相对论被多普勒效应证实，

GP-B负结果被陈绍光言中 

  今年7月12日至20日在加拿大的蒙特利尔召开的37届空间科学大会上，我国科学家陈绍光一人发表了五篇论文：其中“单向光速和光年的测量法”和“用多普勒效应直接测量罗仑兹变换”两篇论文涉及到狭义相对论，被安排在〈空间中的基础物理〉- H专题作口头报告和海报展示；其中“根据量子场论不存在空间扭曲效应”、“由星际和星系际介质引起的在巨大尺度范围高红移”和“紧密星强引力场的非线性迭加”三篇论文涉及到广义相对论和量子场论的引力理论及其在天体物理学中的应用，被安排在〈空间中的基础物理〉- H专题和〈从空间研究天体物理〉- E专题作口头报告和海报展示。五篇文章主要涉及到以下三个重大问题：

一，解决了单向光速测量的世纪难题  

  直接用两点间的距离除以光从一点到另一点所经历的时间的方法测量单向光速，必需先校准两地的钟才能测量出所经历的时间，但校准两地的钟又必需预先知道单向光速值，这一逻辑循环的死结导致从伽利略时代至今几百年来未能用实验测量出单向光速。认为单向光速在原则上就是不可测量的己成了科学界的共识。当单向光速不能测量只能假设其特性，就只好接收爱因斯坦所假设的“光速保恒原理”——真空中单向光速各方向有相同的数值且不随时间变化。若是能直接测量单向光速，光速是否会随方向和随时间变化,通过测量就可知道，就无需 “光速保恒原理”这个假设，相对论就可完全建立在测量结果的基础之上了。用天文学的方法，如1676年罗默的木星卫星的掩蚀方法和 1728年布莱德雷的光行差方法，似乎能测量出单向光速值，实际上是不能的。因为通过观测“掩蚀周期的年变化”或“光行差角度的年变化”得到的单向光速值是从地球公转轨道的日地距离或公转速度推算出来的，而日地距离或地球的公转速度不能直接用米尺来测量的，只有用光学或电磁波传播的方法才能测量。也就是说，单向光速的天文学测量转换成了由光年（或光秒）定义的天文距离的测量，最终还是避不开单向光速测量的逻辑循环。

  测量单向光速的关键是校准两地的钟，A、B两点间的距离容易用标准的尺测量出，当A、B两点的钟校准了，使光从A点传播到B点即可测出从A到B的单向光速，使光从B点传播到A点又可测出从B到A的单向光速。我们知道，一个地震台通过地震台内单个钟记录的地震波能得出初震发生的时间和至震中的距离, 实际上未在震中位置预埋上另一个钟，却把位于震中和地震台两地钟校准了。1959年毕业于北大地球物理系的陈绍光先生正是借鉴了这种地震学的方法来解决测量单向光速中校准两地钟的难题。陈的论文中给出了三个校钟方案：

   1，用均匀的超声波介质制作一根传输线，在线的一端（始端A）用超声波发生器产生超声振动沿传输线传播到终端B，在终端B用一个钟测量出纵波与横波到达时间之差。由实验测得的超声介质的杨式弹性模量与切变弹性模量之比求出纵波与横波的波速之比，加上用单钟测出的到达时间之差就可求得纵波与横波同时从始端A发出的时间。这样，超声传输线两端A和B的钟就被测量的超声波的到达时刻和计算出的发出时刻校准了。两地的钟校准了，单向光速就可测量。这一方案正是地震台定初震时间和震中位置方法的直接引伸，超声振动、传输线和单钟分别对应于震中处的初震、传播地震的地层和地震台的钟。

   2，用光学各向异性介质（固态或液态晶体）制作传输线，在线始端A用单色光源发出脉冲光波,线的终端B用单个钟测量出正常（O）光脉冲与非常（E）光脉冲到达时间之差。通过实验比较O光与E光的偏转角度可得到所用介质的O光与E光的折射率之比，从而，反比于折射率的O光与E光的传播速度之比也就得到了。由速度比和用单钟测得的O光脉冲与E光脉冲到达时间之差，可求得O光脉冲与E光脉冲同时从传输线始端A发出的时间。光学各向异性介质传输线两端A和B的钟，就由测量出的光脉冲的到达时刻和计算出的光脉冲发出时刻校准了。随着两地钟校准单向光速就得出了。此方案用了从地震波到光波的类比，是地震定时、定位方法的间接引伸。

   3，两个完全相同的计数器分别设置在长真空管的A、B两端，用来计数通过的光波的波长数目。两计数器的读数分别用传输线（如导线）传递到一台电脑的两个输入端实时进行减法运算。只要两计数器是同步启动的且两传输线的传输延时（信号从线的一端传递到另一端所用的时间）相等，当光波是稳定地通过计数器的行波则电脑的输出正是光行波在A、B之间光波长的数目N，而且是从A到B（或从B到A）的单向波长的数目。用国际定义的长度计量单位（铂铱合金原型）的副本测量出A、B两点之间的距离I,就可得到单向光波长λ=I/N。再测量出无空间方向性的光波频率乘以单向波长就得到从A到B（或从B到A）的单向光速值。保证两传输线的传输延时值相等有挑选法、调整法多种操作方法，其原理是基于传输线的传输延时是一个标量，它具有时间、空间的平移以及空间转动和位置交换的不变性。例如将一根导线空运到世界各地后其延时值是不变的，否则的话，精密测量的国际比对就不可能进行了。由于传输延时是一个可测量的标量，总可以挑选或调整出两根传输延时相等的传输线，用来连接两计数器到一台电脑。同样，可以挑选或调整出两根传输延时相等的传输线，将它们连接到同一个信号脉冲来实现两计数器的同时启动。双计数器加实时减法运算的电脑，自身就是现场挑选或调整传输线延时的测量装置，为此只要交换传输线时看电脑输出数字的变化。从交换传输线前后电脑的输出以及关闭两计数器后电脑的输出，通过简单的计算可消除两计数不同时启动以及两连接计数器和电脑的传输线延时不相等的影响，精确得出两计数器A、B之间的单向波长的数量。

   上述测量单向光速的方法是基于伽利略时空坐标系，用到的只是1676年的虎克定律、1687年牛顿声速公式、1611年伽利略的折射率的定律和1670年巴尔卓林发现的双折射现象等经典牛顿力学和古典光学的基本概念。它没有涉及到马克斯威尔的光的电磁波理论，更没有用到罗仑兹变换和爱因斯坦的相对论。因此，待测的单向光速没有明的（爱因斯坦）或暗的（马克斯威尔）常数性要求，它可以是随时间和随空间而变化的。真空中单向光速是否保恒，唯有用实验测量来决定。最简单也是极为关键的实验是对比测量从A到B与从B到A的单向光速值，判断正、反方向相等否。为此只要反转光的传播方向再测量一次。国际定义的长度单位米（1898年的铂铱合金原型和1960年的氪辐射波长）都没有指定应用的空间方位，从而暗示了空间是各向同性的。作为测量结果的单向光速正、反方向相等，正是基于国际长度单位定义中所默认了空间各向同性。以下说的单向光速值指的是测量的结果而不是假定值。

二，用多普勒效应直接测量罗仑兹变换来确证相对论

  当某光波长λ被定义为长度单位，上述由A、B两点间距离I测量单向波长(λ=I/N)就变成为由长度单位λ测量A、B两点间距离(I=Nλ)。设想A和B两点用刚性杆连接，又变成了测量杆的长度。上述测量中A、B两点以及刚性杆相对光源是静止的。由于多普勒效应，杆相对光源运动时测量得出的杆的长度L将不同于静止时的长度I,也就是说,杆的长度L会随着杆相对光源之间的运动速度v变化。令β＝v /c，c是测量得到的正、反向相等的单向光速。杆沿着光波传播方向运动时，测得的A、B两点之间的光波长数目增多,相应运动杆相对静止杆有一级多普勒效应的长度伸长: L＝I（1＋β）；杆沿着光波传播的反方向运动时，测得的A、B两点之间的光波长数目减少,相应于运动杆相对静止杆有一级多普勒效应的长度收缩： 

      L’＝I（1－β）。

由L L’＝I（1＋β）I（1－β）＝ I ² （1－β²）两边开方可得到沿两个相反方向的两次长度测量结果的方根平均值为：L＝I γ,   γ＝（1－β²）^1/2。

这正是运动杆的斐兹杰惹-洛伦兹收缩公式。γ为相对论的尺缩或钟慢因子，I为相对光源静止时测得的长度，对应于相对论的本征长度。

    同样,用光波定义的时间单位τ测量钟的周期P时，是计数钟的一个周期中所通过的光波长λ的数目M，即，P＝Mτ。钟相对光源静止时，在钟1个周期P内（1秒钟）光通过的光程为光速值c，通过的波长的数目为M＝c /λ，测得静止钟的周期为 P＝Mτ＝（c /λ）τ。钟沿着以光源为原点的径向以速度v相对光源运动时，钟相对光源的距离在1秒钟内被拉长了v，光波通过钟的光程变为 c＋v。1秒钟内光源发出的波长的数目仍为 c /λ，通过钟的光波长数目 N＝M c/ (c＋v)＝M/(1＋β)，相应于运动钟相对静止钟具有一级多普勒效应的周期缩短(走快)：T ＝ P/(1＋β) 。

     钟沿着以光源为原点的径向的反方向以速度v相对光源运动时，钟相对光源的距离在1秒钟内被缩短了v，光波通过钟的光程变为c－v。1秒钟内光源发出的波长的数目仍为 c/λ，通过钟的光波长数目N＝M c/ (c－v)＝M/(1－β)，相应于运动钟相对于静止钟具有一级多普勒效应的周期加长(走慢)：T’＝ P/(1－β)

   由 T T’＝ P ²/(1＋β)(1－β)＝P²/(1－β²)两边开方可得到沿两个相反方向的两次周期测量结果的方根平均值为： T＝ P/γ,这正是运动过程的时间膨胀公式，通常称为“钟慢效应”，γ为前述的相对论的尺缩或钟慢因子（也称为时间膨胀因子）。P为钟相对光源静止时测得的钟的周期，对应于相对论的本征周期。

   由此可见：相对论的 “尺缩”或“钟慢”原来多普勒效应测量值的计算结果,具体说,是杆或钟以光波的波长或周期为单位,沿着两个相反的方向的两次测量值的乘积的平方根。注意! 因为取了正、反向两次测量值的乘积求平方根，罗仑兹变换的“尺缩”与“钟慢”就没有了方向性的限定。单方向测量的尺“缩”L＜ I和钟“慢”T＞P只在指向光源运动时成立，顺着光传播方向运动则是尺“胀”和钟“快”，而且是一级效应的“胀与缩”和“快与慢”。由正、反向测量值的乘积求平方根使一级效应的“胀与缩”相消、“快与慢”相抵，只剩下无方向性的二级效应的 “尺缩”与“钟慢”, 这正是相对论的罗仑兹变換。

   为得到尺缩（或钟慢）因子γ直接检验罗仑兹变换,只要杆（或钟）相对光源正、反向运动时各测量一次。可以让光源对实验室静止，测量装置（包括计数器、杆或钟）对实验室作正、反向运动；也可以让测量装置对实验室静止，光源对实验室作正、反向运动。    自然界本来只存在相对运动的一级多普勒效应，但由于相对论的单向光速c不能测量，于是就把彼此靠近时钟快与彼此远离时钟慢的测量值相乘，结果β(＝v/c)的一级效应 (1＋β)与(1－β) 正负相抵消掉了,导致钟的快慢随(v/c)的平方而变化。实际的运动不可能同时既相互靠近又相互远离，因此,尺缩或钟慢因子γ不是真实的存在，只是数据处理的结果。在双生子佯僇中，双生子乘火箭彼此远离与相互靠近是先后发生的事，先彼此看到对方的钟变慢而更“年轻”，后彼此看到对方的钟变快而更“年老”，火箭停下来后两人的钟又相同了，谁也既不更“年轻”也不更“年老”。由于不能同时既彼此远离又彼此靠近，双生子佯僇根本就不存在。半衰期是大量粒子的统计测量结果，可以用此粒子正方向运动与彼粒子反方向运动的测量结果来相乘抵消掉一次项，用剩下统计意义的二次项——相对论的钟慢能正确解释运动μ介子的半衰期（“寿命”）延长，因为半衰期是统计意义的。

   在世界的各个地方天天都在进行着各种不同的实验检验着多普勒效应，多普勒效应又是v/c的一级效应其检验精度很高，可以说多普勒效应己经被实验充分地证实了。从相对论的罗仑兹变換是多普勒效应沿两个相反方向的两次测量结果的均方根平均值，相对论也就被实验高精度地证实了。因为多普勒效应的测量是完全经典的，它没有涉及到任何有关相对论的东西，从而相对论的罗仑兹变換是在伽利略坐标系的框架上被精确地证实。当相对论完全建立在测量结果的前提之上，作为前提的测量也只能在伽利略坐标系中，因为相对论建立起来之前，不存在罗仑兹坐标系。用伽利略坐标系中正反向两次测量结果的均方根平均值可取代罗仑兹变換，在通常的火箭、飞船和高能粒子运动等实际问题中，没有必要另建一个罗仑兹变換坐标系来把简单的问题搞复杂。

三,广义相对论与量子场论的引力理论相融合 ——成功预言GP-B负结果

  引力探测器B（GP-B）于2004年4月20日发射升空,是用来专门探测1918年由Lense和Thirring 根据广义相对论预言的时空扭曲效应(也称为坐标架拖曳效应或Lense-Thirring 效应)。具体表现为：除了已被实验证实的测地线(时空弯曲)效应的进动之外，还存在着有待于证实的由于地球转动拖曳着弯曲的时空使之扭曲而产生的附加进动。2004年6月29日科技日报发表专题文章“我国科学家陈绍光的第三预言：引力探测器B是负结果”。陈绍光当时根据量子场论的引力理论指出，引力的本质是量子化，广义相对论只是量子场论引力理论的唯象的宏观表述。量子场论引力理论的测地线效应的进动与广义相对论的预言是一致的，但本质上是质量附近光子的动量-能量变化，时空弯曲是虚拟的——一种等效于动量-能量变化的说法而己，真实的时空不是真的弯曲了而是平直的。时空扭曲效应的附加进动是不存在的，因为质量转动无法拖曳虚拟的东西产生效应。今年37届空间科学大会终于肯定了陈绍光的上述预言。2006年在北京召开的36届空间科学大会上，〈空间中的基础物理〉- H专题中有多篇GP-B的研究团队的报告,但只限于技术分析没有给出探测结果。今年初37届空间科学大会组委会的约稿通知中有H04专题研讨GP-B，陈绍光的论文摘要“根据量子场论不存在空间扭曲效应”就是投稿到H04专题，结果论文却被H05专题接收。原来专门研讨GP-B的H04专题最后被组委会撤消了。引起全世界广泛关注的GP-B卫星升天检验广义相对论的大事，四年后就这样无声无息地收场了。陈绍光明确地预言GP-B是负结果,是基于理论的强大内在逻辑。首先，他根据邦迪由爱因斯坦方程得出的非孤立物体的质量是变化的,再利用狹义相对论的质能关系和四维动量-能量守恒,通过严格的推导得出了一个新引力公式f ^G：

                          δ(m v)        m M      r        v

           f ^G ≡ ———— ＝- G ———（— ＋ — ）                    

                δt                r ²           r      c

公式f ^G是广义相对论的一个新版本——爱因斯坦方程的简化体现。接着，陈绍光根据量子场论的质量是重整化的物理质量而不是裸质量也得到质量是可变的，再通过对比弱电统一理论中的弱作用与电磁作用，从电磁作用真空极化效应的虚光子压力——卡西米尔力推论出存在一个弱作用真空极化效应的虚中微子压力——类卡西米尔力f ^Q：

                               δ(m v)         m M     r         v

                f ^Q ≡ ———— ＝- Э ——— （— ＋ — ）                     

                    δt                r ²          r     c

f ^Q与f ^G都是以质量可变为前提推导出的。唯一不同的f ^G中的常数G没有理论值，只能直接取实验值；f ^Q中的常数Э可以由弱作用和电磁作用的耦合常数估计出其大小数量级,且估计的结果正好与实验测出的引力常数G大小量级相同。当常数Э也直接取实验值，则Э＝G，f ^Q与 f ^G的公式就完全相同而融合成为同一个公式。在不涉及引力的本质和起源的问题时f ^Q与f ^G的预言是完全一样的，用通常的引力效应实验如光的偏折、红移、时延等是无法区分f ^Q与  f ^G的。

   涉及引力的本质问题有两个：一是引力有没有量子效应？量个场论的f ^Q的回答为有，广义相对论的f ^G的回答为没有。2002年尼斯维契夫斯基等用超冷中子在地球引力场中进行下落实验，他们发现中子下落过程不是连续的而是跳跃的，证实了引力具有量子效应。广义相对论的预言首次受到了挑战。二是质量附近的时空是否真的弯曲了？广义相对论f ^G的回答为是，量子场论f ^Q的回答为否。GP-B的升空正是为了证实广义相对论的这一预言。当地球四周的时空真的被地球的质量弯曲了，地球的自转就会拖曳弯曲了的时空使之扭曲，从而产生时空扭曲效应的进动附加在测地线效应的进动上。现在GP-B团队经过四年的努力没有探测到扭曲效应的Lense-Thirring进动，又一次否定了广义相对论关于引力本质的预言，支持量子场论的引力预言，使得“广义相对论只是量子场论引力理论的唯象表述”的观点更具有说服力。上述关于引力本质的实验结果，意义是极为深远的。它使广义相对论的f ^G融入到了量子场的f ^Q中成为唯象的表示，也就是说，引力正是弱作用的类卡西米尔力。因此，引力理论就并入到了弱电统一理论之中，四种相互作用就在现有的U(1)×SU((2)×SU(3)模型下

   其他的引力问题f ^G与f ^Q给出的预言完全相同，因为f ^G与f ^Q的公式完全相同己融为一体了。陈绍光在E14和E15专题发表的论文正是基于f ^G和f ^Q融为一体的共同预言：

   1，新引力公式f ^G和f ^Q中含有v/c项，导致引力作用下非孤立物体的能量不守恒。由于v/c项对一闭合迴路的路径积分不为零，会产生偶极辐射而损失能量，直接证实了C.M.Will的著名“引力辐射可能是非线性效应引起的偶极辐射”。由v/c项的路径积分计算脉冲双星PSR1913 +16引力偶极辐射，辐射能量损失导致的轨道周期变化率符合Taylar等人的观测结果。对于大尺度范围运动的光子，v/c项的能量损失是不可忽略的，光子会在路途中引力场的不断作用下产生路途中的引力红移。用观测的宇宙光度质量密度计算因途中引力红移所导致的哈勃常数，算出的平均值为62.5 m/s MPC,与哈勃常数的最新观测值相符。

   2，新引力公式f ^G和f ^Q中的质量可变集中体现了引力的非线性本质。显然，非线性的爱因斯坦方程的解是不能线性迭加的，导致引力不遵从线性迭加原理。对线性迭加的偏离表现为如同物体的各部分之间相互屏蔽掉了一部分引力，用屏蔽系数q表示对可线性迭加的牛顿引力的偏离程度。愈紧密的星体，引力愈强，相互屏蔽愈显著，q正比于星体的密度和虚中微子的散射截面。电子中微子的散射截面可从核物理实验数据查到，虚中微子的散射截面可从Stacey等用地球物理方法测得的实际引力对牛顿引力的偏离求出。用电子中微子和虚中微子的散射截面求得：10000 km尺度的地球的q值比1小8至9个数量级；1km厚的中子星球壳的q值达到1（中子星的密度比地球的大14个数量级）。q＝1 意味着完全的屏蔽——虚中微子和电子中微子完全地被1km厚的中子星球壳挡住（全被散射掉而穿不过球壳）。光子散射截面更大更容易被球壳挡住。因此，中子星内部对外界没有信息交流也没有引力作用，它等效于一个空的球壳，从而它可以高速地旋转。由此暗物质、暗能量、类星体和X射线脉冲星等一系列观测结果可得统一的解释。1km厚的中子星球壳的完全屏蔽作用不但使内部的引力传不出来，也使外部的引力传不进去，导致无论多大的质量的中子星其中心的引力永远不超过1km半径的中子星的引力，从而永远超不过简并中子气的压力。因此，密度无限大的奇性黑洞不可能产生，中子星也就没有质量上限。这些预言本来就隐含在爱因斯坦方程中，因为爱因斯坦方程的非线性难以求解而没有显露出来。从爱因斯坦方程导出的新引力公式f ^G更容易求解，从而把爱因斯坦方程中隐含的预言显露出来了。