檢驗光速恆定假設真實性研究項目建議書

編制人：彭曉韜

編制日期：2020.04.24

一、項目目的

愛因斯坦在建立狹義相對論時，根據前人對光速的一些實驗結果進行了一個大膽的假設：光速在任意慣性系中速度恆定不變。但前人也有部分實驗和天文觀測結果證明光速與介質的運動狀態存在關聯性，如：斐索流水實驗及光行差常數。因此，迫切需要對光速到底是否恆定進行驗證與判定，為正本清源提供最基礎的素材與力證。

二、項目基本原理

1、目前測量光速方法存在的問題

目前所使用的齒輪法、幹涉儀法和空腔法等測量光速的方法主要存在測量環境多為地表大氣層內、測量對象均為被環境介質或觀測裝置改造後的次生光（反射、折射或透射光），而非不同運動狀態光源產生的原生入射光。這是導致所測量到的光速基本恆定且與原生光源的運動狀態無關的直接原因。

2、直接測量光速的基本原理

為了避免大氣層和測量裝置對被測量對象入射光的改造，只能在真空度相對較高的太空中並用基線法（位於同一條直線上並距離相對固定的二個或二個以上的獨立的測量裝置）測量不同運動狀態光源發出的同一個光脈衝信號的到達時間，進而計算出實測光速。這樣既可以消除大氣層這一介質的影響，又能削弱測量裝置對被測對象入射光的改造。以達到獲得真實的、不同運動狀態光源發出的光的實際速度。

三、項目可行性分析

目前的計時精度可達到納秒級，而相距3萬公裡的二顆地球同步衛星以相對太陽等天體以每秒3公裡的速度運動時，經典物理學的時間差異大概為1微秒。因此，只要解決好兩顆衛星的時間同步和測量裝置的一致性問題，本項目是完全可行的。

四、實施方案

通過以上分析，我們可以得出：只有在真空中並用基線法才能測量出真正的入射光的速度。否則，要麼是介質（大氣層）中的光速，要麼是經測量裝置改造並相對測量裝置速度基本恆定的反射、折射或透射光的光速。

基線法可以避免測量裝置對被測量的入射光的改造，而在真空環境下才能測量到光的真實速度，相對運動速度較大的光源只能是太陽等恆星。因此，採用兩顆通視的地球同步衛星進行太陽等天體產生的光的速度測量應該可以獲得真實的光速。

如下圖一所示：利用太空中的兩顆可通視的地球同步衛星早、晚時段進行太陽光速的直接測量應該可以得到不同的實測速度。

假設兩顆同步衛星的間距為L、光源相對同步衛星的速度為V、光波到達兩顆衛星的經典物理學時差為Δt、相對論速度恆定時的時差為ΔＴ。則有：

早　　　晨：　　Δt晨＝Ｌ/（Ｃ0＋Ｖ）　　　　　　　　　　　 　（公式1）

傍　　　晚：　　Δt晚＝Ｌ/（Ｃ0－Ｖ）　　　　　　　　　　　 　（公式2）

相對論時差：　　ΔＴ＝Ｌ/Ｃ0 　 （公式3）

將Ｌ＝30000千米、Ｃ＝300000千米/秒、Ｖ＝3千米/秒分別代入（公式1）～（公式3）可得：

早　　　晨：　　Δt晨＝Ｌ/（Ｃ0＋Ｖ）＝0.099999秒　　　　　　 （公式4）

傍　　　晚：　　Δt晚＝Ｌ/（Ｃ0－Ｖ）＝0.100001秒　　　　　 　（公式5）

相對論時差：　　ΔＴ＝Ｌ/Ｃ0 ＝0.100000秒 （公式6）

按照（公式4）～（公式6）可知：經典物理計算公式得到的早晨與傍晚時的時差與靜止時相差約1微秒。因此，當實測的太陽光及其他天體的光的實測時差遠小於1微秒（扣除測量誤差）時，則證明光速在任意參照系中速度恆定，也就可以消除相對論光速恆定假設了；

當實測的太陽光及其他天體的光的實測時差接近或大於1微秒（扣除測量誤差）時，則可否定光速在任意參照系中速度恆定，也就否定了相對論及其所有推論。