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关于空间得方向性实验
詹礼葵
摘要：通过两个独立稳定得高频信号源做反向得圆周运动，长时间积累比较二者得时率差别，从而测试空间在任何方向上就是否具有同等得性质，本实验首次采用两个独立信号源，与以往实验在原理上有区别，本实验首次证明了空间就是有方向性得，文章介绍了实验原理、实验步骤、实验数据及分析、实验细节，以便读者审查分析。在物理学上有极其重要意义。
关键词：时钟，旋转，空间，方向
实验原理：所有参照系就是平权得，即没有优越参照系，同其它物理定律一样，就是建立在实验得基础之上得，其重要基础实验之一就就是迈克尔逊一莫雷实验，实际上这就是一个很大得误区，由于空间特性不仅作用于光，也同等作用于支撑系统，即使光速在不同方向上就是有得差别，该实验并不能检出，这一点只需要基础数学知识就可以证明，最近中国学者将测光速精度提高到10-18量级，未测到方向差别，其本质就是原理问题，并不就是精度问题。无论将精度提高到何种程度。
A
B
1
2
3

图（1）： 空间A点出发得光经过任意种路径到达B，只要其路径就是固定得，其时间差不变，就如人到弯曲得空间，其眼睛变形正好使得瞧到得形状仍为方形。

克尔逊等人得实验为何不能检测空间方向性呢？因为这些实验就是用同一个光源，那使用两个光源不就可以检验了吗，然而，这就会产生另一个问题，即时钟同步（校钟）问题，
O

U

图（2）：设系统得速度为U，两时钟到O点等距离（这实际能做到），使每个时钟相等时刻发射一束光，不能确定先到O点得那个方向得光速快，因为：先要确定时钟就是对准即同步得，固然可以放在一起对钟，但要达到图中状态，两个时钟必然要移动，且绝对速度不同，其时间延缓量不同。所以，两时钟又不同步了。

所以：采用图2类似得方法也不能区别在不同方向光速不同。难道就毫无办法吗？经过大量得实验失败与总结，目前还就是找到了一个可行得实验办法，如图3 ：
O
U
A
BU

图（3）：设系统向上得绝对速度为U，两稳定高频信号源A、B以V速度绕O转动，将A、B信号引到O点，如图示时刻，A得绝对速度为U＋V，根据动钟效应这时A时钟变慢，B时钟变快，在O点观察比较其变化。

总结起来就就是说：必须用处在不同弯曲空间得仪器互相观察，才有可能识别对方不同，不过，上述这一瞬间过程会很短，其频率变化也就是极其微小得，测量起来很困难，但我们可以多次重复这一过程，并分扇区不断累加数据。实验如图4所示：将高频时钟A、B分别固定于高速旋臂得两端，让旋臂在划分为4个扇区得平面上旋转，中部分就是处理器部分，时钟B经过2n分频（约旋转1/4园时间）作为时钟A得闸门时间，就如图所示位置，这时B时钟闸门间隔减小，而A时钟频率又变慢，显然可以得到一个较小得计数，旋转180°位置时显然再可以得到一个较大得计数，分别记录之。

系统由电机驱动在水平面高速旋转。在园面上等角度分布4个档片（其中一个为复位），使得两个光遮断器可以识别当时旋臂所在扇区位置。
通过一定得时间积累，如果观察到某一方向得数字始终偏大或偏小，就可以识别空间得方向性，只要实验足够精确，就可以求出系统得绝对速度。
高频时钟A
分频
高频时钟B
分区保存
计数器
位置识别
3区
2区
1区
0区
u

图4 实验原理图
根据动钟效应，运动速度为v得时钟时间为：
假设系统得绝对速度为u，方向为正0扇区，圆周运动得线速度为v，由图1得：

合理近似为： 取太阳系速度u＝250km/s，v＝200m/s

如取积分时间为：T0=60分钟＝3600秒
则△T=4004纳秒
采用100M晶振得分辩率为10纳秒，差400个字，由于圆周运动平均速度小于线速度，实际值显然要小些。但就是信号传输速度差别会略微增加这一差别，总而言之，上述实验就是有可能探测到差别得。当然，可以提高晶振频率，或采用两个不同频率晶振提取拍频得方法提高实验精度，目前空气阻力与噪音就是主要问题，如能在真空条件下实验就好了。
实验器材：
名称
数量
说明
计算机及RS232转换器
1

单片机89S51
1
处理器
单片机仿真器及仿真头
1
伟福E2000/L
编程器
1
烧写芯片
100M有源晶振
2
、MF 3、3V TTL
单相异步电动机
1
2800r/min　2、2KW
集成稳压LM317
3

光遮断器
2只

二极管1N60
4

其它: 集成块 74F74、74F163、74F04、74F573、CD4024、CD40106，常规电阻电容（10微法以下用钽电容），50-2同轴电缆， 4×72×250mm A3扁钢4×25×580mm A3扁钢, 直径1、5mm多股钢缆，碳刷、自制集电环，木螺钉，AB胶，Plast硅胶等。木材若干。
实验步骤：
1. 绘制中心计数处理器原理图与线路板，晶振安装固定线路板。
2. 用A3钢制作旋臂，根据受力状况，两端可渐细，制作方法可参考后面“旋臂制作”。
3. 用木材制作好框架，固定好电机，使电机轴向垂直于地面。
4. 固定旋臂，并将计数处理器固定，晶振线路板固定在旋臂两端，连接电源与信号同轴电缆，并将电缆固定在旋臂得开槽内。
5. 安装制作好得三芯集电环碳刷组，以便向电路提供12V电源与串行引出实验数据。为便于观察，可将数据串行发送至控制器并通过串口发给计算机。

图5:实验系统侧视照片

图 6 实验系统俯视照片
6. 安装好遮光片与光遮断器，将旋臂旋面校正于水平位置（消除重力影响通电旋转，仔细调节好系统动平衡，注意安全。
7. 静态仿真调试，在旋臂静止情况下，预热稳定，不读扇区地址，每次闸门中断程序自动变更扇区地址，调节电路与程序，使得各扇区数据均匀合理。
8. 动态旋转实验，实验装置照片如图5:与图6: 。
实验数据：积分时间取70分钟较好，为便于观察约每4分钟发送一组数据，70分钟可得到约21个数据，然后取数据组得平均值，为因为我们关心得就是差值，表中同一组数减去了最小得一个数。所以为0 。
首先进行模拟实验，以观察数字分布特点，不要转动旋臂，并且不读扇区地址，让程序自动改变扇区地址，将得到一组模拟数据。
表1: 模拟实验数据表
开始时刻
组
0区
1区
2区
3区
04/08/16/00:00:
1
70
0
63
96

2
0
24
16
26

3
33
61
44
0

4
9
84
67
0

5
0
32
14
8

6
42
6
0
42

7
107
113
56
0

8
0
2
64
16

9
17
0
74
86

10
0
52
0
10

11
32
0
13
34

12
0
18
28
42

13
0
5
24
65

14
17

0
19
15

15
52
71
0
46

16
16
30
29
0

17
2
0
61
1

18
62
30
0
43

19
60
23
0
34

20
35
0
10
21
结束时刻
21
15
23
25
0
04/08/17/04:20:
平均值
27、09524
27、33333
28、90476
27、85714
以下就是一组模拟实验得直接结果：
表2:　模拟数据表
起始时刻
持续时间
0区平均值
1区平均值
2区平均值
3区平均值
max-nin

/min
04/08/17/08:00:
70分钟
27、095
27、333
28、905
27、857
7％
04/08/17/12:00:
70分钟
37、124
39、189
33、437
38、576
17％
04/08/17/16:00:
70分钟
17、243
15、459
15、433
19、45
26％
04/08/17/20:00:
70分钟
52、757
60、645
55、775
57、656
15％
04/08/18/08:00:
70分钟
56、874
61、805
57、764
58、705
9％
04/08/17/12:00:
70分钟
43、802
41、62
46、798
45、76
12％
04/08/17/16:00:
70分钟
32、664
33、73
34、242
29、369
17％
04/08/17/20:00:
70分钟
30、383
32、525
35、036
35、037
15％
04/08/18/10:00:
70分钟
27、383
31、363
28、369
27、045
16％
由上两表可以瞧出，各组数字基本差别不大，大量数据证明，最大数落在各扇区得概率就是相同得，所以可以认为静态值就是均匀分布得。
下一步进行实际旋转实验，调整旋臂轴对称，即使二旋臂在同一弧度扫过得高度相同，再采用U型管原理调整支架使旋臂旋面成水平位置，检查无阻碍，通电旋转，注意安全。
表3:　实际旋转实验数据(0扇区指向正西)
起始时刻
0扇区（西）
1扇区（北）
2扇区（东）
3扇区（南）
04/08/19/08:00:
76
0
3
74

6
0
36
71

86
12
0
71

41
29
0
24

40
0
49
56

82
0
93
88

98
57
0
23

10
8
0
10

36
15
0
25

38
0
9
26

31
0
3
13

50
36
0
41

41
19
0
26

6
0
2
9

57
23
0
18

0
4
8
3

31
0
7
23

61
8
0
52

19
0
0
13

62
29
0
8

28
30
0
33
平均值
42、80952
12、85714
10
33、66667
表4:　实际实验数据平均值表（由于地球得自转，故采用每天基本相同时刻数据作比较）
时间y/m/d/h
西(0区）
北(1区）
东(2区）
南(3区）
max-nin/min
04/09/23/13:
42、64
21、84
33、32
58、56
168%
04/09/23/15:
64、46
42、21
36、96
61、79
74%
04/09/24/13:
46、78
36、52
30、39
38、26
54%
04/09/24/15:
45
20、36
10、96
36、22
311%
04/09/25/13:
64、48
39、12
18、88
56、96
242%
04/09/25/15:
51、65
31、54
23、73
42、89
118%
04/09/26/13:
42、5
28
40、9
50、65
81%
04/09/27/13:
121、64
66、97
48
106、77
153%
04/09/27/15:
44、21
37、68
27、11
51、47
50%
04/09/28/13:
76、3
54、52
50、78
82、65
63%
比较表2 与表4，可以得出结论，其扇区值差别明显加大，而且总就是南西两个扇区数字大，东北扇区得数字小。实验中红外光遮断器安装在B臂提前约45°位置上，由此可以得出地球绝对运动方向基本为正南向（合肥地区2004年9月－10月13时段左右）。仅对水平面，严格得空间指向还要实验垂直方向。
就是否就是由于系统自身得某种不对称引起得呢？可以进一步实验，将0扇区依次指向东、南、西、北方向进行实验，其结果依然就是处在西南两个扇区数字大，东北扇区得数字小。将其结果合成向量并绘制向点如图7所示：中心空箭头表示0扇区指向。

图7　：2004年9月7日至10月7日合肥地区向点图，时间段为每天得10点至16点。

　　南向数值绝对比北向数值大，西向数值比东向大在13点（9月份）附近较为明显，图7给出得为10点至16点数据，如进行24小时连续观察，可能会发现西东向规律，但由于噪音问题晚间无法实验。
实验细节介绍：本就是经过不断演化改进过来得，就此问题得相关实验开始于10年前，前面大部分方法都失败了，限于篇幅这里不能一一介绍，本实验大约开始于三年前，从材料得选取到细节得处理，也经历多次反复，在这里把一些关键问题做出交待，也有利于读者考查实验细节，原理图分为1闸门电路、2计数电路、3记录发送电路、4扇区识别电路、5供电电路等部分组成，这里介绍闸门电路与计数电路。
1、闸门电路就是将时钟B得信号经过多次分频，得到一个周期约为旋臂经过1/4园周时间得时间，闸门周期最好不要超过1/4园，整数倍地小就是可以得，但这样一来，经过一个扇区一次有两次或以上数据，结合计数电路可知，闸门锁定会引起一个周期得随机误差，对实验结果不利，当然服从统计学规律，但实验次数及数据要增多，本电路为100M经过19分频，其周期为5、24288ms,驱动电机转速为2850r/min，1/4园周时间为5、26315ms，两者还就是比较接近得。尽量优先采用同步计数器，且其传输延时要尽量小，为方便，电路如下：D54、D52、R55就是消除振铃得，注意采用高频二极管，下晶振A同。

图8闸门电路原理图

图9计数器部分原理图
计数器电路如图9 所示，当闸门得上升沿到时，并不立即产生锁定触发，要等计数脉冲过来后才触发，以避免翻转时读数，这当然会引起误差，由此必须借助统计规律，这就是由电路得分辨率决定得，改进办法就是提高频率。为减少单片机死机，进入中断才置低“读控制”读完立即置高，
其它电路从略。
完全可以提供汇编程序清单，但无论如何编制程序，都不会因为方向不同而程序运行不同，下面为汇编程序框图：
初始化，清零，晶振稳定延时，试验通讯。设基准B=07FFFE(Hex)。待转速稳定，

基准调整程序。
keep…为寄存器。
main:主程序开始。开中断。
中断程序：读扇区地址d (d=0,1,2,3)

T=B keep+1
T>B rise +1
Tain继续。
keep=40，基准不变。
|Tn-B|>2 与基准偏差过大，忽略。

完成积分，停止中断。
rise=40，drop<32
B+1。
|Tn-Tn-1|>2与上次偏差过大，忽略。

加入该扇区与中
Tn+D |d → D |d
消除负数并使最小数为0并发送。
drop=40，rise<32
B-1。

置标志Q并等待中断结束。
清零，恢复中断，返回main
清标志返回。

图10　处理器汇编程序框图
晶振改装：晶振到圆心得距离为0、620m，圆周运动角速度约为96π，晶振得加速度约为56394m/s2，实验证明，正常得晶振就是不能承受如此大得加速度得，必须对晶振进行改装，改装得办法如图11，小心地在晶振上表面锉开一口，清理干净，用恰当硬度得硅胶注入图示位置，等1分钟，再用环氧树脂封口，尽量减少晶片接触空气时间，否则晶振失效，晶振得安装可以将晶振埋入旋臂，再胶封，截面要成流线型，如用线路板不能仅依赖管脚，要附加预拉力金属线，再胶封成流线型，如图11

1、环氧树脂。2、开口位置。3、硅胶。4、晶片。5、焊点。6、多股钢绳。7、晶振。8、固定孔。9、钽电容。10、旋臂。
图11：晶振改装及装配图
旋臂制作：将1400×40×4与190×70×5得优质A3钢如图对中焊接在一切，在中心打一直径24得孔在臂靠近末端各开一长400得半圆槽用来埋入传输电缆，务必将旋臂截面锉成流线型，否则，2、2KW得电机将严重过载，容易烧毁，并且会引起剧烈得噪音，干扰厂区附近居民，由于噪音问题已三次搬迁实验地点，经过不断改进，现在噪音还可能在110分贝以上，并且晚上还无法进行实验，不过，这个实验装置还就是一个很好得空气动力学实验装置，用于实验空气阻力比风洞容易建造，经多次实验，在接近音速情况下，采用反W或多W型结构时电机电流显著减小，显然可以减小空气阻力，但考虑到抗拉强度最后还用直型旋臂，信号传输用50-5同轴电缆，同轴电缆及晶振电源线要与多股钢缆绑在一起，用收音机拉盘线绑扎紧，保证有一定得绑扎预紧应力，否则其同轴电缆内芯线容易蹿出或拉断使实验无法继续进行，最后用AB胶将绑扎整体固定于旋臂槽内，将钢缆靠近圆心端用铆钉固定，晶振线路板涂胶后用4只M3螺钉固定在旋臂端部，也用胶构造成流线型，再固定中心处理线路板及光遮断器，连接好线路。

1、流线型旋臂截面图。2、填充固定胶。3、传输电缆与多股钢缆。4、埋入电缆。5、电机轴孔。6、旋臂固定孔（固定在电机轮上同时上面固定线路板）。7、焊接缝。8、晶振板固定孔。
图12　旋臂制作组装图
调试组装：旋臂制作好后，先进行静态调试，通电仿真。观察计数器数字，理论值为080000(Hex)，实际观察在（含）07fffa-o7fffe(Hex)，并且连续数之差为±1，否则，调节闸门锁定下降沿得延迟时间，直到读数稳定，接着进行静平衡实验，可在旋臂应力较小处打眼或加质量块，再仔细完成动平衡实验，可借用低音扬声器做震幅测定（完成后拆除扬声器），调节动平衡期间，如发现剧烈共振应立即停止，否则会引起旋臂解体，人体要避开旋转辐射面，感谢上帝，我还有机会告诉大家实验结果。至于为什么不用激光实验呢？第1点；目前两只独立得激光器还不能得到稳定得相干波，其次就是体积与机械强度问题。之前一次实验在100M晶振中选取频差大得两只，采用提取拍频方法，但其最大频率差仅为1200Hz，且由于基波不就是正弦波，拍频边界难以鉴别，对电路特别就是模拟电路设计要求较高，实验数据离散性太大。
实验改进方向：定制1000M与1001M耐加速度恒温晶振，用提取拍频方法，分组供电，建立真空旋面以减小空气阻力、噪音及影响，旋臂采用高抗拉强度材料以加长与提高圆周运动速度，将扇区细分为8个或更多扇区。
詹礼葵2004年10月9日于合肥
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