科普综述性短文丨相对论对现代航天工程的影响

郭衍莹

一、相对论认为，物体高速飞行时会发生长度缩短、重量加重，时间变慢等"相对论效应"；变换系数为√(1-v^2/c^2 ) 。超光速学者认为这只是一种未经实验验证的假设

学过高中物理的同志都知道，一百多年前（1905年）大科学家爱因斯坦提出了相对论。他首先假设光速（3×108m/s）是固定不变的，而且"不可能存在超光速的运动"（原文：velocities greater than that of light have no possibility of existence）。他又进一步假设，当物体运动速度接近或等于光速时，物体长度会缩短至零，重量会加重直至无限大，时间会变慢直至停滞不前，时空会扭曲…等等。而这些变化量可用一个变换系数√(1-v^2/c^2 ) 来计算（称变换因子；当v很小时它近似等于1-v2/2c2;也即误差项为（v/c）2/2）。比如假定速度等于光速万分之一（30 km/s），变换因子大约等于5×10-9，也就是说1米长的物体大约要缩短5纳米；时间也要变慢5×10-9。不过在过去航天技术不发达的年代,任何物体速度都远远小于光速。所以对于广大科技人员而言，相对论只是门玄妙而又非常遥远的学问，无需大家操心。但在航天技术（尤其是太空时间同步技术）迅速发展的今天，问题就来了。例如现在GPS导航卫星的速度约为4km/s,虽离光速还远，但变换因子约0.88×10-10。一天下来（共86400秒）将慢86400×0.88×10-10=8微妙（GPS系统每天一次对星钟进行时频校正）。由于光速为300m/μs,这3微妙的时延将造成将近1公里的测距误差。这就使设计人员有了压力，不得不坐下来认真考虑：要不要对这种误差进行修正了。

相对论被认为是继牛顿经典物理学之后最伟大科学成就。它和量子力学一起成为近代物理二大支柱（其实相对论和量子力学存在根本性矛盾；因为量子力学和牛顿力学一样不认为速度有上限）。不过国内外偏偏有那么一些喜欢逆向思维的学者对爱因斯坦的理论持怀疑态度。他们认为，爱因斯坦的"光速极限轮"完全是一条没经任何科学验证的假设；所以相对论不仅不是无懈可击，而是在不少方面存在明显漏洞［3］［4］。正如我国航天专家，前中国工程院院长宋健院士在2004年香山学术会议上所说;“从技术科学的角度讲，爱因斯坦的名言"不可能存在超光速运动"是设想了一个光障。但这只是猜测，不能把这句话当做科学定律；更不能当作计算公式，因为它没有实验根据。超光速运动我们看不见它，但不能成为"不存在"的证据”［2］。超光速是完全可能的（事实上，核物理中的粒子、电磁波、引力波等有超光速现象早已被科学家们证实）。所以称这门学问叫"超光速物理学"。国内一些同志被这些学者追求真理的执着精神所感动，尊称他们为超光速物理学家（简称超光速学者）；而并非是哪一级文件上授予他们的称号。

美国于2016年2月11日宣称，他们的LIGO（美国激光干涉引力波天文台）科学家探测到（也是人类首次探测到）距离地球13亿光年的二个黑洞合并时产生一个时间极短的引力波。据称二个黑洞合并前质量分别为36个和29个太阳质量。为此三位美国科学家获得2017年诺贝尔物理奖。中国的几位超光速物理学家会同国外多名同行专家曾一起写信给诺奖委员会，反对给这三位科学家授奖，理由是此项成果从理论到试验漏洞百出，近乎神话［8］。此事虽无结果但还是引起国内外科技界人士密切关注。

再说说2020年物理诺奖，已授予三位研究黑洞理论和试验的三位科学家。国内几位超光速物理学家再度发文责问，宇宙中到底有没有黑洞？众所周知，黑洞学说是上世纪70年代那位著名的身残志不残的物理学家霍金发展起来的。他也因此被尊为继爱因斯坦后最伟大科学家。具有讽刺意义的是，这位曾预言2032年是地球末日的科学家，忽然于2014年1月在多个场合声明；根本不存在黑洞边界….，黑洞是没有的。黑洞理论是自己一生中的最大错误(biggest blunder）［18］。….于是有人揶揄：到底是这位伟大科学家晚年精神不正常？还是他临终前想更正他以前某些错误言论？（无独有偶，普林斯顿大学著名物理教授P. Steinhardt，早年也参与鼓吹宇宙大爆炸学说，认为今天的宇宙是137亿年前由一个奇点，即体积接近零，重量接近无穷大的点炸出来的，宇宙不但有限而且还在不断膨胀，至于宇宙之外是什么？没人能说清。其实这和 “上帝创世说"并无二样。但这位教授晚年时却著文大谈大爆炸学说的荒谬（Big Bang Blunder）［15］

由于近代航空航天科技的发展，越来越多人相信相对论并非无懈可击。早在1972年美国人Hafele就做了个大型试验。他在二架飞机上装载指标相同的铯原子钟；一架飞机沿赤道向东飞行，一架以同样的高度和速度沿赤道向西。按照相对论说法，二台铯钟的时间变化应该是相同的，与飞行方向无关。但实验给出的数据却是：东飞铯钟比地面钟慢59纳秒，西飞铯钟比地面钟快273纳秒［11］。造成这种现象的原因是什么？直至今天专家们仍有不同解读和争论。

中国航天部门一位超光速物理学家，国际宇航学院院士林金于2008年带领团队进行一项实验，名称为"爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验”［1］。实验利用国家授时中心的TWSTT设备（不确定度为±0.01纳秒），在西安站、乌鲁木齐站，以及空间的鑫诺同步卫星三者间进行"双程光信号传递试验"。实验结果发现，信号从西安经同步卫星到乌鲁木齐的时间（往程），比起信号从乌鲁木齐经同步卫星回到西安的时间（返程），相差0.8-1.5纳秒。这是否能说明往程和返程的光速不同呢？多数专家认为这一时差主要还是由于鑫诺卫星有随机漂移（约1米/秒）引起的，而非光速不等引起的［15］。但也有少数专家经计算和论证认为，林金试验并不支持爱因斯坦光速不变的假设，换句话说，很有可能是光速不等引起的［17］。实验结束后，航天部门曾举行以已故梁思礼院士为主席的技术鉴定会。鉴定结论是，该项目理论研究成果的技术水平处世界领先地位。因为直至当前，美俄二个航天大国都没有做过类似实验。可惜的是由于经费等原因此类实验没有能继续进行下去。但他们相信，通过航天试验能正式肯定或否定相对论也许是不太遥远之事。

二、支持相对论的学者认为，GPS星载原子钟校正问题是说明相对论正确的典型例子；超光速学着认为，恰恰这个问题给相对论帮了倒忙［5］

GPS导航系统中的星载原子钟，是否需要进行相对论效应修正？这是最近国内互联网上热烈争论的问题。多数网友认为：GPS卫星的飞行速度约为4km/s;按爱因斯坦狭义相对论的说法，星上的时钟会变慢。上面已说过，误差约（v/c）2/2；式中v为卫星相对用户（地面）的速度。经计算一天约慢8微妙。爱因斯坦的广义相对论又说，地球是个重力场，地球引力会使时钟变化，称引力频移。而卫星和地面用户离地心距离不同，所受引力不同，会使二者的引力频移有差别，使卫星钟走快，误差约为GM/Rc2，此处G为引力常数；M为地球质量；R为卫星至地球地心的距离。经计算此项效应可使星载原子钟每天约快45μs。将二者合起来，每天应快45-8=37μs。因此他们说幸亏爱因斯坦提出了相对论，GPS系统知道如何修正时钟，否则37μs的时间误差将造成测距误差30km。因此，“没有相对论就没有全球卫星定位系统”。（见《报刊文摘》（上海版）2020年7月22日"相对论有什么用"等文章）

还有二位大学老师，在《大学物理》2017年2期上发表"相对论效应对GPS的影响"一文，赞同上述相对论效应能使卫星钟变慢和变快的论点，并认为这是大学物理课程讲述相对论的一个极好的例子。他们建议大学物理课增添这方面内容。

超音速学者则认为，变换因子√(1-v^2/c^2 )只是爱氏理论上的假想，不能把它当做科学定律，更不能当作航天工程的计算公式。有位王令隽教授还提出的一个重要概念［6］：他说GPS号称适用于从地面至太空所有用户！但从公式看GPS相对论修正量只对地面固定（或慢速移动）的用户有效；对飞船、火箭、导弹、低轨卫星等相对于地面作高速飞行的用户，其修正值必然是另一组数据，且差别很大，需重新计算后对星钟进行修正。这显然有悖事实！目前世界上新武器用GPS来制导的很多（如各种导弹、炸弹、炮弹…）。难道这些弹每发射一次都要请求GPS当局重新对星钟进行修正一次？将来如何作战?所以他认为，要对GPS进行相对论修正很可能是个伪命题。或者说并无其事。所谓"没有相对论就没有GPS"就和当年"没有相对论就没有原子弹"一样不靠谱。

三、美国人民称LIGO之类耗资巨大而又不见效的工程为"烧钱工程"；烧钱还常常是滋生腐败的温床。我们不能仿效这种做法

照例说二派之争是学术之争，但大家担心背后有利益之争，权力之争。这种担心恐非空穴来风。例如上述中外几位科学家写信力阻诺奖授予LIGO的科学家一事，国内就有人猴急表示反对。据说原因很简单，我国也要搞LIGO实验。据说方案至少已有三个：，报价最低的也要200亿元（注意：林金试验全部经费只有它的万分之一）。又如2015年12月，在我国酒泉发射中心发射××号卫星，主要任务是三年内寻找到空间暗物质粒子的存在。据说临发射前还有三位院士赶到国家科委，建议暂停发射。理由是从学术上看是件悬乎事，从经费上看是个无底洞（仅发射卫星一项就需3个亿）。建议没被采纳，发射照样进行。五年过去，据说最大收获是收集到大量有用数据，发表在国外杂志"自然"（Nature）上。这种在烧钱上追赶美国的现象处处可见。

超光速学者可能因由于处于少数派地位，比较容易看到当前我国科学界存在的浪费、烧钱、行贿、贪污、腐败现象。也深感自己受到压制。譬如他们也想立项，申请经费，招研究生，甚至求职讲课，发表文章都是难事（有人还在网上扬言，“在中国科学技术大学有一个反相对论者。其结果是被赶下了讲台。….。如果北大理学院真有一个反相对论者，最后的结局也是卷铺盖）。前几年有本杂志叫"前沿科学”，登载过不少反映双方意见的好文章。后来据说因"发不出奖金"而告停刊。记得2006年胡锦涛同志在揭发海军巨贪王守业（中将，副司令）大会上有句名言：“看来部队也并非净土！"。当今的科技界是不是净土？

四、随着航天技术快速发展，如何处理遇到的相对论问题？

随着航天技术快速发展，飞行体的速度越来越快，遇到类似GPS相对论修正问题的情况越来越多。如何处理？宋建院士建议：航天发射及火箭运行还是都用牛顿力学的公式，而不要用相对论力学。不过作者认为，有关相对论的争论不是短期内能解决的。要让工程设计人员决定：是套用爱因斯坦的公式？还是仍利用牛顿力学的公式？是个艰难的选择。我认为最好的办法是尽量避免在具体工程计算中使用相对论的公式。这方面GPS或许是值得我们借鉴的典范。据说在一些国际学术会议上或论坛上当问及此类问题时，美方专家的答复往往是：GPS官方文件从未说过系统调试中需作"相对论修正”；也从未说过不需要作"相对论效应"修正。而实际情况是：GPS的接收系统采用伪距差分运算处理方式。因此无论是相对论效应存在也好，没有也好，都在对四颗星的伪距数据进行差分处理（即四个伪距数据两两抵消）过程中抵消掉了。这就帮助GPS摆脱了如何处理"相对论修正"的难题.（详细的数学推导作者将在另一科普短文中介绍）

太空中高速飞行物到底有没有相对论效应？不少人相信总有一天会水落石出。但大家也清楚，这还需经过艰苦的探索和大量的航天试验来验证。所以我和一些老同志认为，超光速派的工作是很有益的，不应受到歧视和不公正待遇。学术上有争论本是好事。早在古希腊，哲学家柏拉图就说过，真理可能在少数人一边。现代社会为什么就不能容忍学术上有点不同声音呢！

主要参考文献

林金：爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验"。宇航学报2009年1期p.25

宋健： “航天、宇航和光障”；《第242次香山科学会议论文集》，2004年，第7~22页

黄志洵：超光速物理问题研究，国防工业出版，2018

黄志洵：波科学和超光速物理

黄志洵：关于GPS系统"相对论修正"问题的讨论。2022年4期"中国传媒大学学报-自然科学版"

Wang L J(王令隽). One hundred years of General Relativity-a critical view[J]. Physics Essays,28 4),2015./2/

7、徐令予（科学网博客2017年4月）：剪不断，理还乱！谈谈相对论与GPS的关系

8、黄志洵，姜荣．美国LIGO真的发现了引力波吗？中国传媒大学学报（自然科学版），2019, 26(3): 1~6

9、马青平. 也谈相对论与GPS的关系--兼讨论此关系时常见的认识误区[J]．博文，2020年6月

10、马青平，相对论逻辑自洽性探疑[Ml.上海科学技术文献出版社，2004.

11、Hafele. J, Keating R. Around the world atomicclocks predicted relativistic time gains[J]. Science,1972. 177: 166~168 .

12、张建勋. 铯钟航行和GPS星钟降频实验对广义时间膨胀公式的检验[J]．博文，2020年6月

13、Qing - Ping Ma. The Theory of Relativity: Principles, Logic and Experimental Foundation[M]. NewYork: Nova publishers,2013.

14、梅晓春. 广义相对论关于大质量天体崩塌成奇异性黑洞的计算是错误的[J]. Inter. Jour. Astron. & Astrop., 2011, 1: 109~116

15、郭衍莹：林金的"双程光信号传递试验及其对航天的意义"。中国航天2020年6期p.25

16、Paul Steinhardt：Big Bang blunder bursts the multiverse bubble. “Nature"2014.6.5 Vol.510

17、马青平：试论林金试验的意义。科学网博文。2020年

18、黄志洵：黑洞真的存在吗。科学网博文。2020年