淡定的科學神曲之 – 嘎啦哈的疑問

特有理

2013-7-6

在我第一次提出賽格尼克現象有可能能是光學多普勒效應的一種表現時，嘎啦哈同學就提出質疑並明確否定了多普勒效應。他寫道：“必須注意到如下的事實：光纖陀螺的原理是，給定一個固定的旋轉速度，光柵會產生了一個固定不變的（而不是運動的）偏轉量。由於接收器本身也在旋轉，因此，如干涉是由於頻率變化（多普勒移動），那麼光柵必然是以一個固定的速度移動，而不是一個固定不變的相移。”我當時只是根據自己的思路做個了一個光柵可以不動的回答。後來，嘎啦哈再次質疑了我的論點，並詳細用數學曲線予以說明（見下圖）。他論述道：“紅線為 sin（t），籃線為 sin（1.1×t），褐色線為 兩者之和的絕對值。可見，褐色包絡線的幅值的變化園頻率為1.1-1=0.1 rad/sec， 即來那個頻率之差。但兩道光的頻率非常接近時，比如，之差1Hz，那麼包絡線，僅干涉強度的漲落頻率，就是1Hz.”

感謝嘎啦哈提供的專業化表格和嚴謹的說明！

本來一方面我是比較偷懶，不想再長篇大論探討枝節的問題；更主要的是，最初我並不了解嘎啦哈到底是因何認定光柵不動就不可能是多普勒效應。現在有了專業的信號疊加圖和說明，我就徹底理解了嘎啦哈觀點的基礎。我想，這個問題既有廣泛的代表性，也不是那種得不到明確答案的前沿性科技難題。它是一個基本的信號分析及觀測的實用案例。嘎啦哈如此認真地與我探討問題，要是我在直觀的圖形面前無法自圓其說，就要明確承認錯誤，不能再誤導讀者；如果我仍然肯定自己的論點，我就要嚴謹地作出證明。以下就是我的分析，請嘎啦哈思考，也請有興趣的讀者考察本人思路的正確性。

從圖中顯示，當兩個不同頻率的波疊加時，其相互干涉形成的幅值包絡線在時間軸上表現為上下起伏的曲線（圖中綠色波形）。假設把信號的表現投射到空間平面，如果是一個點，那這個點的的信號強度就會隨包絡的周期而變化；如果兩束不同頻率的光在空間進行干涉，根據透光的物理形狀，可形成同心圓或帶狀的干涉條紋，由於條紋上每一點的光強度會按包絡線的周期變化，整體的表現就像光柵在進行移動。這正是嘎啦哈否定多普勒效應的理論依據。因為賽格尼克實驗中若系統勻速轉動，光柵不產生移動。但是，有沒有可能在圖形所示的情況下，光波頻率不同而光柵位置不變呢？讓我們先用圖形說話！

圖形顯示，干涉的包絡線隨時間波動。但是請注意，在固定的時間點上，包絡的幅值是固定的。那麼它的意義我們如何解讀？請設想兩個頻率信號僅有一組脈衝的情況：當兩個脈衝同時從t₀出發，到達t₁時其干涉幅值為P，那麼第二組脈衝到達t₁時的幅值一定也為P，第N組同樣為P。由此可以看出，在相同時間點幅值要保持不變，只要起始相位相同即可。

回顧賽格尼克實驗，兩個光束來自同一光源、走的是同一個路徑，只不過是方向相反而已。那麼每一組光脈衝的初始相位就是完全相同的；因此，到達觀測靶的干涉幅值就應該是固定的；進而，投射到觀測靶上的光柵位置就是固定的。

容易混淆的是：圖示上的時間軸既可以代表信號到觀測點的時間，也可以代表觀測進行的時間，具體如何分析就要看系統的實際模型。更深入一步，就要涉及採樣時間和顯示同步的問題。

先說採樣時間。採樣的時間和間隔對觀測的結果會有本質的差別，同時採樣就是一種量化信息提取。很多人會說：賽格尼克實驗觀測的是連續的信息，不涉及採樣。我則認為：看問題要看本質而非表面現象。通過光纖的信號雖然是連續的，但信號的採集則是有規律的。也就是說：兩個相反方向的信號都是在比較第n步的脈衝，這就是採樣的實質。從這個角度看，採樣的數值在相同位置就不應該發生變化。不變才符合圖形所表達的科學本質，變反而說明其中出現了問題。

再從顯示同步的角度來分析。現在經歷過電視圖像經常在屏幕上滾動的人已經不多了，那時顯示同步是一個棘手的技術問題，因為數字技術尚未出現，但這是一個最典型的顯示同步問題。光柵的動與不動實際上也是一種同步的問題。從圖形上看，若兩組信號頻率不變，信號干涉的包絡線周期就是固定的，如果幹涉條紋信號在空間的起始位置始終與包絡線周期有整數倍關係，則條紋同樣不會移動。賽格尼克系統本身就是一個同步系統，從信號的起始到信號的傳輸都完全有別於不同光源、不同路徑的光的干涉。它的信號顯示始終有一個共同的相位及周期的起始點，並在相同的路徑延時後進行干涉顯示，因此，只要相同位置的信號強度不變，顯示的圖像就不會發生變化。

綜合以上採樣和顯示同步的分析，說明賽格尼克模型不會因信號頻率出現差異而造成光柵的移動。

元芳，你怎麼看？