中国空间站高精度迈克尔逊—莫雷实验提案

王建安

Email: wja@szu.edu.cn

项目名称

中国空间站高精度迈克尔逊 — 莫雷实验：真空光速各向异性与局域空间背景场在轨检验

一、项目背景与科学意义

狭义相对论以光速不变原理与狭义相对性原理为基石，是现代物理学与精密测量科学的核心基础。自 1887 年经典迈克尔逊 — 莫雷（MM）实验以来，人类对光速各向同性的检验均在地球表面完成，均给出零结果[1]。依据局域以太 / 背景场拖拽模型，地球引力场可充分拖拽近地面空间背景介质，导致地表无法观测到以太风；空间站位于约 400 km 近地轨道，处于地球完全拖拽区之外，相对背景场存在约 7.8 km/s 轨道运动，具备直接探测轨道级以太风的唯一条件。

狭义相对论的建立为现代物理奠定了重要基础[2]，近几十年高精度 MM 实验不断将光速各向同性检验推向极限精度[3,4,5,6]。局域以太模型、本地背景场理论也为解释光速不变提供了不同于标准相对论的物理图像[7]。

本实验回答物理学重大基础问题：

1. 是否存在绝对参照系？

2. 光速不变是适用于任何惯性参照系的普适原理，还是仅适用于绝对参照系（在地球表面地球可近似为绝对参照系）？

3. 洛伦兹对称性在空间轨道是否严格成立？

国家战略价值

1. 依托中国空间站开展原创性基础物理研究，抢占基础物理制高点。

2. 实验结果可能修正与深化相对论时空观，产生里程碑式科学成果。

3. 带动超高精度光腔、窄线宽激光器、空间精密测量技术自主可控。

4. 符合《国家空间科学中长期发展规划（2024—2050 年）》“极端宇宙”“时空本质” 优先方向。

二、理论依据与核心假设

1. 地球充分拖拽近地表背景场，地表相对背景场近似静止，故地面 MM 实验为零结果。

2. 空间站脱离完全拖拽区，相对背景场以v≈7.8 km/s运动，存在可观测以太风[12]。

3. 现代高精度光学测量可实现光速各向异性检测精度 Δc/c ~ 10⁻¹⁷～10⁻¹⁸，远高于本实验预期信号～10⁻⁹。

关键预言

若以太风存在，将观测到：

• 正交光腔共振频率周期性拍频调制；

• 信号周期与空间站轨道周期 / 地球自转周期一致；

• 振幅对应二阶效应 (v/c)²≈6.8×10⁻¹⁰。

三、实验目标

1. 在 400 km 轨道高精度检验光速各向同性，灵敏度达到Δc/c ≤ 1×10⁻¹⁷。

2. 直接探测轨道以太风，确定速度大小与方向。

3. 给出空间洛伦兹对称性的最高精度在轨检验。

4. 验证 “近地拖拽 — 轨道无拖拽” 空间背景场模型。

四、实验原理与方案设计

1. 核心原理：超高精度法布里 — 珀罗光腔测速

采用一对正交超高精度光谐振腔，以窄线宽激光器锁定共振频率：

• 光速各向异性 → 光程 / 共振频率差异 → 拍频信号；

• 信号大小 ∝ Δc/c ∝ (v/c)²；

• 现代光腔实验灵敏度可达10⁻¹⁷～10⁻¹⁸，远大于预期信号[3,4,5]。

2. 装置组成

• 窄线宽稳频激光器系统（线宽≤1 kHz）；

• 一对正交超高精度光腔（真空、低热膨胀、高精细度F≥10⁵）；

• 温度控制模块（稳定性 ±0.001℃）；

• 隔振与姿态监测模块；

• 数据采集与高速下传单元。

3. 观测模式

• 连续观测≥7 天，覆盖多轨道姿态；

• 同步记录：空间站姿态、轨道速度、热环境、振动噪声；

• 采用差分测量抑制共模噪声。

4. 关键技术优势

• 非旋转、无运动部件，空间环境适应性极强；

• 地面成熟验证，可快速工程化；

• 可与空间站冷原子光钟、时频系统联合定标，进一步提升精度[8,9,10,11]。

五、现代仪器可行性结论

1. 灵敏度完全足够

预期信号：(v/c)² ≈ 6.8×10⁻¹⁰现代仪器噪声底：≤1×10⁻¹⁷信噪比＞10⁷，可稳定、清晰探测。

2. 工程可实现性

• 质量≤10 kg，功耗≤30 W，符合空间站载荷标准；

• 无高压、无放射性、无运动磨损件；

• 可部署于梦天 / 问天实验舱高精度实验平台。

六、预期成果与科学产出

1. 若测得以太风：

• 证明存在空间绝对背景场，改写相对论基础；

• 建立拖拽型时空理论，统一解释光速不变与相对论效应。

2. 若零结果：

• 将洛伦兹对称性检验推向轨道新高度；

• 严格限定空间背景场模型，完善相对论基础。

3. 技术产出：

• 空间最高精度光腔测量系统；

• 可用于引力探测、时频传递、基础物理检验。

七、实施计划

1. 第一阶段（6 个月）：原理样机、地面标定、噪声测试。

2. 第二阶段（8 个月）：空间载荷研制、环境试验。

3. 第三阶段（3 个月）：空间站安装、在轨调试。

4. 第四阶段（持续 12 个月）：在轨运行、数据积累、科学发布。

八、结论与建议

本实验是检验空间背景场、光速不变原理、洛伦兹对称性的唯一在轨机会，科学价值重大、技术成熟可行、风险可控。现代高精度光学测量能力完全可以稳定探测到预期以太风信号，具备产生里程碑级原创成果的潜力。

建议：列为中国空间站优先科学实验项目，尽快启动立项与研制，抢占空间基础物理前沿。

参考文献

[1] Michelson A A, Morley E W. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether [J]. American Journal of Science, 1887, 34 (203): 333-345.[2] Einstein A. Zur Elektrodynamik bewegter Körper [J]. Annalen der Physik, 1905, 17: 891-921.[3] Müller H, Herrmann S, Braxmaier C, et al. Modern Michelson-Morley experiment using cryogenic optical resonators [J]. Physical Review Letters, 2003, 91 (2): 020401.[4] Ivanov E, Peters A, Tobar M. Direct terrestrial test of Lorentz symmetry in electrodynamics to 10⁻¹⁸ [J]. Nature Communications, 2015, 6: 8174.[5] Eisele C, Nevsky A Yu, Schiller S. Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10⁻¹⁷ Level [J]. Physical Review Letters, 2009, 103 (9): 090401.[6] Herrmann S, Senger A, Kovalchuk E, et al. Tests of relativity by complementary rotating Michelson-Morley experiments [J]. Physical Review Letters, 2007, 99 (5): 050401.[7] Su C C. A local-ether model of propagation of electromagnetic wave [J]. European Physical Journal C, 2001, 21 (4): 701-715.[8] 吴志波，耿仁方，汤凯，等。中国空间站星地激光时频传递试验及进展 [J]. 光学学报，2025, 45 (6): 0628006.[9] 吕德胜，刘亮，王育竹。空间冷原子钟及其科学应用 [J]. 载人航天，2011, 17 (1): 47-51.[10] 中国科学院国家授时中心。中国空间站首次实现碱土金属原子激光冷却 [J]. Chinese Physics Letters, 2025, 42 (6): 063701.[11] Li J, Chen X, Zhang D, et al. Realization of a cold atom gyroscope in space [J]. National Science Review, 2025, 12 (4): nwaf012.[12] Wang J A. The Modification of Special Relativity [J]. Journal of Modern Physics, 2019, 10: 1615-1644.