林金航天试验是否冲击“光速不变假设”
郭衍莹
中国航天科技一院12所研究员，中国航天工程咨询中心首席科学家，国际宇航研究院院士，全国政协委员林金生前曾于2008年带领团队进行一项重要实验，名称为“爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验”。实验结束后，航天部门曾举行技术鉴定会。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，美俄两个航天大国都没有做过类似试验。2009年，林金就以上述实验名称为题，写出论文公开发表于当年《宇航学报》2009年第1期上。2011年11月17日，在科技日报社举办的“超光速学术座谈会”上，林金报告了他的成果。但由于林金处世低调，此项试验未能引起国内外航天界足够注意。直至林金于2016年2月9日因病去世，他的好友以及航天部内外老同志们共同建议，自行集资为他出版一本《林金论文选》。经过很多专家认真研究和反复讨论他的遗作，一致认为上述论文是篇重要论文。并推测他的初衷是向爱因斯坦的相对论的基础——“光速不变假设”发起冲击，证明爱氏这个假定是不成立的。虽然大多数专家（包括鉴定会结论以及林金自己的论文）都认为目的没有完全达到，但一致认为他的实验对航天仍有重大意义。
实验原理
林金的航天试验，实际上是“双程光信号传递试验”（见图示）。它是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”。因为鑫诺卫星不是绝对静止的，它相对于地面有随机漂移（约1米/秒），不难看出，林金就是想利用卫星有漂移来实现西安站和乌鲁木齐站之间的路程有相对运动。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。
双程光信号传递的“往”程是从西安→鑫诺卫星→乌鲁木齐，而“返”程是从乌鲁木齐→鑫诺卫星→西安。“往”或“返”程，都是72000公里，理论上各需时0.24秒。而且往返时间应相等。但试验结果是：“往”程和“返”程有时间差0.8-1.5纳秒。
试验对爱因斯坦光速不变假设是否有突破？
林金实验的结果是，光信号传递的“往程时间”，与“返程时间”不等，相差1.5纳秒。但这是否就如个别专家著文所说往返时间不等就证明了往返光速不等？林金并没有草率下结论。看来他是经反复认真研究，因为卫星有1米/秒的漂移；他发现从洛伦茨变换更能说明问题，所以他在论文中没有再提“光速不变假设”是否正确，结论只是：爱因斯坦1905年以定义方式引进的等式，（即爱因斯坦的同时性定义），在有相对运动情况下不成立。
另外经我们研究，用普通物理中牛顿经典力学的观点也能证明这1.5纳秒延迟的原因。详见作者写的专题报告（见《中国航天》2020年6期P25）。
尽管林金没能冲击相对论关于光速是恒定不变的假定，但大多数专家仍认为，此项工作对航天事业是很有意义的，尤其是在对时间频率的计量和比对方面意义重大。所以实验结束后正式鉴定是：该项目理论研究成果的技术水平处世界领先地位，而没提是否对相对论有突破。
相对论和“光速极限论”并非无懈可击
1905年，爱因斯坦发表狭义相对论时，将“光速不变假设”作为相对论两大基石之一（另一为相对性原理），就是假设光速恒定不变且不可逾越。爱因斯坦当时就声明，这是一个假设，并无任何实验加以验证。因此100多年来，不少科学家对此持质疑态度。尤其是近代航空航天科技的发展，使这种质疑可以通过试验来验证。例如1972年美国人Hafele做了个大型试验。他在两架飞机上装载指标相同的铯钟，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，两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。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。但也说明相对论在不少科学家眼中，并非神圣不可侵犯和无懈可击的。当然大家也都认识到，无论是想肯定或者否定爱因斯坦的相对论，都需经过艰苦的探索和大量的航天试验来验证。
林金生前还和国内一些专家教授共同探讨和著书立说，如何使相对论走下神坛，为航天事业服务。林金一生献给我国的航天事业，他参加工作不久就为型号任务提出“外干扰完全补偿理论”，成功应用于我国第一代运载火箭制导系统。他晚年致力于研究如何将相对论应用于航天事业。因为随著航天技术的飞速发展，越来越多的航天工程遇到“相对论问题”（例如最近媒体上热议的“GPS的星钟是否进行相对论修正？”）。林金生前著作颇丰，不过大都是他在大学、学术会议上的演讲稿、草稿和笔记。这些都是航天事业的宝贵财富，不过正式发表的论文和已经成果鉴定的，就是这个大型航天试验。希望林金的事业能后继有人，也希望林金文集的编辑工作后继有人。
黄志洵：试论林金院士有关光速的科学工作（节选）
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林金，1935年4月生，1952年上海南洋模范中学毕业后考取北京留苏预备部。1953年至1957年在苏联乌拉尔工学院机械系学习，1957年转入苏联国立乌拉尔大学物理数学系，1958年毕业。回国后分配到国防部第五研究院二分院第一专业设计部从事航天事业。曾建立“外干扰完全补偿理论”，成功应用于我国第一代运载火箭制导系统设计，获第一次全国科学大会奖。1969年至1972年在广州军区军垦农场劳动期间，理论思想获得突破，发现航天导航测量原理(惯性导航和无线电导航)和传统的时间和空间理论(狭义相对论和广义相对论)之间的内在深刻联系，开始作跨学科的时间和空间理论研究。1980年至1983年在美国Houston大学物理系继续时间和空间理论的研究，对“超光速运动”、“双生子佯谬”等问题提出了挑战传统理论的新观点和理论。1990年以来结合航天导航定位测量中的前沿问题进行再思考研究，发现美国全球定位系统(GPS)和苏联全球导航卫星系统(GLONASS)中星载和地面原子钟之间时间同步方法上存在理论缺陷，相对论修正有漏项。2003年1月获“一种相对匀速直线运动的原子钟时间远距离对准方法”中国发明专利。2006年4月18日在美国获得“METHOD AND APPARATUS FOR SYNCHRONIZATION OF CLOCKS”专利(专利号：US 7,031,417 B2)，详细阐述了用卫星对钟的理论和方法。专利可用于提高世界时间计量精度，改进全球卫星授时和定位系统，从而避免了Einstein狭义相对论用单程光速对钟中所用的往返光速相等的假设。后研究涉及光速不变原理假设等关于时间和空间理论的基本问题，于2009年完成了对Einstein的光速不变假设的判决性实验检验。
对林金团队实验的理论评价
为了评价林金团队的工作，我们现在对作为基础物理理论之一的狭义相对论（SR）作一些讨论和思考。如所周知，SR的基础是两个公设和一个变换。第一公设说“物理定律在一切惯性系中都相同”，即在一切惯性系中不但力学定律同样成立，电磁定律、光学定律、原子定律等也同样成立。第二公设说“光在真空中总有确定的速度，与观察者或光源的运动无关，也与光的进行方向和颜色无关”；这被Einstein称为L原理。为了消除以上两个公设在表面上的显著矛盾(运动的相对性和光传播的绝对性)，SR认定“L原理对所有惯性系都成立”；或者说，不同惯性系之间的坐标变换必须是Lorentz变换(LT)。现在，Einstein认为LT不仅赋予Maxwell方程以不变性，而且是理解时间与空间的关键，即用LT把时、空联系起来。SR还有4个推论(运动的尺变短、运动的钟变慢、光子静质量为零、物质不可能以超光速运动)和3个关系式(速度合成公式、质量速度公式、质能关系式)，这些就是SR的主要内容。
公设的正确性是靠其预言或假设与实际的符合程度来检验的，它不能直接与实验相矛盾；我们将据此来讨论SR的两个公设。先看Einstein怎样论证第一公设与实际相符的特性，1921年5月他在美国Princeton大学演讲时说：“所有的实验都表明，相对于作为参考系的地球，电磁现象和光学现象并没有受到地球平动速度的影响；这些实验中最著名的就是Michelson和Morley所做的那些实验”[7]。
笔者认为，近年来不是第一公设而是第二公设受到了较多的批评，必须对它的实践检查和实验检验问题做更广泛深入的讨论。Einstein在1921年的演讲中是这样说的：“Maxwell-Lorentz方程对运动物体中光学问题的处理也证明了它(指第一公设——笔者注)的正确性。没有其他理论可以令人满意地解释光行差、运动物体中的光传播(Fizeau)和双星现象(de Sitter)。Maxwell-Lorentz方程的一个推论是：我们必须认为至少是对于一个确定惯性系，光在真空中以速度传播这一假设已被证实。我们还必须根据狭义相对性原理假定上述原则对其他任意惯性系都成立”。这里Einstein是用第一公设帮助确立第二公设，未正面谈第二公设的实验检验。实际上，大多数非Einstein所写的解释SR的书，都是用M-M实验作为第二公设的证明的。
与SR的第二公设相关的另一个重要问题是，真正有意义的单向(单程)光速测量从未在实验上得到解决。值得注意的是，相对论学者并不否认这一点。张元仲[8]的书多次提到这个问题；在该书§1.2中说，如果找不到更理想的校钟手段，单向光速就不可观测；只有平均双程光速与同时性问题无关。又说，下一章(指该书第二章《光速不变原理实验》)的各种检验光速不变的实验均只证明了回路光速不变，并未证明单向光速不变，故说“光速不变已为实验证明”并不确实。第二章的前言中说，Einstein光速不变原理所指为单向光速，即光沿任意方向的传播速度；但实验所测并非单向光速的各向同性，而是回路光速的不变性。此外，该书1994年重印本中作者加了一个说明，再次强调单向光速不可观测，这是因为“我们并没有先验的同时性定义，而光速的定义又依赖于同时性定义”。2000年11月出版的《Newton科学世界》杂志发表了张元仲对该刊的谈话：“Newton的绝对同时性在现实中无法实现；Einstein提出光速不变假设，即用光信号对钟；……说是假设，因它不是经验(实验)结果，因为单向光速的各向同性没有(也无法)被实验证明。要测量单向光速就得先校对放在不同地点的两个钟，为此又要先知道单向光速的精确值。这是逻辑循环，因此试图检验单向光速的努力都是徒劳的。”
如果笔者的理解不错，那么相对论专家也承认第二公设确实没有得到真正的实验验证。现在出现了有趣的情况，一方面认为“狭义相对论是感性(实验)和理性(理论)完美结合的产物，已被许多实验所证明”；另一方面又说SR的两个基础之一(第二公设)根本不可能在严格的意义上用实验证明。出路似乎只有一个，即这个“假设”不需要实验证明，只要用这类思辩式语言说一说，人们就必须加以承认。然而，这只是一种愿望，事实上，目前在国内外对“光速不变”持怀疑态度的大有人在。
至此，我们看到对SR第一公设的反对意见很少，对第二公设的怀疑和反对意见较多，因此正确的态度是不仅允许公开讨论，还应进一步开展实验研究。……我认为，2008年林金团队的实验正是最先检验了“单向光速是否各向同性”，并得出了否定的结论——这就回答了相对论学者很久以前提出的问题。当然，对这个实验本身也可以检查（复核）其正确性；如正确无误，则我们似可以说“林金实验动摇了SR的基石”（？）
Einstein是1955年去世的。2年后，即到1957年，苏联发射了人造地球卫星，人类进入了一个新时期。Einstein毕生不知卫星为何物，这不是他的错——他是早期的人，他在那个时代作出了努力。今天情况不同了，卫星技术广泛用于科学研究，此外还有精密的原子钟技术。在这样的背景下，中国科学家找到了方法——利用单程光(电磁)信号的时间同步得以实现，我们不必再不断重复地说“单程光速不可测量”。这是林金及其团队的一大贡献，当然实验结果也很重要。简言之，林金团队在2008年用双向卫星时间传递（TWSTT）设备，以±10ps的精度，完成了对Einstein在1905年论文中所提出的假设(光或电磁信号以不同方向传播时的所需时间相同)的检验，证明两处的钟之间即使有很小的相对运动时该假设也不能成立。这既是对基础物理科学的卓越贡献，也对航天科技有重要影响。因为卫星导航系统需要从观测量中计算出系统内各原子钟之间的钟差，以便实现全系统的时间同步。卫星导航系统还需要从观测到的伪距中正确计算出真距，以便编制精确的星历。因此，技术上需要对观测到的伪距进行修正，消去旋转、引力势和相对运动的效应以得到正确的钟差和真距。……现有的GPS和GLONASS系统的毛病在于，只有下行的单向伪距观测量而又漏算了相对运动效应项。GPS系统的Lorentz变换一次项(漏项)是一项变化的系统误差，GPS用一个庞大的卡尔曼滤波器把补偿后的残差分摊到钟差和真距的估值中，因此大大降低了GPS系统时间同步和星历的精度。
林金说，要提高卫星导航的精度，关键是要真正领会Lorentz变换一次项的物理意义和测量机理。要真正理解Lorentz变换，还得先理解Galilei变换并和现代测量时间和长度的原子标准联系起来，这样，Galilei变换便自然进化到Lorentz变换。
笔者认为，林金的科学工作与国防建设直接相关——我们这样讲并非夸大其词。例如，洲际弹道导弹主动段关机点飞行速度如取6000 m/s，则地面外弹道测量雷达，按传统测速定位计算方法得到的传统速度v和惯性制导系统测得的真速度v相比，将会有dv=v-v* =0.06m/s的原理性方法误差。如果不将这种测量原理的方法误差扣除，而与测量系统的工具误差混淆在一起，则不可能对纯惯性制导的洲际导弹制导精度做出正确和准确的鉴定。
对GPS和GLONASS等全球定位导航系统，由于通常对GPS系统的相对论效应没有研究定位测速的准确测量原理，所以每一颗GPS导航卫星都有正负数十米随视线方向和时间变化的测量原理方法误差。在工程上采用卡尔门滤波统计修正、差分修正、事后处理等方法补偿，也始终做不到对导弹这样的轨道不能重复的飞行器单点实时定位1m的精度！