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[1]，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）[2]。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 m₀  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/m₀  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：

[1]P. A. M. Dirac, Is there an Æther? Nature,168, 906– 907, 1951. doi:10.1038/168906a0

[2] 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