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2007-02-03 20:23:20

•   周吉善老师根据“2005年全国时间频率学术交流会文集”中有关HP5061A铯钟在不同的铯炉温度和铯束喷射速度时输出频率不同的定性实验分析得出结论：从定性实验结果证明了从高温转入低温时HP5061A的频率降低了约为1。8×10-13～2。2×10-13，所以二次多普勒频移项前的符号应该是“＋”号。
    并通过对狭义相对论“时间膨胀”效应的剖析，得出“运动时钟变快！”的结论，是值得深入研究的。
  周吉善老师对相对论动钟“变慢”还是“变快”的理论分析很深入，有很强的说服力。鉴于相对论的悖论太多，目前最重要的工作是做好实验，然后从实验的结果中找到真正的原因。
    周老师提出了一个需要三台铯束喷射速度不同的原子钟进行输出频率相互比较的实验方案，这是一个验证频移效应的非常好的实验方案，而且也可以从这个实验中找到速度或者温度、压力与频移的关系式，以便建立更好的频移效应数学模型，这个实验可以为我们弄清楚原子钟的频移效应机制提供理论分析的根据。
    
  下面将重点就原子钟的频移问题进行探讨。注意本文中提出了多种频移的概念：引力场引力频移、引力场阻力频移（包括引力场的横向阻力频移和纵向阻力频移），引力场传递频移，一般所说的多普勒频移，温度频移，压力频移，和爱因斯坦相对论的横向多普勒频移。
  我们先不管相对论计算相对论横向多普勒频移的公式如何，首要的问题是要弄清楚事实上已经发生的习惯称之为“相对论横向多普勒频移效应”的产生机制。
    
  广义相对论频移的物理机制，爱因斯坦做出的解释是：“一个原子吸收或发出的光的频率与该原子所处在的引力场的势有关”；而霍金的解释是“当光从地球引力场往上走，它失去能量，因而其频率下降”。这也是学界普遍使用的解释。
  太空中卫星上的原子钟与地面上的原子钟相比其振动频率的快慢不外乎有三种情况：变快，变慢，不变。
    那么究竟是哪一种情况呢？原因又是什么呢？这是需要弄清楚的问题，而至关重要的是要弄清楚原子钟读数变化的根本原因。
  按照狭义相对论的钟慢效应解释，运动的时钟要变慢，就是说时钟的快慢与相对于观察者的横向运动速度有关，时钟相对于观察者的横向运动将产生横向多普勒频移效应，于是时钟将会变慢。
    那么，假如时钟相对论于观察者有横向运动而时钟不在引力场中就一定能够产生钟慢效应吗？并非如此。通过理论分析可以认识到，时钟的运动速度并不是产生钟慢效应的实质，时钟的快慢与时钟相对于观察者的横向运动速度没有直接的必然的联系，钟慢效应的实质是时钟与引力场之间的相互作用。
    就是说，原子钟的读数变化与相对地面观察者的横向运动速度没有直接关系，而是与引力场的作用有直接关系。但是爱因斯坦在进行相对论横向多普勒频移效应的理论推导过程中并没有考虑到引力场对运动物体内部原子的作用，不是根据运动物体内部的原子与引力场的相互作用关系推导出来的，因此不能根据相对论的计算公式计算动钟“变慢”或“变快”的结果。
    另外，相对论的钟慢效应是一种相对效应，相互运动的两个参照系均应当观察到同样的钟慢效应。在飞机载原子钟环球飞行的实验中，地球上的人看到飞机上的原子钟变慢了，那么飞机上的人看到地球上的原子钟也应当变慢，可事实上飞机上的人看到地面上的原子钟却是变快的！
  所以说，即使时钟相对于观察者产生了频移效应，也不是“相对论的横向多普勒频移效应”所要表达的纯粹横向运动频移的意义，而是引力场作用效应。
    
  原子钟的频率与什么因素有关？
  计时工具是利用能够进行周期性振动的装置计量时间的。因为振动频率越高，计时越精确，而铯原子钟振动频率高达9。19×109次，常用铯原子的能级跃迁振动频率来制造，铯原子钟是目前最精确的计时仪器。根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。
    这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的——例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
    
  每一个原子都有自己的特征振动频率。原子钟的频率是非常稳定的，通常认为环境中的温度变化、压力变化对原子的振动频率几乎没有影响。但是地球的引力场对原子的振动频率还是有较大影响的。
  那么引力场对原子钟的作用是一种“变慢”的影响呢？还是变快的影响呢？
  原子钟处于地球的引力场中，由于不同地方的引力场结构、密度不同，对原子钟内部原子的作用也不同，这将使原子的结构特征和自身的场结构特征发生改变，从而改变原子的振动频率。
    引力场对原子振动的影响主要是表现在对原子核外电子的作用上，引力场对原子核外电子产生引力作用，而且也对电子的轨道运动产生阻力作用，阻力作用将使电子运动失去能量，运动变慢。如果核外电子受到引力场的引力作用增大，或者受到引力场的阻力作用增大，那么电子的椭圆轨道偏心率将增大，电子每转动一周的距离增大，电子每转一周的时间延长，引力场的引力作用和阻力作用都是使核外电子的振动周期延长，频率降低。
    地面上的引力场密度或强度比地球附近太空中的引力场密度或强度要大，地面上的原子钟受到地球引力场的作用也大，因此当原子钟原子的初始振动能量相同的条件下，按照能量守恒定律，在地面上振动的频率要低一些，而在地球附近太空中的振动频率要快一些。引力场的引力和阻力作用使原子钟产生的频移，我们就分别称之为引力场引力频移和引力场阻力频移。
    （这里说明一点，引力场对核外电子的运动产生阻力作用使得电子的运动速度减小，但电子不会停止运动，原因是电子在受到阻力作用而失去能量时，同时还从空间中吸收能量，使电子的能量达到一种动态平衡。）
  我们还要考虑原子钟与引力场作用的另一种情况，原子钟相对于引力场的不同运动所造成的原子结构和原子场的结构改变，也是使原子振动频率改变的一个原因，所以，原子钟相对于引力场的运动是恒速还是变速以及运动速度的大小都能够影响到原子钟的振动频率。
    原子相对于引力场的运动速度越大，受到引力场的阻力越大，电子的椭圆轨道偏心率越大，电子绕原子核运动的周期越长，原子钟就会变得越慢。
  1971年物理学家理查德·基廷和乔伊·哈夫勒所做过的飞机载原子钟环球飞行的实验，实验结果是：飞机上的原子钟在落地与地面原子钟比较时，同样是在相对地球运动的东、西向飞行原子钟中，有一个方向（向东飞行）飞机上的两个原子钟，都比地面的原子钟走慢了（慢了59ⅹ10-9秒，也就是59微秒），而向另一个方向（向西飞行）的飞机上两个原子钟，都比地面的原子钟走快了（快了273ⅹ10-9秒，也就是273微秒）。
    按照相对论的钟慢效应理论是不能够解释这个实验结果的，表明相对论是与实验有冲突的理论。那么，为什么会出现这样的实验结果呢？
  当向东与向西飞行的飞机都以相同的发动机转速飞行时，由于地球自西向东自转的缘故，向东飞行的飞机相对于地面（或者引力场）的运动速度要慢于向西飞行的飞机速度，在飞机环球一周后，必然是向东飞行的飞机用的时间要长一些，而向西飞行的飞机用的时间要短一些，因此东西反向飞行的飞机上的原子钟与地球引力场的作用以及作用时间都是不同的。
    对于向东飞行的飞机，虽然受到引力场的阻力小一些，但引力场对原子钟的作用时间长，引力场对原子钟内部原子产生的阻力频移较大，原子频率降低的较快。而对于向西飞行的飞机，虽然受到引力场的阻力大一些，但引力场对原子钟的作用时间短，引力场对原子钟内部原子产生的阻力频移较小，原子频率降低的较慢。
    而且与地面上的原子钟相比，高空中的原子钟处于相对较弱的引力场中，较弱的引力场比较强的引力场对原子钟内部原子的引力和阻力作用都小，所以在不考虑原子钟相对于引力场运动的情况下高空的原子钟比地面原子钟的振动频率要快，向西飞行的飞机上的原子钟之所以比地面上的原子钟变快了，就是这个原因。
    由于引力场对原子钟的频率变化存在几种不同作用，因此在对飞机载原子钟环球飞行的实验结果进行分析时就要考虑几种不同的作用，还要看哪一种作用对原子钟的频率变化起主要作用。为了进一步验证这个原理，可以让向西飞行的飞机多飞几圈，是不是随着原子钟在引力场中运动时间的延长会出现频率变慢的结果，或者变快的幅度减小。
    
  下面我们再来比较一下太空中的原子钟与地面上的原子钟所处的引力场环境条件和引力场对原子的作用情况。
  很明显，处于太空中的原子钟与地面上的原子钟处于不同的引力场环境中，不同的引力场环境对原子钟的影响是不同的。那么引力场对原子钟内部原子的作用是在什么方面呢？因为核外电子始终围绕原子中心旋转，在引力方向上引力场既不使核外电子的总动能增加，也不使核外电子的总动能减小，所以可以确定一点，引力场的引力作用不改变原子的振动能量（核外电子的运动动能），但是核外电子在引力场中运动会受到引力场的阻力作用，引力场密度或强度越大阻力作用越大，这样就会使核外电子的振动频率变慢。
    地球附近太空中的原子钟与地面上的原子钟相比处于较弱的引力场中，受到地球的引力和阻力作用较小，所以太空中的原子钟频率变得要快一些。
  同步卫星的原子钟相对于地球引力场是静止的，因此太空中同步卫星的原子钟与地面原子钟受到的都是受到相对静止的引力场作用，两者的不同是引力场的密度或强度不同。
    
  同步卫星原子钟的实验与证明相对论钟慢效应的飞机载原子钟环球飞行实验不是相同的实验条件。
  同步卫星上的原子钟与非同步卫星上的原子钟与地球引力场的之间的相互作用是不同的。同步卫星相对于地球引力场是静止的，而非同步卫星相对于地球引力场是运动的，因此，如果存在“引力场横向作用频移”机制，那么同步卫星不会产生“引力场横向作用频移效应”，而非同步卫星将产生“引力场横向作用频移效应”，同样地，飞机载原子钟环球飞行也将会产生“引力场横向作用频移效应”。
    由以上的分析可以看出，非同步卫星或者飞机载原子钟环球飞行的实验出现的时钟读数变化容易误以为是“爱因斯坦相对论横向多普勒频移”，实质上是引力场的作用引起的，原子钟在地球引力场中横向运动速度越快，与地球引力场的作用越大，对原子核外电子椭圆轨道的改变越大，偏心率越大，原子振动频率越慢，这是引力场的横向阻力作用引起的频移。
    但距离地球的不同高度引力场强度不同，作用不同，产生频移也会有所不同。距离地面越高，引力场作用越小，原子振动频率越快。这是引力场纵向作用引起的频移，包括引力场引力频移和引力场纵向阻力频移。在全球定位系统中运用到的引力场横向阻力频移和引力场纵向作用频移，习惯上均解释为相对论效应，实际上是一种牵强附会的解释，虽然实际上存在这两种频移效应，但其实质并不是相对论效应，而是引力场作用效应。
    
  雷达回波与光线都是电磁波，在引力场中传播时与引力场的相互作用原理必然相同，具有相同的频移作用机制。雷达回波在引力场中的延迟实验表明，雷达回波在来回路径经过太阳近旁比远离太阳要产生一种传播时间的延迟现象，经过太阳近旁的雷达波频率出现变慢的现象，离太阳越近雷达波的频率变得越慢，就是说引力场有使电磁波的频率变慢的效应，引力场越强改变越大。
    那么，雷达波在地球附近空间中传播呢？也必然是离地面越近，改变越大，延迟时间越长，地球附近太空中的雷达波比地面附近的雷达波要出现变快的现象。雷达回波（电磁波）在引力场中的频移是引力场传递作用产生的频移，可以称之为引力场传递频移。因此，光波在引力场中的传播遵循的规律应是，从密度大的或强的引力场进入密度小的或弱的引力场，光波的频率要变快，出现蓝移；而从弱的引力场进入强的引力场，光波的频率要变慢，出现红移。
    （进一步的深入分析另文论述）
  1957年，苏联成功发射第一枚人造卫星“斯普特尼克”1号(Sputnik-1)进入轨道后不久，美国两位科学家在追踪这枚苏联卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面时，接收机收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。
    科学家对这种现象研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定。这实际上是一般所说的多普勒频移效应。
  最后，我们再来分析一下“2005年全国时间频率学术交流会文集”中有关HP5061A铯钟在不同的铯炉温度和铯束喷射速度时输出频率不同的定性实验结果，定性实验结果表明了从高温转入低温时HP5061A的频率f1降低了约为1。
    8×10-13~2。2×10-13。因此，速度V减小，频率减小。就是说频率随速度而增加，表明了“动钟变快”！但是飞机载原子钟的环球飞行实验却出现了“动钟变慢”。这两个实验的结果表面看起来就产生了矛盾，那么问题出在什么地方呢？
  已经被实验证实并得到广泛应用的引力场中动钟变慢的效应是不容置疑的，那么，造成HP5061A铯钟在不同的工作条件下频率改变的主要原因就不是铯束的喷射速度，而有可能是温度和压力的影响。
    我们一般认为原子的振动频率非常稳定，不受温度和压力的影响，但是在这个实验中有迹象表明受到了温度和压力的影响。只有温度和压力对原子的作用，才能使原子钟表现出“动钟变快”。因为温度降低，原子核外电子的运动速度减慢，电子运动一周所用的时间变长，这将导致原子频率变慢；而随着温度的降低，原子所处环境中的压力减小，原子核外电子的轨道半径增大，电子运动一周所用的时间变长，也会导致频率变慢。
    如果确有这两种频移，我们就可以称之为温度频移、压力频移。
  那么究竟是不是原子频率随温度和压力降低而降低的原因？还是别的什么原因？或者是实验的偶然性结果呢？这些问题当然还需要由更多的实验来为进一步的理论分析提供依据。
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  窗***

  2007-02-03 20:23:20

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