博主按：一个月前（9月23日），国际媒体报道了欧洲学者们关于中微子超光速的实验，学术界与非学术界从不同的兴趣点和角度均很关注—至少我就如此。本人认为要搞清光速是否可变和是否可超光速，还需回到1887年的Michelson-Morley实验是否真的支持光速不变这个假说上来。 2011年9月14日我投了一稿（用“地球轨道手性”重新解释Michelson-Morley实验）到将于11月10-14日在浙江大学举行的“中国化学会第四届全国分子手性学术研讨会”。此文从手性角度对经典Michelson-Morley实验进行了计算修正与新解释，讨论了光速是否可变等重大基本科学问题。本着百花齐放百家争鸣特别是抛砖引玉的想法，将其放于此，供各位学术大侠从学术层面进行批评指正与讨论。因转入时格式原因，本博文中某些公式特别是特殊符号可能有乱码问题，请以PDF格式附件为准： EOC与光速效应-2011-9-14.pdf 。 “地球轨道手性”产生至今仍较少人关注的天然不对称（手性）力场，自上世纪90年代以来我自得其乐地研究它，发现它是迷人的处女地，有许多新鲜有趣且重要的东西可挖掘。它在物理、化学与生物学方面的某些可能重要效应与角色请见本博客博文： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=111310do=blogid=51398 。 用“地球轨道手性”重新解释经典 Michelson-Morley 实验 何裕建 1,* 戚生初 2 （ 1 中国科学院研究生院化学与化学工程学院，北京 100049 ） （ 2 北京大学化学与分子工程学院，北京 100871 ） 摘 要 ：地球在时空上的右手螺旋自转与公转形成“地球轨道手性”，其在水平与垂直方向均有运动分矢量。本文引入这一客观事实对经典 Michelson-Morley 以太漂移实验进行了新解释，可合理说明： 1 ）为什么实验结果 (0.01) 与理论预言 (0.4) 相差如此之大； 2 ）为什么实验结果接近于零但非零； 3 ）为什么实验结果还有日、年 / 季节性的变化等问题。 关键词： 迈克尔逊-莫雷( Michelson-Morley) 实验，新解释，光速，“地球轨道手性” 一、背景介绍 美国实验物理学家 A.A.Michelson （ 1852 -1931 ）以精密测量光的速度和“以太”漂移实验而闻名于世， 1907 年获诺贝尔物理奖。他 于 1887 年与 E.W.Morley 合作 进行了 科学史上最著名的实验之一， Michelson-Morley(M-M) “ 以太”漂移 实验 。 该实验旨在利用光来测量地球相对于固定不动的“以太”的漂移运动。实验结果 (0.01) 与理论值 (0.4) 很不相符 。考虑到实验误差，被认为是“零”结果。 这“零”结果给绝对静止的 “ 以太 ” 观点致命的打击。这也似乎意味着自然界不存在绝对的惯性参照系，光在任何惯性参照系中、在同一惯性参照系的任何方向上的传播速度不受“以太”影响，即都相等。这动摇了经典物理学的基础。以此“零”结果为主要基础，爱因斯坦之后提出了光速不变原理和相对论。 M-M 实验是将 Michelson 干涉仪固定在地上，且使其两臂长度相等，均为 L 。设想“以太”相对太阳固定，则干涉仪将以地球绕太阳系公转的速度 v = 30 km/s 通过“以太”运动。设地球相对“以太”速度方向为自左向右，光源 S 发出的光经半反射膜镜 M 分成两相干光束，分别到 M 1 和 M 2 反射后又回到 M ，如果两路光回到 M 的时间发生变化，应该能观察到干涉条纹的移动，最后到达 T 处发生干涉 ( 图 1) 。 图 1. Michelson-Morley 实验示意图 由于 “ 以太 ” 的存在，使得光波在 “ 以太 ” 中的传播速度发生变化。当光束 2 以平行于 “ 以太 ” 风的方向运动，逆着 “ 以太 ” 风方向传播的光速为 C – v ，而顺着 “ 以太 ” 风方向的光速则为 C + v ，故光从 M 发射到 M 1 再回到 M 原点的往返时间为： （ 1 ） 式中 v 为地球公转相对于 “ 以太 ” 的运动产生的 “ 以太 ” 风速。当光线 1 以垂直于 “ 以太 ” 风方向往返运动，注意到由于 “ 以太 ” 风速 v 的影响，使光的实际传播方向发生变化，此时，如果仍然要求光能够垂直于镜面入射与反射，则要求发射光线方向与光的实际传播方向夹角为 a = arcsin(v/c) ，光线往返 M 与 M 2 的等效速率为 n ^ =(C 2 –v 2 ) 1/2 （图 1 ）。所以光束往返于 M 与 M 2 的时间为： （ 2 ） 显然有 t 1 ¹ t 2 。两束光到达测试镜 T 的时间差为 : （ 3 ） 如果将整个装置转动 90 ° ，可得 D t' = - D t 。设转动过程中干涉条纹移动数目为 D N ，则： D N = 光程差 / 波长 = C ( D t - D t')/ l = C (2 Lv 2 /C 3 )/ l = 2 Lv 2 /( l C 2 ) （ 4 ） 在 1887 年 M-M 实验中，干涉仪的臂长 L = 11 m ， v 为地球绕太阳的公转速度 30 km /s ，波长 l = 5.5 10 -7 m ， C 为光速 3 10 8 m /s 。这样，式（ 4 ）中 D N = 0.4 ，即应该有 0.4 条光条纹移动。但意外的是，实验发现至多只有 0.01 条的移动 。考虑到实验误差，它被称为“零”结果。 在式 (4) 中，如果 D N = 0 ，因 L 、 l 和 C 不为 0 ，则只能是“以太”风的 v 取 0 才可成立。此结果可引申为地球的公转不产生“以太”风，或光的运动不受“以太”影响，或根本不存在“以太”，或 C 根本不受任何因素影响—即爱因斯坦的光速不变原理的假说，等等。 从 1904 至 1926 年，美国物理学家 D.Miller 与 Morley 等人合作，又多次重复了 M-M 实验，都得到了接近于零但并不为零的结果 。并且，令人吃惊的是，多个学者的实验表明，其 D N 且随时间有日（昼夜）和年 / 季节性的变化 。最近一些学者的工作进一步支持此现象 。 M-M 实验之后至今，其结果不断被许多学者重新验证、置疑或提出新解释。归纳起来的主要问题是： 1 ）为什么理论预言与实验结果相差如此之大？ 2 ） M-M 实验是零结果还是接近于零的非零结果？ 3 ）如何解释 M-M 实验的结果有日、年 / 季节性的变化？ 4 ）接近于零但非零的结果，能证明“以太”不存在、光速不变吗？ 二、用“地球轨道手性”概念重新解释 M-M 实验 Michelson Morley 在 1887 年的论文中明确提出，考虑的仅是地球的公转运动，如果结合知之不多但效应可能不大的其它运动， M-M 实验的理论结果必须被修正 。现已明了，地球 在时空中的水平与垂直方向均有运动分矢量， 不仅围绕太阳公转 (~30 km/s) 也有自转，而且也伴随太阳有一个线性运动 (~20 km/s) ，导致地球在时空上的运动事实上是一个不对称右手超螺旋形式的轨迹（图 2 ），即“地球轨道手性” 。无疑，不仅地球的公转会影响 M-M 实验的结果，地球在太阳系中的其它运动也应会产生影响。 图 2. “地球轨道手性”运动： (a) 地球手性自旋运动， (b) 地球手性公转运动 1 ）考虑地球伴随太阳在空间上的地球的线性运动 (v' = 20 km/s) （图 2 ），它与地球公转 (30 km/s) 相似，也应产生一个“以太”风效应。 为方便理解，本文以 M-M 实验在地球赤道上春分日的 12 点为例进行计算 ( 图 2-a 中的 * 点 ) ，且图 1 中的光线 1' 和 2 分别为垂直与水平方向。当光束 1' 以垂直方向通过 “ 以太 ” 风运动时，逆着 “ 以太 ” 风方向传播的光速应为 n ^ – v' ，而顺着 “ 以太 ” 风方向的光速则应为 n ^ + v' ，故光从 M 到 M 2 再回到 M 的往返时间应为： t 2 ' = L/( n ^ + v') + L/( n ^ - v') ( 这里 n ^ = (C 2 - v 2 ) 1/2 , v' = 20 km/s) (5) 两束光到达测试镜 T 的时间差应为： D t' = t 1 - t 2 ' = – ≈ L(v 2 -2v' 2 )/C 3 (6) 如果将整个装置转动 90 ° ，可得 D t'' = - D t' 。设转动过程中干涉条纹移动数目为 D N': D N' = 光程差 / 波长 = C / l = 2 L(v 2 -2v ' 2 )/( l C 2 ) (7) 将实验数据 L 、 l 、 v 、 v' 和 C 的值代入，得 D N' = 0.04 。它接近于零但非零，这是传统理论值 (0.4) 的 1/10 ，明显更接近 M-M 实验结果 (0.01) 。 考虑在地球的不同点和时间的 M-M 实验，理论结果会有不同的校正值，但均会明显低于传统的理论值 (0.4) 而更接近于实际结果。由式（ 7 ），当 D N' ≠ 0 ，则说明 v 2 -2v ' 2 ≠ 0 ，也表明 v 和 v' 不同时为 0 ，即光的运动速度与地球在空间的相对运动速度与方向有关！ 2) 当考虑到“地球轨道手性”伴随太阳在空间上的日、年 / 季节性的周期 ，在式（ 7 ）中， v 和 v ' 在水平和垂直“以太”风方向的分量将随地球的 日、年 / 季节性的周期运动发生对应变化。这意味着 D N' 随时间时刻在变，不能简单重复。因此，式 (7) 中干涉条纹移动数目 D N' 自然也会对应表现出节律性，从而可合理解释已报道的 M-M 实验接近于零但非零同时具有周期性的结果 。此外有趣的是，通过主动对时空引入不对称（手性）概念，可以较自然地得到类似于时空收缩与扭曲等结果或推论。相关详细的推导和计算另文报道。 三、结论 综上所述，在考虑了“地球轨道手性”的 水平与垂直方向的运动分矢量 后， M-M 实验可得到更合理的新解释： 1 ）传统解释 因只考虑了地球水平方向的公转（ v ）而忽略了地球垂直方向的运动（ v' ），导致其理论值 (0.4) 与实验结果 (0.01) 相差很大； 2 ）校正后， M-M 实验的理论值之一为 0.04 ，是接近于 0 而不为 0 的结果，与实验结果 (0.01) 接近； 3 ）由于地球运动的 v 和 v' 在水平与垂直方向的分量随日、年 / 季周期性变化， M-M 实验结果对应有日、年与季节性的周期性； 4 ） M-M 实验近零但非零的结果是合理可信的，光的运动速度与地球的相对运动速度（ v 、 v' ）和方向（水平、垂直）有关。 _________ 致谢 ：中国科学院（研究生院）院长基金、美国李氏基金会基金和国家自然科学基金的支持。 * 联系人： Tel: 010-88256141, Fax: 010-88256092, Email : heyujian@gucas.ac.cn 主要参考文献 http://wwww.xuexi.biz/wuli/baike/20090722-4325.htm. 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The Re-explanation of Michelson-Morley Experiment Using " Earth’s Orbital Chirality" Yujian He 1,* , Shengchu Qi 2 ( 1,* College of Chemistry and Chemical Engineering, Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, Email: heyujian@gucas.ac.cn,Tel: 010-88256141) ( 2 Department of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871) The famous Michelson-Morley Experiment was re-explained considering the “ Earth’s Orbital Chirality” to solve the following problems: 1) why there is such a big difference between the expected and experimental fringes, 2) why the fringe is near 0 but not 0, 3) why there are periodic fringes depending on the circadian and annual rhythms, and so on. Keywords : Michelson-Morley Experiment, Re-explanation, Velocity of light, Earth’s Orbital Chirality
刘华杰老师曾发现一些植物分类学书籍上植物的手绘图手性出现过错误，本来右旋的画成左旋，或是左旋画成右旋。 最近发现在核小体手性上也有类似的手性问题出现，例如这篇文章Nature Reviews Genetics 11, 476-486 | doi:10.1038/nrg2795，插图中的DNA都画成了右旋在组蛋白上。 再看看下面的图，doi:10.1038/nrg2522 Approximately 147 bp of DNA coils 1.65 times around the histone octamer in a left-handed toroid 2 . 2. Luger, K., Mader, A. W., Richmond, R. K., Sargent, D. F. Richmond, T. J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 resolution. Nature 389, 251260 (1997). 看出区别了吗？ 自己动手，拿根绳子，按右旋方向扭转，直到绳子自己缩到两根缠在一起，看看这两根是不是左旋啦！ 话说DNA有右旋的也有左旋的（Z-DNA），核小体是否也有右旋的呢？ R ight-Handed Nucleosome: Myth or Reality? doi:10.1016/j.cell.2009.12.014 In their recent paper in Cell , Furuyama and Henikoff, 2009 (doi:10.1016/j.cell.2009.04.049) report that nucleosomes in centromeres may be right-handed, that is, they wrap DNA in a right-handed manner and induce positive supercoils. This raises intriguing new questions, such as how centromeric histone variants may be assembled into right-handed particles, and why chromatin would retain negative supercoiling in chromosome arms but positive supercoiling in centromeres. We wish to comment on these new findings in the context of topological insights that we have gained from recent in vitro experiments with centromeric nucleosomes and single chromatin fibers submitted to torsional constraints and from 3D modeling of chromatin dynamics. We will also discuss alternative compositions of centromeric nucleosome particles and suggest potential mechanisms by which local positive supercoiling may be established.
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