太风”又可以使整个光束加速，图1所示的“以太风”就会使光束更快地从反光镜1到达合光镜。让实验装置旋转180°，在“以太风”的作用下，光束会更慢地从反光镜1到达合光镜，这样就会引起干涉条纹的移动。干涉条纹移动的原因就是光束在反光镜1与合光镜之间存在Sagnac效应。下面就来定量计算这种Sagnac效应，以便确定挡光板上两个圆孔之间需要多大的距离才能产生可以观测的条纹移动。 2.2 实验的定量计算 根据Sagnac效应的计算公式Sagnac=2ωA/CC[2]，可以推导出一个更简单的公式Sagnac=Lvcosθ/CC，公式中L是光发射点同光接收点的距离，v是光接收点相对转动中心的线速度，C为光速，角度θ是v与C的夹角。 本实验的地点是北纬30°的上海，上海绕地轴转动的