为何要检验相对性原理？ 现代物理有两个重要的基础，一个是量子力学，另外一个是相对论。前者已经有广泛的应用，为近代物理带来深远的发展。其基础十分牢固，似乎不大需要更多的验证。至於相对论，虽然也有很多支持它的实验证据，但对于它的基本假设，还有一些争议，因此需要更多的验证。例如，真空是否是一个空无一物的空间？“以太”是否存在？这一直存在着很多争论。（见我前两篇博文《目前的宇宙学与相对论之间有没有分歧？宇宙中是否有一个静止参考系？》《了解宇宙起源的关键：真空是什么？》）。就连爱因斯坦本人也不能给出一个断然的答案。当他在 1905 年提出狭义相对论的时候，他基本认为真空是空的。但到他后来提出广义相对论的时候，他已经改变了这种看法。另外一位物理学大师 Dirac （狄拉克），他首先提出了 relativistic electron theory ，可以说是近代量子场论的创始人。他在 1951 年在《自然》杂志上发表了一封信 ，清楚地表明他相信“以太”在宇宙中的存在（见附件）。那么，这会不会与狭义相对论的第一假设产生矛盾？如果空间并非空的，它自然就可以形成一个静止的参考系。这会不会违背了狭义相对论的相对性原理（ principle of relativity ）？ 随着现代宇宙学的发展，这个问题显得更为迫切。因为在现有的宇宙学理论里，宇宙空间显然不是空的（见我的前一篇博文《目前的宇宙学与相对论之间有没有分歧？宇宙中是否有一个静止参考系？》）。那么我们就有几个相关的问题必须回答： (1) 宇宙里的“真空”是不是空的？有没有一些空间介质的存在？ (2) 假如“真空”不是空的，它会不会形成一个恒定的静止参考系？ (3) 假如有这样一个参考系的存在，相对性原理还能成立吗？ 如何设计一个实验来直接检验相对性原理呢？ 要解决上面这些问题，光靠理论上的辩论是不够的。事实上，在过去一百年，以上问题有着无数的争论。要解决这些问题必须靠实验来验证。有人可能说，一百年以前的迈克耳孙－莫雷实验（ Michelson-Morley experiment ）是否已经证明了相对性原理？答案是否定的。我们只能说，迈克耳孙－莫雷实验的结果是与相对性原理一致的。但却并非该原理的证明。首先，迈克耳孙－莫雷实验只检验了光的传递，并没有检验其它的物理作用。所以它最多也只能说光的传导符合相对性原理。其次，光子是一种辐射波，而不是一种组成物质的粒子。光的传播并不代表物质的运动。光子有些特殊性：它的静止质量为零，而它的传播速度是恒定的光速。要检验相对性原理，我们必须使用一种质量非零的粒子，它的传播速度应该是可变的。 这个实验要怎么做呢？最近在 European Physical Journal Plus （欧洲物理学杂志）上我发表了一篇文章，提出了一个通过精确测量粒子质量的实验来检验宇宙中是否有一个静止参考系（ resting frame ） 。这个实验的结果将会清楚地说明爱因斯坦提出的相对性原理是否成立。这篇文章发表以后得到很多关注（注 1 ）。 具体的实验设计 这个实验的基本构想，就是通过 精确测量两个反向运动的粒子的动态质量 (moving mass) ，来决定一个惯性系（ inertial frame ）内的物理规律是否独立于该惯性系在宇宙中的运动。从过去的实验里，我们知道粒子的动态质量 M 与静止质量 m 0 是不一样的。这两者的关系是与粒子的运动速度相关，即 (1) 那么，这个式子里面的速度 v 是相对于任意一个惯性系，还是相对于宇宙中一个恒定的静止参考系 ？这就是我们设计的实验要回答的问题。 图 1 是我们的基本实验设计。首先，我们用一个加速器来加速一种粒子（例如电子）。我们可以使用一个磁场（ switching magnet ）把电子引导到向左或者向右运动。这两种电子的速度显然应该是相等的。然后，我们在左端和右端放置两个相同的质谱仪来分别量度向左或向右运动的电子的动态质量 ( 分别称为 M L 和 M R ) 。根据相对性原理，地球表面上的实验室可以被当作是一个静止的惯性系 ( stationary inertial frame ) 。那么，既然向左或向右运动的电子的速度是一样的，它们的动态质量 M L 和 M R 就应该完全一样。也就是说 ∆M = M R - M L = 0. 图 1 ：实验设计概念图 。 使用加速器加速后的电子分向左右两个方向运动。再用左侧和右侧的两个精密的质谱仪来测量其质量。图中的 左 - 右轴线将对应于东 - 西方向。 但是，如果相对性原理并不正确，宇宙中有一个恒定的静止参考系，式 (1) 中的速度 v 只能是相对于这个静止参考系的速度。那么，上面提到的向左和向右运动的电子的速度对于这个静止参考系来说就不是相等的。例如，如果实验室在宇宙中的运动是向右的话，那么向右运动的电子就会比较快；向左运动的电子就会比较慢。那么，它们测量出来的动态质量当然就不一样。这时候 ， ∆M = M R - M L 0. 由于地球有一个自转，在每天不同的时间，实验室在宇宙中的方向是不一样的。（见图 2 ）。那么，在上述实验中的两个电子的运动方向也会不断在变。因此，如果 宇宙中有一个恒定的静止参考系的话，这两个电子在这个静止参考系内的合成速度也会不断在变。于是，如果我们 在一天之中的不同时间重复进行 这个实验，它测出来的 ∆M 也会随着不同的时间而改变。（详细的情形请看参考文献 2 。） 图 2 ：实验结果应随地球的自转而改变。 (a) 地球绕太阳运动的俯视图。地球的整体速度（ v Earth ） 是地球对于太阳的速度（ v Earth-Sun ）和太阳对于整个宇宙的速度（ v Sun ）的合成速度。这个速度会随着季节而改变。 (b) 我们实验中应用的左 (L) 和右 (R) 的质谱仪对应于西和东的方向。由于地球的自转，实验室的左 - 右轴的方向相对于 v Earth 会不断改变。因此，在一天中的不同时间里，向左或向右的电子运动在宇宙中的速度也会随之改变。这样子，我们测量出的 ∆M 就会出现一个 24 小时的改变周期。 综合而言，如果相对性原理是正确的，那么任何一个惯性系都是对等的（ equivalent ），我们可以把地球上的实验室作为一个静止的参考系。因此，左右两个粒子的运动是对称的。那么实验测出这两个粒子的质量应该是完全一样的。然而，如果宇宙中存在一个恒定的静止参考系，那么实验就应该测出这两个粒子的质量之间会有差异，而且，这个质量差异还会随着地球的转动而改变。 在现有的技术条件下，这个实验是否可行？ 综上所述，这个实验从原理上来说是可以做的。不过，我们还得考虑这个实验在现实上是否可行。这种预期的质量差异大概有多大？使用目前的技术能够测得出来吗？这篇文章也考虑了这些问题。根据不同的天文观测，包括太阳系在银河中的移动，以及地球相对宇宙微波背景辐射（ CMB ）的运动，我们可以估计地球在宇宙中的相对运动速度。根据这个估计，假如宇宙本身可以作为一个静止的参考系的话 ， ∆M/ m 0 应该约为 2 x 10 -4 。以现有的技术，一个精密设计的质谱仪大概可以达到 10 -6 的灵敏度。因此，这个实验在现实上应该是完全可行的。 这篇介绍实验设计的文章在三个月前发表，到目前已经受到相当多的关注（注 1 ）。我希望这个实验能够在中国的实验室完成。有兴趣的朋友请和我联系。 注 1 ：这篇文章发表后，已得到多个科技新闻媒体的报道，包括： 欧洲物理杂志的出版社（ Springer Nature ）： http://www.epj.org/epjplus-news/1218-epjplus-highlight-does-the-universe-have-a-rest-frame 欧洲物理新闻（ Europhysics News ）： http://epn.eps.org/EPN%2048-3#p=9 。 Sci-News.com: http://www.sci-news.com/physics/resting-frame-universe-04724.html ScienceDaily: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/03/170321122545.htm Phys.org: https://phys.org/news/2017-03-universe-rest.html 参考文献： P. A. M. Dirac, Is there an ther? Nature , 168 , 906– 907 , 1951. doi:10.1038/168906a0 D.C. Chang, Is there a resting frame in the universe? A proposed experimental test based on a precise measurement of particle mass. Eur. Phys. J. Plus, 132 , 140, 2017. Dirac's letter on aether_1951.pdf
对于宇宙的起源，这是所有人类文明都很关心的问题。在过去一个世纪，宇宙学有了飞跃的发展。这主要得力于天文观察技术的大幅进步，提供了大量的数据。另一方面，科学家们又建立了一些可以量化的理论模型。现在的宇宙学主要应用的，一个是粒子物理的标准模型（ Standard Model of particle physics ），另一个就是广义相对论。 1.目前的宇宙学与相对论对于真空有不同的假设 不过，现在的宇宙学与相对论之间在概念上并非完全一致。例如在 Alan Guth ( 阿兰 · 古斯 ) 的暴胀理论里，宇宙膨胀的动力来源主要是用广义相对论来解释 。但他这个理论的假设与相对论对于 “ 真空 ” 的看法又有着一些分歧。在目前的宇宙学里面，它的基本假设是宇宙中的能量和物质来自“真空”中的量子扰动（ quantum fluctuation ）。 “ 真空 ” 只是一个“场”的基态。它并非空无一物的，而是具有很特殊的物理性质。（详细的介绍请看我的上一篇博文《了解宇宙起源的关键：真空是什么？》 Link ： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=226454do=blogid=1067514 ）。这种 “ 真空非空 ” 的概念会与相对论产生矛盾。相对论的第一假设（ 1 st postulate ）就是 “ 相对性原理 principle of relativity” 。就相对论而言， “ 真空 ” 应该是空的。否则它就会形成一个宇宙中的静止参照体系（ resting frame ），我们在理论上就可以量到所有惯性系相对于这个静止参考系的运动。这样一来，相对论的第一假设（即所有的惯性系都是相等的）就会被打破。 有人可能说，目前宇宙学用的是广义相对论，而非狭义相对论。但是，广义相对论和狭义相对论的基本假设应该是一致的，因为前者必须建立在后者的理论基础上。所以，广义相对论也不可能违背狭义相对论的第一假设。 对于“真空”是否是空的这个问题，爱因斯坦并没有很清楚地表态。他关于 “ 以太 ” 的看法是曾有些反复的。在 1905 年当他首先 提出狭义相对论的时候，爱因斯坦是明显地认为 “ 以太 ” 并不存在。可是到他提出广义相对论时，他对于 “ 真空 ” 的看法已经有所改变。 1920 年爱因斯坦在 Leiden 大学给过一篇 “ 以太与相对论 ” 的演讲。在其中，他就公开表明不能否定 “ 以太 ” 的存在。而且，他认为把 “ 真空 ” 当做一个空无一物的空间是不符合力学的基本事实 。他认为在广义相对论里面，空间是有某种物理性质的。因此可以把它当作一种新的 “ 以太 ” 。 。不过，他认为这种新的 “ 以太 ” 与旧的 “ 以太 ” 观念有别，它并非一种有质量的运动介质，因此它不会形成一个静止的参考系。所以，这种新的 “ 以太 ” 不会否定他的狭义相对论的第一假设。 2.目前的证据能否说明宇宙是否有一个静止的参考系？ 从以上的讨论可见，现在争论的焦点已经不限于 “ 真空”是否是空的，而是我们能不能从实验上证明宇宙有或者没有一个静止的参考系？ 爱因斯坦提出狭义相对论是基于迈克耳孙－莫雷实验 （ Michelson-Morley experiment ）。让我们重新来看看 这个实验是否证明了宇宙中没有静止参考系。该实验原来的设计，只是要检验：假如光是由一种叫 “ 以太 ” （ aether ）的介质传播的话，我们能不能观察到 “ 以太 ” 这种物质与地球的相对运动。实验的结果是否定的（ null ）；也就是说，实验无法观察到 “ 以太 ” 与地球的相对运动；光的传导在任何一个惯性系里都是一样的。这个结果完全符合了爱因斯坦提出的相对性原理。但是迈克耳孙－莫雷实验只观察了光（或者电磁波）的传播，而不是对于所有物理运动的观察。因此，这个实验只能说明光的传递符合了相对性原理，而并不能说明除了光的传递以外，其它的物理相互作用（例如重力，核力等等）也都符合相对性原理。所以，迈克耳孙－莫雷实验并没有直接地证明宇宙中没有一个静止的惯性系。这个实验当然也无法检验 “ 真空 ” 是否真的是空的。 当然， “ 以太 ” 理论在 20 世纪初被抛弃不仅仅是因为迈克耳孙－莫雷实验的结果。它还有一些别的原因，包括 “ 以太 ” 理论难以解释星体何以能够毫无阻力地穿透这种介质。而且，这种假设的 “ 以太 ” 介质有些相互矛盾的物理特性。在 19 世纪的时候， “ 以太 ” 是假设存在于所有物质以外的空间。要满足这个条件， “ 以太 ” 就必须是一种具备高度流动性的物质（气体或者液体）。但是， “ 以太 ” 又被假设为光的传递介质，但光是一种高频率的横波，只有固态的介质才能传递这样的波。这样 “ 以太 ” 就必须是固态的。这与前面的要求相反。 那么，现代的物理学提出了 “ 真空 ” 非空的假设，它是否也会碰到 19 世纪 “ 以太 ” 面对的难题呢？答案是否定的。现在的 “ 真空 ” 概念与 “ 以太 ” 有些根本的不同。首先， “ 真空 ” 是充塞着整个宇宙而非只是存在于物质以外的空间。其次，构成物质的原子是由基本粒子组成的。而粒子只是 “ 真空 ” 的激发波。因此，物质在 “ 真空 ” 中运动不会感受到阻力。 严格来说，迈克耳孙－莫雷的实验结果并没有否定真空介质的存在。爱因斯坦 1905 年提出的相对论文章大量使用了麦克斯韦的电磁学理论 。我在上一篇博文中已经指出，麦克斯韦理论假设了 “ 真空 ” 是一种电介质（ dielectric medium ）。因此爱因斯坦可以说已经间接地接受了这种假设。事实上，迈克耳孙－莫雷的实验结果也没有直接违背 “ 真空 ” 是一种电介质的假设。因为根据麦克斯韦方程导出的光的运动方程为 . 这个方程是符合洛仑兹协变的（ Lorentz covariant ）。这就是说，如果把方程中使用的时间和空间从一个坐标系 (x, y, z, t) 用洛仑兹转换（ Lorentz transformation ）转换到另外一个坐标系 (x’, y’, z’, t’) ，光的传导方程看上去是不变的。因此，迈克耳孙－莫雷实验只是证明了光的传导是洛仑兹协变的，而并没有说明 “ 真空 ” 是不是空的。 3.宇宙微波背景辐射（CMB）可否作为一个静止参考系？ 在今天，我们对于宇宙的观测要远比爱因斯坦时候深入得多。在最近几十年，许多关于宇宙起源的观测都是从分析宇宙微波背景辐射（ Cosmic Microwave Background ，简称 CMB ）而来。在二十世纪 60 年代，美国贝尔实验室的彭齐亚斯（ Arno Penzias ）和威尔逊（ Robert Wilson ）在偶然间发现了宇宙微波背景辐射。许多物理学家认为 CMB 是宇宙大爆炸后遗留下来的辐射波，它可以为我们研究早期的宇宙提供许多宝贵的信息。因此，科学家用各种各样的实验手段来观察 CMB 。除了一些地面的观察以外，还进行了三个卫星观测计划，即 COBE （ Cosmic Background Explorer, 宇宙背景探测卫星， 1989-1993 ）， WMAP （ Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ，威尔金森微波各向异性探测器， 2001-2010 ）和 Planck （普朗克卫星， 2009-2013 ），搜集了大量的数据。根据科学家的分析，这种宇宙微波背景辐射有着非常均匀的空间分布，它与我们观察得到的宇宙物质分布也大致吻合。这就提供了一个可能性：这种宇宙微波背景辐射可不可以作为我们宇宙的一个静止参考系？ 根据现在的卫星观测，我们可以准确地量度到地球与 CMB 的相对运动，甚至可以计算出地球相对于 CMB 运动的速度约为 3.7x10 5 m/s 。主持 COBE 项目的物理学家乔治 · 斯穆特（ George Smoot ）就因为这项研究 CMB 的工作而获得 2006 年的诺贝尔奖。在他获颁诺贝尔奖的演讲中，他就提到过 CMB 作为一个静止参考系的可能性 。他认为 CMB 是一个很方便理解宇宙膨胀的惯性系。可以把 CMB 的观测当为一种新的 “ 以太 ” 漂移实验。因此，如果有人要把 CMB 的分布当作一个静止参考系，也是可以理解的。不过他自己并不认为 CMB 的存在会直接违背狭义相对论。 4.我们需要设计一个新的实验来解决宇宙学与相对论之间的分歧 根据上面的讨论可知，目前的宇宙学理论与相对论的基本假设有着一些重要的分歧。我们需要设计一个新的实验来检验究竟我们这个宇宙有没有一个静止的参考系。在目的上，这个实验和一百多年前的迈克耳孙－莫雷实验很相似。但是，其使用的手段会大大不同。事实上，迈克耳孙－莫雷实验有一个局限：它使用光来检测不同惯性系的物理运动。不过，光是一种特殊的粒子：它没有静止质量，它的速度永远是 c 。如果我们要检测 “ 真空 ” 是否有一个静止参考系的话，我们应该用有静止质量、其运动速度不必等于 c 的普通粒子来做实验。 那么，这个实验要怎么做呢？最近我在 European Physical Journal ( 欧洲物理杂志 ) 上发表了一篇文章，为这个实验提出了一个设计 。这篇文章得到欧洲物理学界蛮多的重视。今年 3 月，欧洲物理杂志的出版社（ Springer Nature ）把这篇文章作为重点推介（ highlight ）（ Link ： http://www.epj.org/epjplus-news/1218-epjplus-highlight-does-the-universe-have-a-rest-frame ）。在今年 6 月，欧洲物理新闻（ Europhysics News ）又再次把这篇文章选为重点介绍（ Link ： http://epn.eps.org/EPN%2048-3#p=9 ）。如果读者对这篇文章有兴趣，可以点击下面的链接： https://link.springer.com/article/10.1140/epjp/i2017-11402-4 。 我十分希望这个实验能够由中国人自己来做。有兴趣的朋友请跟我联络。 ------------------------------------------------------------------------------ 注 1 ：爱因斯坦 1920 年在 Leiden 大学演讲的摘要： “ To deny the ether is ultimately to assume that empty space has no physical qualities whatever. The fundamental facts of mechanics do not harmonize with this view. … besides observable objects, another thing, which is not perceptible, must be looked upon as real, to enable acceleration or rotation to be looked upon as something real.…the conception of the ether has again acquired an intelligible contental though this content differs widely from that of the ether of the mechanical undulatory theory of light. The ether of the general theory of relativity is a medium which is itself devoid of all mechanical and kinematical qualities, but helps to determine mechanical (and electromagnetic) events.…Recapitulating, we may say that according to the general theory of relativity space is endowed with physical qualities; in this sense, therefore, there exists an ether.According to the general theory of relativity space without ether is unthinkable; for in such space there not only would be no propagation of light,but also no possibility of existence for standards of space and time(measuring-rods and clocks), nor therefore any space-time intervals in the physical sense. But this ether may not be thought of as endowed with the quality characteristic of ponderable media, as consisting of parts which may betracked through time. The idea of motion may not be applied to it .” 注 2 ： 乔治 · 斯穆特 2006 年获颁诺贝尔物理学奖时演讲的摘要： “ One problem to overcome was the strong prejudice of good scientists who learned the lesson of the Michelson and Morley experiment and special relativity that there were no preferred frames of reference. There was an education job to convince them that this did not violate special relativity but did find a frame in which the expansion of the universe looked particularly simple. More modern efforts to find violations of special relativity look to this reference frame as the natural frame that would be special so that perhaps the suspicions were not fully unfounded. We had to change the name to “the new aether drift experiment”and present careful arguments as the title “aether drift experiment” was too reminiscent of the Michelson and morley ether drift experiment.” 参考文献： A. H. Guth and D. I. Kaiser, Inflationary cosmology: Exploring the universe from the smallest to the largest scales. Science, vol. 307, (5711), pp.884-890, 2005. A. Einstein, Ether and the theory of relativity (speech at Univ. of Leiden, May 5, 1920). From: The Collected Papers of Albert Einstein, the Swiss Years:Writings, 1918-1921, Vol. 7, Translated by Alfred Engel , Ed. M. Janssen et al , Princeton Univ. Press, 2002. A. A. Michelson and E. W. Morley, On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. American J. of Science, vol. 34, pp. 333-345, 1887. D. C. Chang, Why energy and mass can be converted between each other? A new perspective based on a matter wave model. J. Mod. Phys., vol. 7, (04), pp. 395-403, 2016. A. Einstein, Zur elektrodynamik bewegter krper. Ann. Physik, vol. 322, (10), pp. 891-921, 1905. A. Kogut and et al., Dipole anisotropy in the COBE differential microwave radiometers first-year sky maps. Astrophys. J., vol. 419, (1), 1993. G. Hinshaw and et al., Five-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe observations: Data processing, sky maps, and basic results. Astrophys. J. Supp. Series, vol. 180, (2), pp.225-245, 2009. G. F. Smoot, Nobel Lecture: Cosmic microwave background radiation anisotropies: Their discovery and utilization. Rev. Mod. Phys., vol. 79, (4), pp.1349-1379, 2007. D. C. Chang, Is there a resting frame in the universe? A proposed experimental test based on a precise measurement of particle mass. Eur. Phys. J. Plus, vol.132, (3), 140, 2017.
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