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方永林:双星光速浅绎

2018-07-04  物理网文

 

                双星光速浅绎

方永林

内容提要:用非相对论力学证明双星的光速相对地球是非匀速直线的,从而解释了双星现象。

关键词:光速  双星

迈克尔逊—莫雷实验否定了以太的存在,确认光相对与光源的速度为c。但人们在对双星的观察中,却遇到了新的问题:如果光速相对与光源为c,双星中的某一颗星(如A星)发出的光相对于地球的速度带有其轨道速度,即为c+v(vA星的轨道速度向地球方向的分量),那么当A星向地球而来时,发出的光快于离地球而去时(或双星中的另一颗星)发出的光,因此人们观察到双星的轨道会发生畸变;但实际上观察到双星的轨道是正常的,证明双星在任何时候向地球发出的光速都是一样的;从而得出了光速与光源的运动无关的结论。显然以上推绎是以伽利略变换为根据,设定A星的光速相对地球是匀速直线的。下面把双星、光速、地球三者的关系用算式表示出来进行分析。

为了便于讨论,设双星的质心相对地球速度为零,轨道平面与我们视线的夹角为零,A星绕其质心作圆周运动,其轨道速度为V0;以双星的质心为原点,以我们通过质心的视线为极轴,方向背向地球。则A星相对地球的径向速度为

Vt=V0sinωt

以地球为参照系,如A星在其轨道某一点向地球发出的光为c+V,且匀速不变的话,A星相对于它发出的光的速度则为

c=c+V-Vt=c+V- V0sinωt

这显然是一个变量。这又与伽利略变换相矛盾。在这一问题上爱因斯坦选择了光速不变原理。但不容忽视的是我们对于A星发出的光相对地球的速度设定还缺乏足够的分析。

无论在伽利略变换还是洛伦兹变换中,都认为两个惯性系之间是匀速直线运动的;但实际上这仅是一种理想状态,任何两个在空间运行的物体之间都存在着引力加速度,对于质量巨大的天体则特别明显。但其上的物理规律都是相同的,因此可以认为在空间运行的物体(如天体、粒子)都是惯性系,且是等价的。那么设定A星发出的光相对与地球作匀速直线运动则是把地球当做绝对的惯性系,而把A星当做非惯性系,这显然是不成立的。

然而,A星发出的光相对与地球的运动这总是有规可寻的,为此需要讨论一下光传播的一些问题。在以太被否定之后,光在真空中的传媒被彻底否定了,似乎我们所谓的真空成为绝对的真空,但实际上在任何空间中,都充满着物质中电荷的静电场。只是在一般情况下,正负电场相互平衡,我们无法观察到它的存在,而并非彻底消失。在一物体中,如有一电子(或荷电离子)跳跃,则带动它的电场横向波动,即发射电磁波。用电磁理论可做如下分析:

一点电荷q的静电场为

Er=  r                  1

q以速度V运动时其磁场为

B= v×r                  2

将(1)式代入(2)式,消去q

B=μ0ε0V×Er                  3

在离开电荷(即场源)的地方,磁场的旋度为

▽×B=μ0ε0▽× (V×Er)          4

电场的旋度为

▽×E=- B=μ0ε0 (Er ×V)       5

V为变量时,以上两式不为零,便会发射电磁波。从以上算式看出,▽×B和▽×E依赖于Er的存在,ErE为正比关系,这证明电磁波的媒质是波源电荷自身的电场。Er依赖于q的存在,可表明光速相对光源为c,且各相同性,这一规律在推迟势中也得到了确认。光速与光源的关系、光的煤质得到了确定,光速与观察者的关系便很明确了。

根据以上推论,可得到A星发出的光相对于地球的速度为

C=c+ V0sinωt

此式表明A星发出的光相对地球是非匀速的。A星相对地球也在做周期性的横向运动,根据各项同性原理,A星发出的光相对地球也是非直线的,由于对本文讨论的主题并不重要,可不必细谈。

A星绕其质心旋转一周后(设周期为T),它所发出的光向地球行进的距离为

= + V0dt =cT

其平均速度仍为c。双星离地球非常遥远,当A星发出的光到达地球时,它已经绕其质心转了很多圈。设A星在极角为θ时发出的光到达地球所需的时间为nT+τ,n为正整数,0≤τ<T,则相对地球的平均速度为

CR= =  

当τ→0、τ→T时,c″→c。当θ=0、τ=时,CR有极大值c+

=k,CR=c+kv0 。由于n是一个很大的数,所以

0k <<1

通过双星蚀的观测得到k2×10-9。由于蚀只能在较小的角度发生最大不超过 式可改写为

02k <<1

以上讨论结果与实际观测到的结果定向相符,说明在非相对论的框架下,双星现象可得到解释是,且具有明显的合理性。

参考书目:

(1)              王正行《近代物理学》北京大学出版社 1995.1

(2)              倪光炯李洪芳《近代物理》上海科学技术出版社 1979.8

(3)              郭硕鸿《电动力学》高等教育出版社 1997.7

 

作者:  方永林       地址:甘肃省庆城县农委

电话:13809341447    Email :zfjh225@163.com

 

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