基于陈寿元效应的宇宙红移实验装置及方法与流程

本发明涉及教学科研仪器领域，具体涉及一种基于陈寿元效应的宇宙红移实验装置及方法。

背景技术

天文界测量到宇宙红移，实际上是遥远的星系发来的光波的波长变长现象，波长变长相对应的就会导致频率减小。现有理论认为这一现象是星系远离地球，由多普勒效应引起的，最后推理得到“宇宙大爆炸”结论。最近天文界测量到超新星发来的光与距离不是线性关系，而是指数关系，即波长随距离成指数增加，又一次宣布宇宙加速膨胀。

宇宙红移、超大红移现象是否由多谱勒效应产生，至今国内外学术界仍然存在巨大争议。目前光波理论对宇宙红移现象没有能力给出令人信服的解释。超新星爆发产生的超大红移，意味着超新星退行速度远大于光速c。电磁能流密度与机械波、光子的能量表达式存在不协调问题：即光波的能流密度坡印廷矢量表示，其均值与频率没有关系；而机械波的能量密度均值与频率平方成正比，光子能量与频率成正比。但是发电机理论告诉我们：发电机提供的电功率与转速(即频率)平方成正比，因此，有必要对宇宙红移产生的真正原因进行进一步的理论研究。

陈寿元效应是指：光波在传播过程中，由于光波能量的损耗及扩散、色散造成了能量强度降低。波能量的两个因子振幅和频率，在信号强时以振幅衰减为主，频率衰减为辅；在信号弱时，振幅、频率都快速衰减，频率的变化带动了波长的变化，所以光波在传播过程中波长的变化是波能损耗引起的。

宇宙红移的量值非常微小，而一米太空距离，由哈勃红移关系式，换算出频率变化量为-26量级。而国际原子钟最高计时精度每秒，在-14到-15量级(原子铯钟)。实验室要实现宇宙红移的测量是非常困难。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于陈寿元效应的宇宙红移实验装置，可在陈寿元效应的基础上观测到光波频率随传播距离衰减以及光波波长的变化，即宇宙红移。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种基于陈寿元效应的宇宙红移实验装置，包括激光模块、光波传播通道和光信号检测模块；所述激光模块用于产生设定频率、振幅的光波，光波通过光波传播通道到达光信号检测模块，光信号检测模块通过测量光波的频率来观测光波频率随传播距离的衰减；其中激光模块产生光波的声源位置、光波传播通道和光信号检测模块的测点位置保持相对静止。

进一步的，所述光波传播通道采用光纤媒质。

进一步的，所述激光模块包括依次连接的激光器和第一光放大器。

所述信号检测模块包括依次连接的第二光放大器、相位角积累器和显示单元，光波信号通过光波传播通道到达光信号检测模块，采用相位角积累器将光波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。

进一步的，在所述光波传播通道的前端与末端之间设有跟随器，用于提高测量精度，消除激光源自身信号频率的漂移。

进一步的，所述激光模块具有波源调节单元，用于调节所述光波的物理性质。

进一步的，所述波源调节单元具有波源功率调节器，用于调节所述光波的初始功率。

进一步的，所述光波传播通道采用长距离传播媒质，所述距离在一万米以上。

进一步的，所述激光模块、光波传播通道和光信号检测模块在同一水平面放置，用于排除引力红移效应。

本发明还提供了另一种技术方案：

一种基于陈寿元效应的宇宙红移实验方法，采用信号发生模块产生设定频率的光波，光波经光波传播通道传输后，采用跟随测量方法，检测两个测点之间的光波频率变化，采用相位角积累方法将光波频率的衰减转化为对相位角的积累测量，根据频率与波长的关系，将光波频率衰减转化为波长的变化，即为宇宙红移；其中信号发生模块产生光波的声源位置、光波传播通道和测点位置保持相对静止。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于陈寿元效应的光波频率衰减、红移(宇宙红移)的实验装置，使得在对光波频率以及波长随距离变化的认识上，给出了一种全新的视角，即排除了多普勒效应和赛克尼克效应，一方面可以使学生参与到陈寿元效应的理论学习与实验学习中，另一方面可以促进科研学界对陈寿元效应的研究与发展。

附图说明

图1为本发明的一种典型实施例示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本发明的一种典型实施例为一种基于陈寿元效应的宇宙红移实验装置，包括激光模块、光波传播通道和光信号检测模块；

激光模块包括依次连接的激光器、第一光放大器。激光器具有波源调节单元，波源调节单元具有波源功率调节器，可以调节光波的初始功率。

激光器通过第一光放大器产生一定初始功率和初始频率的光波。光波通过光波传播通道到达光信号检测模块，光信号检测模块通过测量光波的频率来观测光波频率随传播距离的衰减；光信号检测模块包括依次连接的第二光放大器、相位角积累器和显示单元，光波信号通过光波传播通道到达光信号检测模块，采用相位角积累器将光波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。

本实施例中采用跟随器，使得光波信号在媒质传播后，采用紧密跟随测量技术实现对测量点相位积累的检测。

本实施例中激光模块产生光波的声源位置、光波传播通道和光信号检测模块的测点位置保持相对静止。借此可以排除多普勒效应，即声源位置、测量点位置、及它们的相对距离固定不变；同时可以排除赛克尼克效应：即传输媒质没有运动，排除媒质运动引起频率变化；同时实验装置位于封闭空间内，封闭空间是基于振动相对隔绝设备、光照相对隔离设备、噪音相对隔绝设备以及温度相对恒定设备构建的。这样可以保证所有的光波源、传输通道、测量点探头，都在封闭、隔音、防震的空间内，排除风吹、外部振动引起的影响。

由于频率随传播距离衰减非常缓慢，相位角积累需要较长时间，需要设备不间断运行十天或数月，才能获得一个测量点的、一个频率的、一个周期很小一段的测量值。所以本实施例中媒质的长度需达到数万米，甚至几十万米；而完成一个赫兹的完整测量，需要数年，甚至更长。

本发明的再一实施例是一种基于陈寿元效应的宇宙红移实验方法，采用信号发生模块产生设定频率的光波，光波经光波传播通道传输后，采用跟随测量方法检测测点的光波频率变化，采用相位角积累方法将光波频率的衰减转化为对相位角的积累测量，根据频率与波长的关系，将光波频率衰减转化为波长的变化，即为宇宙红移；其中信号发生模块产生光波的声源位置、光波传播通道和测点位置保持相对静止。

利用上述实施例进行实验的具体原理以及过程如下所述：

现有的理论认为光波频率微小变化所折射出的宇宙红移是由于星系远离地球，发生多普勒效应引起的。本发明提供的光波频率的变化之原因是光波在传播过程，由于波能损耗及扩散、色散等，是能量强度降低。波能量的两个因子振幅和频率，在信号强，振幅衰减为主，频率衰减为辅。信号很弱时，振幅、频率都快速衰减。

陈寿元效应：波动在传播过程中，自然存在波能量的扩散、色散、损耗，使得波能量损失，又导致波的振幅降低(该部分内容是现有理论所证明的)、频率衰减(基于陈寿元效应的发现)，引起波长增加，形成所谓的宇宙红移。

下面是对陈寿元效应的理论分析：

波长相对变化量：(宇宙红移)

λ—波长；z—红移量，x—波的传播距离，α—损耗系数；λ0---入射端的波长；λ---波传播到x处的波长。c—光速；ω(0)---入射端波的角速度。k—波损耗过程中，频率衰减的对波能量损耗的贡献因子。

我们将波能损耗用能位函数表示：

假设波动从a处传送到b处，受到万有阻力的作用，损失振动能量。假定：1个单位质量的质点，振动具有的振动能量，称为振动能量位函数，简称振动能位函数。a处振动能位函数用表示，b处振动能位函数用表示，则有；

(a)式中：e—能场强度，克服万有阻力而做功。波动从a点传递到b点的必要条件：

a点的能场强度ea:

下面我们推导波源的振动能位函数：

能位函数：q能量荷(具有能量为q，不占用空间，为理想的点。在坐标系r′，在场点r产生能位函数：

式中：∈--媒质的介能常数，∈0–真空介能常数。

e—能场强度：可用能位函数的负梯度来表示：

如果能荷q由质点的无阻尼自有振动产生，沿y轴方向振动，符合余弦方式：

y＝acos(ωt+θ)(1.3)

式中：a–为振幅；ω—振动角速度。

质点振动的速度：

质点振动的加速度：

质点的振动能：

单位质点的振动能称为振动能位函数：

(1.6)和(1.7)式表明质点的振动能ek、振动能位函数与振动的频率平方成正比。

这里引入发电机理论：

发电机一旦制作完成，它的转子尺寸，转子的面积s是固定值，发电机内部磁场的磁感应强度b基本上是固定值。即通过转子的最大磁通量就是一个固定值：

转子转动时，通过它的磁通量是按余弦变化：

根据法拉第电磁感应定律：感应电动势

(1.10)式表明感应电动势与发电机的转速平方成正比

发电机提供的瞬时实功率：

由发电机理论可知((1.11)式)：发电机提供的功率与发电机的转速(频率)的平方成正比。

下面继续引入振荡电偶极子产生的光波能：

振荡电偶极矩：

在远处产生的电场、磁场：

(1.13)、(1.14)式表明，振荡电偶极子在远处产生电场、磁场强度与振荡频率平方成正比。

能流密度：坡印廷矢量s

(1.15)式表明电偶极子辐射电磁波的能流密度与偶极子振荡频率四次方成正比。

接下来，我们研究波动的能位函数：

波动是振动状态的传播，相位传播。振源的能量以波速向外传递。假定介质中每个质量元彼此通过弹性力相联系，沿y轴方向振动，沿x轴向传播。

波函数的一般表达式：

y(x,t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)(2.1)

(2.1)式中：a(x)--波的振幅，通常随传播距离而衰减,是x的函数。ω(x)角速度，目前认为它不随传播距离变化，是不变量。但是前面的分析，振源能量与频率平方成正比。能量是要消耗，散开。能量在空间上的散开，表现占用更大面积或更大的体积空间,使波长变长。在时域上，能量散开意味着占用更多的时间段,使振动的的周期有延长的趋势。

波函数中每个质点沿y方向振动的速度：

波动函数的能位函数

(2.3)式表明波动的能位函数与波动的频率平方成正比。

在一个波长范围内对取均值，因为a(x)，ω(x)在一个波长范围内变化很小，认为是暂稳态值。均值只是对sin²(ω(x)t--kx)进行，波动能位函数的均值为：

假定波函数在信道媒质内传播的功率与能位函数成正比。在一般的条件下，功率p随距离x变化，可用下式表示

p(x)＝p(0)e^-αx(2.5)

式中，α是损耗系数，p(0)为信道入射端x＝0处，入射功率，p(x)为信道x处输出功率。

根据上面的假定，波函数在信道里传输，其能位函数受损耗的影响而衰减，设长度为x信道媒质，入射端x0振动能位函数根据式(2.5)式，输出端x振动能位函数

把(2.4)式带入(2.6)式，得：

a²(x)ω²(x)＝a²(0)ω²(0)e^-αx(2.7)

对(2.7)式两边开方，得：

对(2.8)式进行讨论：

一、若信号传输过程中，频率不变，即：

ω(x)＝ω(0)

则有：

波函数：y(x,t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的振幅a(x)随距离x按(2.9)式衰减。

二、若信号传输过程中，振幅保持不变，即：

a(x)＝a(0)

则有：

波函数：y(x,t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的频率ω(x)随距离x按(2.10)式衰减。频率降低，波长变长，形成信道红移。

三、a(x)，ω(x)共同分担信号的衰减量：

四、

若信号振幅按(2.13)式快速衰减，信号的能量积累到频率上。则有ω(x)>ω(0)

五、

若信号频率按(2.14)式快速衰减，信号的能量积累到振幅上。则有a(x)>a(0)

六、更一般情况，a(x)、ω(x)衰减速率：从

到之间变化。

根据信道的香农公式可得：信道容量的香农公式：

上式中c---信道容量；

w---频带宽度

---信号与噪声的比值

由表3.1和公式(3.1)说明：载波频率越高，信道容量越大，携带信号的能力越强。

假定光波传播方向沿着z轴，电场仅沿x轴向振动，磁场强度仅沿y轴方向振动。其平面电磁波的电场、磁场表达式：

hy(z,t)＝h(z)cos(ωt-kz)(3.2)

ex(z,t)＝e(z)cos(ωt-kz)(3.3)

法拉第电磁感应定律：

总的感应电动势用表示，单位面积感应电动势用表示。

旋度代表单位面积的环量，电场强度的旋度就是单位面积的感应电动势

把(3.2)式代入到(3.4)中，则有：

(3.5)式表明，当z的磁场变化时，在该点感应产生的感应电动势。

单位面积感应电动势产生的电功率p(z,t)：

(3.6)式中，r—波阻抗的实数部分。

电功率p(z,t)的均值p(z):

在一般的条件下，功率p随距离z变化，可用下式表示

p(z)＝p(0)e^-αz(3.8)

式中，α是损耗系数，p(0)为信道入射端z＝0处，入射功率，p(z)为信道z处输出功率。

把(3.7)式带入(3.8)式，得：

对(3.9)式两边开方，得：

对(3.10)式进行讨论

(1)若光波传输过程中，频率不变，即：

ω(x)＝ω(0)

则有：

其平面光波变化为振幅衰减:

(3.12)、(3.13)式与目前理论一致。雷同于调幅广播。

(2)若光波传输过程中，振幅保持不变，即：

h(z)＝h(0)；e(z)＝e(0)(3.14)

光波损失的电磁能，只有频率降低，振动能减少。则有：

光波的电场强度、磁场强度衰减表达式：

k—波数。

把(3.18)代入()3.16)、(3.17)，得：

波长的变化：

(3.21)式，当光波振幅不变，能量损耗仅有振动频率提供，光波在传播过程中，波长变长，频率变低，出现信道红移现象。

(3.22)式λ0—发射端波长，λ—输出端、接收端的波长。

基于上述理论发现，本实施例通过激光模块产生不同频率的光波，经长距离传播媒质后到达检测模块，所述距离至少在一万米以上，具体的可以选择海底光缆作为传输媒介。

光检测模块通过放大、相位角积累处理后，可以将对光波频率衰减的测量转化为相位角积累的测量，具体的测点可以在长距离传播媒质上的选取若干个信号测量点，每个测量点的位置不同，在各测量点之间采用紧密跟随的测量技术，得到光波信号光波频率的衰减值。测量得出光波频率的变化之后，可以根据频率与波长的关系，将光波经长距离媒质传输后的频率测量值转换成波长变化，这样就得到了波长相对变化量—红移量。

采用上述实施例在进行实验过程中，首先根据实验目的进行各模块的组装，然后再进行性能调试。经过调试后，根据不足和缺陷，修订设计方案，根据重新设计或修改的方案，再进行系统测试，保证个个环节都在良好运行的状态下进行实验，也就进入了测量阶段。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。