科普綜述性短文丨相對論對現代航天工程的影響

郭衍瑩

一、相對論認為，物體高速飛行時會發生長度縮短、重量加重，時間變慢等"相對論效應"；變換系數為√(1-v^2/c^2 ) 。超光速學者認為這只是一種未經實驗驗證的假設

學過高中物理的同志都知道，一百多年前（1905年）大科學家愛因斯坦提出了相對論。他首先假設光速（3×108m/s）是固定不變的，而且"不可能存在超光速的運動"（原文：velocities greater than that of light have no possibility of existence）。他又進一步假設，當物體運動速度接近或等於光速時，物體長度會縮短至零，重量會加重直至無限大，時間會變慢直至停滯不前，時空會扭曲…等等。而這些變化量可用一個變換系數√(1-v^2/c^2 ) 來計算（稱變換因子；當v很小時它近似等於1-v2/2c2;也即誤差項為（v/c）2/2）。比如假定速度等於光速萬分之一（30 km/s），變換因子大約等於5×10-9，也就是説1米長的物體大約要縮短5納米；時間也要變慢5×10-9。不過在過去航天技術不發達的年代,任何物體速度都遠遠小於光速。所以對於廣大科技人員而言，相對論只是門玄妙而又非常遙遠的學問，無需大家操心。但在航天技術（尤其是太空時間同步技術）迅速發展的今天，問題就來了。例如現在GPS導航衞星的速度約為4km/s,雖離光速還遠，但變換因子約0.88×10-10。一天下來（共86400秒）將慢86400×0.88×10-10=8微妙（GPS系統每天一次對星鍾進行時頻校正）。由於光速為300m/μs,這3微妙的時延將造成將近1公里的測距誤差。這就使設計人員有了壓力，不得不坐下來認真考慮：要不要對這種誤差進行修正了。

相對論被認為是繼牛頓經典物理學之後最偉大科學成就。它和量子力學一起成為近代物理二大支柱（其實相對論和量子力學存在根本性矛盾；因為量子力學和牛頓力學一樣不認為速度有上限）。不過國內外偏偏有那麼一些喜歡逆向思維的學者對愛因斯坦的理論持懷疑態度。他們認為，愛因斯坦的"光速極限輪"完全是一條沒經任何科學驗證的假設；所以相對論不僅不是無懈可擊，而是在不少方面存在明顯漏洞［3］［4］。正如我國航天專家，前中國工程院院長宋健院士在2004年香山學術會議上所説;“從技術科學的角度講，愛因斯坦的名言"不可能存在超光速運動"是設想了一個光障。但這只是猜測，不能把這句話當做科學定律；更不能當作計算公式，因為它沒有實驗根據。超光速運動我們看不見它，但不能成為"不存在"的證據”［2］。超光速是完全可能的（事實上，核物理中的粒子、電磁波、引力波等有超光速現象早已被科學家們證實）。所以稱這門學問叫"超光速物理學"。國內一些同志被這些學者追求真理的執着精神所感動，尊稱他們為超光速物理學家（簡稱超光速學者）；而並非是哪一級文件上授予他們的稱號。

美國於2016年2月11日宣稱，他們的LIGO（美國激光干涉引力波天文台）科學家探測到（也是人類首次探測到）距離地球13億光年的二個黑洞合併時產生一個時間極短的引力波。據稱二個黑洞合併前質量分別為36個和29個太陽質量。為此三位美國科學家獲得2017年諾貝爾物理獎。中國的幾位超光速物理學家會同國外多名同行專家曾一起寫信給諾獎委員會，反對給這三位科學家授獎，理由是此項成果從理論到試驗漏洞百出，近乎神話［8］。此事雖無結果但還是引起國內外科技界人士密切關注。

再説説2020年物理諾獎，已授予三位研究黑洞理論和試驗的三位科學家。國內幾位超光速物理學家再度發文責問，宇宙中到底有沒有黑洞？眾所周知，黑洞學説是上世紀70年代那位著名的身殘志不殘的物理學家霍金髮展起來的。他也因此被尊為繼愛因斯坦後最偉大科學家。具有諷刺意義的是，這位曾預言2032年是地球末日的科學家，忽然於2014年1月在多個場合聲明；根本不存在黑洞邊界….，黑洞是沒有的。黑洞理論是自己一生中的最大錯誤(biggest blunder）［18］。….於是有人揶揄：到底是這位偉大科學家晚年精神不正常？還是他臨終前想更正他以前某些錯誤言論？（無獨有偶，普林斯頓大學著名物理教授P. Steinhardt，早年也參與鼓吹宇宙大爆炸學説，認為今天的宇宙是137億年前由一個奇點，即體積接近零，重量接近無窮大的點炸出來的，宇宙不但有限而且還在不斷膨脹，至於宇宙之外是什麼？沒人能説清。其實這和 “上帝創世説"並無二樣。但這位教授晚年時卻著文大談大爆炸學説的荒謬（Big Bang Blunder）［15］

由於近代航空航天科技的發展，越來越多人相信相對論並非無懈可擊。早在1972年美國人Hafele就做了個大型試驗。他在二架飛機上裝載指標相同的銫原子鐘；一架飛機沿赤道向東飛行，一架以同樣的高度和速度沿赤道向西。按照相對論説法，二台銫鐘的時間變化應該是相同的，與飛行方向無關。但實驗給出的數據卻是：東飛銫鐘比地面鐘慢59納秒，西飛銫鐘比地面鐘快273納秒［11］。造成這種現象的原因是什麼？直至今天專家們仍有不同解讀和爭論。

中國航天部門一位超光速物理學家，國際宇航學院院士林金於2008年帶領團隊進行一項實驗，名稱為"愛因斯坦光速不變假設的判決性實驗檢驗”［1］。實驗利用國家授時中心的TWSTT設備（不確定度為±0.01納秒），在西安站、烏魯木齊站，以及空間的鑫諾同步衞星三者間進行"雙程光信號傳遞試驗"。實驗結果發現，信號從西安經同步衞星到烏魯木齊的時間（往程），比起信號從烏魯木齊經同步衞星回到西安的時間（返程），相差0.8-1.5納秒。這是否能説明往程和返程的光速不同呢？多數專家認為這一時差主要還是由於鑫諾衞星有隨機漂移（約1米/秒）引起的，而非光速不等引起的［15］。但也有少數專家經計算和論證認為，林金試驗並不支持愛因斯坦光速不變的假設，換句話説，很有可能是光速不等引起的［17］。實驗結束後，航天部門曾舉行以已故梁思禮院士為主席的技術鑑定會。鑑定結論是，該項目理論研究成果的技術水平處世界領先地位。因為直至當前，美俄二個航天大國都沒有做過類似實驗。可惜的是由於經費等原因此類實驗沒有能繼續進行下去。但他們相信，通過航天試驗能正式肯定或否定相對論也許是不太遙遠之事。

二、支持相對論的學者認為，GPS星載原子鐘校正問題是説明相對論正確的典型例子；超光速學着認為，恰恰這個問題給相對論幫了倒忙［5］

GPS導航系統中的星載原子鐘，是否需要進行相對論效應修正？這是最近國內互聯網上熱烈爭論的問題。多數網友認為：GPS衞星的飛行速度約為4km/s;按愛因斯坦狹義相對論的説法，星上的時鐘會變慢。上面已説過，誤差約（v/c）2/2；式中v為衞星相對用户（地面）的速度。經計算一天約慢8微妙。愛因斯坦的廣義相對論又説，地球是個重力場，地球引力會使時鐘變化，稱引力頻移。而衞星和地面用户離地心距離不同，所受引力不同，會使二者的引力頻移有差別，使衞星鐘走快，誤差約為GM/Rc2，此處G為引力常數；M為地球質量；R為衞星至地球地心的距離。經計算此項效應可使星載原子鐘每天約快45μs。將二者合起來，每天應快45-8=37μs。因此他們説幸虧愛因斯坦提出了相對論，GPS系統知道如何修正時鐘，否則37μs的時間誤差將造成測距誤差30km。因此，“沒有相對論就沒有全球衞星定位系統”。（見《報刊文摘》（上海版）2020年7月22日"相對論有什麼用"等文章）

還有二位大學老師，在《大學物理》2017年2期上發表"相對論效應對GPS的影響"一文，贊同上述相對論效應能使衞星鐘變慢和變快的論點，並認為這是大學物理課程講述相對論的一個極好的例子。他們建議大學物理課增添這方面內容。

超音速學者則認為，變換因子√(1-v^2/c^2 )只是愛氏理論上的假想，不能把它當做科學定律，更不能當作航天工程的計算公式。有位王令雋教授還提出的一個重要概念［6］：他説GPS號稱適用於從地面至太空所有用户！但從公式看GPS相對論修正量只對地面固定（或慢速移動）的用户有效；對飛船、火箭、導彈、低軌衞星等相對於地面作高速飛行的用户，其修正值必然是另一組數據，且差別很大，需重新計算後對星鍾進行修正。這顯然有悖事實！目前世界上新武器用GPS來制導的很多（如各種導彈、炸彈、炮彈…）。難道這些彈每發射一次都要請求GPS當局重新對星鍾進行修正一次？將來如何作戰?所以他認為，要對GPS進行相對論修正很可能是個偽命題。或者説並無其事。所謂"沒有相對論就沒有GPS"就和當年"沒有相對論就沒有原子彈"一樣不靠譜。

三、美國人民稱LIGO之類耗資巨大而又不見效的工程為"燒錢工程"；燒錢還常常是滋生腐敗的温牀。我們不能仿效這種做法

照例説二派之爭是學術之爭，但大家擔心背後有利益之爭，權力之爭。這種擔心恐非空穴來風。例如上述中外幾位科學家寫信力阻諾獎授予LIGO的科學家一事，國內就有人猴急表示反對。據説原因很簡單，我國也要搞LIGO實驗。據説方案至少已有三個：，報價最低的也要200億元（注意：林金試驗全部經費只有它的萬分之一）。又如2015年12月，在我國酒泉發射中心發射××號衞星，主要任務是三年內尋找到空間暗物質粒子的存在。據説臨發射前還有三位院士趕到國家科委，建議暫停發射。理由是從學術上看是件懸乎事，從經費上看是個無底洞（僅發射衞星一項就需3個億）。建議沒被採納，發射照樣進行。五年過去，據説最大收穫是收集到大量有用數據，發表在國外雜誌"自然"（Nature）上。這種在燒錢上追趕美國的現象處處可見。

超光速學者可能因由於處於少數派地位，比較容易看到當前我國科學界存在的浪費、燒錢、行賄、貪污、腐敗現象。也深感自己受到壓制。譬如他們也想立項，申請經費，招研究生，甚至求職講課，發表文章都是難事（有人還在網上揚言，“在中國科學技術大學有一個反相對論者。其結果是被趕下了講台。….。如果北大理學院真有一個反相對論者，最後的結局也是捲鋪蓋）。前幾年有本雜誌叫"前沿科學”，登載過不少反映雙方意見的好文章。後來據説因"發不出獎金"而告停刊。記得2006年胡錦濤同志在揭發海軍鉅貪王守業（中將，副司令）大會上有句名言：“看來部隊也並非淨土！"。當今的科技界是不是淨土？

四、隨着航天技術快速發展，如何處理遇到的相對論問題？

隨着航天技術快速發展，飛行體的速度越來越快，遇到類似GPS相對論修正問題的情況越來越多。如何處理？宋建院士建議：航天發射及火箭運行還是都用牛頓力學的公式，而不要用相對論力學。不過作者認為，有關相對論的爭論不是短期內能解決的。要讓工程設計人員決定：是套用愛因斯坦的公式？還是仍利用牛頓力學的公式？是個艱難的選擇。我認為最好的辦法是儘量避免在具體工程計算中使用相對論的公式。這方面GPS或許是值得我們借鑑的典範。據説在一些國際學術會議上或論壇上當問及此類問題時，美方專家的答覆往往是：GPS官方文件從未説過系統調試中需作"相對論修正”；也從未説過不需要作"相對論效應"修正。而實際情況是：GPS的接收系統採用偽距差分運算處理方式。因此無論是相對論效應存在也好，沒有也好，都在對四顆星的偽距數據進行差分處理（即四個偽距數據兩兩抵消）過程中抵消掉了。這就幫助GPS擺脱瞭如何處理"相對論修正"的難題.（詳細的數學推導作者將在另一科普短文中介紹）

太空中高速飛行物到底有沒有相對論效應？不少人相信總有一天會水落石出。但大家也清楚，這還需經過艱苦的探索和大量的航天試驗來驗證。所以我和一些老同志認為，超光速派的工作是很有益的，不應受到歧視和不公正待遇。學術上有爭論本是好事。早在古希臘，哲學家柏拉圖就説過，真理可能在少數人一邊。現代社會為什麼就不能容忍學術上有點不同聲音呢！

主要參考文獻

林金：愛因斯坦光速不變假設的判決性實驗檢驗"。宇航學報2009年1期p.25

宋健： “航天、宇航和光障”；《第242次香山科學會議論文集》，2004年，第7~22頁

黃志洵：超光速物理問題研究，國防工業出版，2018

黃志洵：波科學和超光速物理

黃志洵：關於GPS系統"相對論修正"問題的討論。2022年4期"中國傳媒大學學報-自然科學版"

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

7、徐令予（科學網博客2017年4月）：剪不斷，理還亂！談談相對論與GPS的關係

8、黃志洵，姜榮．美國LIGO真的發現了引力波嗎？中國傳媒大學學報（自然科學版），2019, 26(3): 1~6

9、馬青平. 也談相對論與GPS的關係--兼討論此關係時常見的認識誤區[J]．博文，2020年6月

10、馬青平，相對論邏輯自洽性探疑[Ml.上海科學技術文獻出版社，2004.

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

12、張建勳. 銫鐘航行和GPS星鍾降頻實驗對廣義時間膨脹公式的檢驗[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、梅曉春. 廣義相對論關於大質量天體崩塌成奇異性黑洞的計算是錯誤的[J]. Inter. Jour. Astron. & Astrop., 2011, 1: 109~116

15、郭衍瑩：林金的"雙程光信號傳遞試驗及其對航天的意義"。中國航天2020年6期p.25

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

17、馬青平：試論林金試驗的意義。科學網博文。2020年

18、黃志洵：黑洞真的存在嗎。科學網博文。2020年