2022年度物理诺奖的意义及其对“光速极限论”冲击

郭衍莹

[摘要] 2022年度物理诺奖的颁发，实际上是否定了爱因斯坦当年对量子力学的否定。它预示量子信息科学时代的到来，并将对“光速极限论”进一步的冲击。受“光速极限论”影响较大的航天领域，也迫使对过去一些有争议的问题进行重新认识。

 1，2022年度物理诺奖的颁发彻底否定了爱因斯坦对量子力学的否定

今年10 月 4 日瑞典皇家科学院宣布，2022 年诺贝尔物理学奖授予三位量子信息领域的科学家：法国的阿兰·阿斯佩、美国的约翰·克劳瑟教授、和奥地利的塞林格（我国著名量子信息科学家潘建伟院士的导师），以表彰他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了「量子信息科学」这一领域。这一宣布至少说明三件事：一是光子纠缠态的确存在，并且具有超光速性；二是贝尔不等式在量子世界中的确不成立（作者注：贝尔不等式是检验有无纠缠态存在的权威性数学工具，只有贝尔不等式不成立的情况下才存在量子纠缠态）；三是“量子信息科学”将获得大发展。

众所周知，爱因斯坦于1905年提出狭义相对论；它的基础一是相对性，二是光速不变且不能超越。爱氏有句名言：“不可能存在超光速运动”（velocities greater than that of light have no possibility of existence）。这就是所谓的“光速极限轮”。爱因斯坦又于1916年提出广义相对论。它是研究物质间引力相互作用的理论。爱氏提出引力波，引力场等新概念。它是宇宙大爆炸和宇宙存在黑洞学说的理论基础。

1926年诞生的量子力学其实从一开始就在主要论点上和相对论针锋相对。量子力学中有二个重要概念，一是允许存在量子纠缠态，二是超距离，也就是超光速。这三位获诺奖的科学家都做了量子纠缠实验：两个粒子无论相距多远都相互联系在一起，也即二者间通讯时间为零，速度无穷大。这二个概念显然和相对论背道而驰。所以爱因斯坦在世时坚持认为：一，不存在量子纠缠和超光速；二，贝尔不等式成立；三，量子力学“不完善”。这就和今天诺奖委员会所公布的三点针锋相对。当今科学界有些人将相对论和量子力学并列为近代物理二大支柱，一起崇拜，在有些人看来实在有点“滑稽”。还有有趣的事，英国科学家贝尔，原先是爱因斯坦铁杆粉丝。他提出贝尔不等式本意是想帮助爱因斯坦；结果帮了倒忙。因为后来越来越多的试验陆续证明贝尔不等式在量子世界中不成立。贝尔晚年又成为相对论坚定的反对者。当然贝尔不等式大家还是公认具有历史意义的。

所以此次诺奖的颁发可说是彻底否定了爱因斯坦对量子力学的否定。

 2，2022年度物理诺奖的颁发预示将对“光速极限论”进一步冲击

我查阅了国内外一些媒体和一些专家学者对此次物理诺奖的反映，第一个印象是多数人认为此次诺奖的审查是严谨和慎重的。例如我国著名超光速物理学家黄志询老师（也是微波学专家)在他的“不算迟到的胜利”新作中提到，这三位科学家的工作，其实过去已经有很多科学家做过类似的试验和论证。尤其是贝尔不等式的证实，自1965年以来它就已经得到广泛验证，成为一种重要手段，用以通过离散测量来识别和验证有无纠缠的存在。三位科学家就是在半个多世纪以来众多科学家工作基础上做出的。很多人预言，2022年物理诺奖的颁发，将在世界范围内推动量子信息科学（量子通信，量子计算机，量子雷达等）的迅速发展。

不过也有专家提醒大家，当前国际学术界同样也猫腻多多。不排斥下一次或下下次物理诺奖授予拥护相对论的学者。譬如2017年度和2020年度二次诺奖，前者授予三位美国科学家，他们宣称利用LIGO（美国激光干涉引力波天文台）探测到距离地球13亿光年的二个黑洞合并时产生引力波。后者授予研究黑洞理论和试验的三位科学家。因此受到国内外对相对论持不同意见的学者反对（他们质疑引力波和黑洞是否真的存在？）。并曾联名写信给诺奖评审委员会提出反对意见。因而轰动了国内外学术界！不过这也非坏事，谁是谁非将来自有公论。同时也说明自然科学的发展道路常常是既艰辛又曲折。只有艰苦奋斗和坚持信念，才能到达胜利的彼岸。

我的第二个印象，是很多专家都提到，下一阶段可能对爱因斯坦的相对论，尤其是对“光速极限论”（光速固定且不能超越）进一步冲击。“光速极限论”在过去还只是高深莫测的理论，随着航天技术迅速发展，已经常成为航天工程设计中无法回避的实际问题，尤其是时间（频率）问题。因为爱因斯坦从“光速极限论”推断：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；这些奇迹还可用数学式来描绘它的:        sqrt［1－（v/c）²］ 超光速后v＞c，这个变换式变成虚数i；物体（或粒子，量子等）变成虚数后又是什么样？爱因斯坦老人家还没有想好就驾鹤西去了。但他留下的难题还需要我们来解决。

不过也有同志指出，要否定相对论谈何容易，其难度不见得比“否定爱因斯坦对量子力学的否定”更容易些。因为“科学实验是检验真理性的唯一标准”。航天领域中要进行一次大型科学实验是有很大难度的，所以我要特别珍惜过去做过的大型试验。下面我们结合二个实例（均已在媒体上公开发表过），稍为深入地展开讨论。

 3，重新认识“光速极限论”对航天领域的一些影响

① 重新认识“林金试验”

关于“林金试验”，我已在“中国航天”杂志2020年6期p.25上发表“林金的双程光信号传递试验及其对航天的意义”一文中作了介绍。大意是中国航天部门一位超光速物理学家，国际宇航科学院院士林金生前做过一项大型航天试验，值得记载在中国航天史上。2008年林金带领团队进行一项实验，正式名称为“爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验”。可见林金原意是向爱因斯坦光速不变的假设发起冲击。实验利用国家授时中心的“双向卫星时间传递设备”（TWSTT。其不确定度为±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），相差约0.8-1.5纳秒。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。

这是否说明往程和返程的光速不同呢？遗憾的是至今仍众说纷纭。从林金论文来看，他本人比较谨慎，并没有下结论；只说测试结果和洛伦茨公式相符。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；少数超光速物理学者认为，系光速不等引起的。例如马青平教授（文献[17]最紧)就认为，爱因斯坦认为光速是极限，不能与其它速度叠加。现在如果没有这个限制，那么林金试验中电磁波“往程”的速度应为299792458-1（前一数字为光速，后一数字为鑫诺卫星漂移速度）；而“返程”速度为299792458+1；再经仔细运算，可得往返程时间差1.6ns;和林金试验数据处理结果的1.5ns非常接近。我认为马教授的这一见解值得我们重视。

本文初稿曾送请高校几位老师审阅。有几位老师不约而同地发表意见，认为林金试验完全达到国际物理诺奖的水平。可惜天妒英才，林金同志已于2016年2月因病逝世。所以我们对他生前的工作，论文，（尤其是林金试验），应认真学习，倍加珍惜。在这里我代表他的生前好友，战友衷心祝愿他安息！

 ②，重新认识“对GPS卫星种是否存在“相对论效应”的争论”

前一阵在国内互联网上曾热烈争论GPS星载原子钟是否作过相对论修正？主流派认为：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，物体速度接近光速或不可忽略时它的时钟会变慢，变慢的公式为

dt   =dt^’/sqrt［1－（v/c）²］ ≈dt^’/［1－（v/c）²/2］ 

即误差约为（v/c）²/2；式中v为卫星相对地面用户的速度。经计算一天约慢7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45-7=38μs。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38μs的时间误差将造成距离误差10km。因此，他们说“没有相对论就没有GPS”。

而超光速派则认为，爱因斯坦的 变换因子sqrt［1－（v/c）²］只是爱氏的假想，不能把它当做科学定律，更不能当作航天工程的计算公式。

最近文献[5]上提出一个重要见解，大意是：GPS号称适用于从地面到太空所有用户。但从公式看，修正量只对地面用户有效。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，需重新计算后重新对星钟进行修正。这当然有悖事实！目前世界上新武器用GPS来制导的很多（如导弹、炸弹、炮弹，洲际导弹…）。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？所以有些专家认为，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。

我国航天专家，前中国工程院院长宋健曾在2004年香山科学会议上曾发言：“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；当然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”［16］。所以他建议：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。科技人员利用狭义相对论公式计算航天器飞行速度要十分谨慎！

本文作者曾在《中国航天》今年4期上发表一文“《星载/弹载原子钟的发展概况和瞻望》^[18]。其中第四节“GPS星种相对论效应修正问题”专门谈这一问题。我的观点是：相对论效应无论存在与否，此项误差都会在接收系统的信号处理系统中，被“四星测伪距差分处理”电路所抵消。数学证明，这种“相对论效应误差”和GPS地面钟误差一样，对四颗星是完全相同的。所以可以在差分处理时被消除。上述结论同样适用于北斗， 格洛纳斯等其它卫星导航系统，只要这些系统采取措施消除了地面钟误差，那么相对论误差就一起被消除了。该文发表后收到几位读者来信质疑，认为我有和稀泥之嫌，没有一个明确结论。不过我现在非常赞同上面[5]见解。如果对大家对这个论点提不出异议，是否可说GPS系统大概率地并没有对所谓“相对论效应“进行校正。

4，小结--前景展望

最后说说我个人感想。量子信息科学包括量子通信，量子计算机，量子雷达等，肯定是国家科技重要发展方向，犹疑不决只能丧失时机。至于在航天领域，科技人员最最关心的，还不是光速是不是绝对不变的常数，而是“相对论效应”（尤其时频效应）是否存在？影响有多大？至于广阔无边的宇宙中，除了少数领域（如粒子世界，量子世界）确已证实存在超光速现象外，其它还有没有超光速运动？我们至今仍一无所知（只是理论上有证明）。所以我们真正认识超光速，甚至利用超光速，如某专家设想的人们驾驶超光速飞船飞出太阳系，用望远镜观察有无黑洞存在，有无宇宙大爆炸留下痕迹？那绝对是子孙后代之事。从这个意义上讲，相对论在相当长时间段内是不会退出历史舞台的！

附图

图1 我国超光速物理的三位领军人物（网友戏称超光速三剑客），从左至右：沈乃澂（也是激光物理家），林金（自控专家），黄志洵（微波专家）。惜乎前二位都已成古人了

图2  2004年11月在北京香山召开“宇航科学前沿和光障问题”学术讨论会。会议发起人宋建院士和主题发言人黄志洵合影

参考文献

1、  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

2、  黄志洵：超光速物理问题研究，国防工业出版，2018

3、      黄志洵：波科学和超光速物理

4、      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”

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

6、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

7、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

8、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

9、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.

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

11、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

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

13、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

14、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

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

16、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

17，马青平：试论林金实验的意义，科学网论文

18，郭衍瑩：星载/弹载原子钟的发展概况和瞻望。《中国航天》2022年4期

[附]再次呼吁编辑出版《林金论文集》

林金生前著作颇丰。除在宇航学报发表的那篇论文外，还陆续撰写了多篇尚未发表的论文，还有在一些高校的讲课，一些学术会议上的发言；以及他在美国申请的专利等。在2017年林金去世一周年后的一次学术会议上，很多专家学者和他生前好友建议：出版一本林金文集，以纪念这位为航天事业勤勤恳恳奋斗一生，晚年还敢于向相对论挑战的科学家。并推举我和计量院的沈乃澂研究员负责编辑和筹集资金等准备工作。因为航天部规定：只有二院院士可由原单位负责出版出版他的传记，论文和诗书词画。但林金是国际宇航研究院的院士，不在此列。但不幸的是，不久老沈也因患病医治无效而去世。去世前他还写了一篇遗作《林金研究工作简介》，对林金同志特别是他晚年所作的贡献作了详细和全面地介绍。。而我也已耄耋之年，年迈多病，而且我基本上不懂近代物理和相对论，无力完成筹备工作，因此筹备工作只好暂告一段落。近有老同志提醒，如再继续不解决，林金的事迹就将为岁月所淹没。为此我呼吁，首先是林金的原单位领导能关心此事。其次希望有志于这一事业的年轻同志参加这一编辑工作，这也是林金同志的遗愿：后继有人。最后我祝愿林金和沈乃澂二位同志安息！