试论计量学与物理学的关系及长度计量中的米定义问题

黄志洵l

（中国传媒大学信息工程学院，北京100024）

 有一些极为简单的公式和符号不好输入，详细了解请看原文，链接如下：

试论计量学与物理学的关系及长度计量中的米定义问题.docx

摘要：和物理学相比，计量学的起源更古老，历史更悠久。但在当代，一般情况下计量学接受物理学的指导；但计量学能保持自己的独立性，对不恰当的物理理论有一种本能的拒绝和校正作用。例如狭义相对论(SR)和广义相对论(GR)都采用Minkowski的时空（spacetime）概念，但它在计量学中却没有地位——在国际单位制SI中时间单位(秒)和长度单位(米)都保持着自身的独立性。Spacetime不能成为单一物理量，也没有人赋与它一个单位。实际上，这是计量学对物理学中有很大争议的概念的一种无声拒绝。

1983年第17届国际计量大会(CGPM-17)通过了关于米的定义：“米是光在真空中在(299792458)^-1秒内行程的长度”。这一定义固定化了真空中光速C=299792458m/s，不恰当地规定此值的不确定度为零，禁止对的精确测量作新的研究。更大的问题是，此定义中的单位“米”受另一单位“秒”的影响，一方面使米失去了基本单位的地位，同时又使长度单位和时间单位失去相互分离的独立性。本文认为此定义是有缺陷的。

从1983年至今已过去了38年，现行米定义存在的问题逐渐显露出来。首先，本世纪头十年的实验研究实际上证伪了光速不变原理，而该原理是现行米定义的理论基础。其次，对真空中光速C的恒值性和稳定性有许多质疑；例如，该定义中所谓“在真空中”没有准确说明是什么真空，在1983年时代这只能是工程真空。如今我们知道，当考虑量子物理真空概念时，c是一个起伏的值，并非恒定不变的常数。分析还证实，由于Casimir效应和真空极化效应都会影响c的恒值性和稳定性，从而影响到米定义所要求的高精确性。

本文还认为不应把从基本物理常数出发建立基准的作法绝对化和理想化，物理界早就流传着“不常的常数”的说法。……改进米定义一事可与拟议中的“改进秒定义”联系起来。重新定义“秒”的问题已提上日程。秒定义可以修改，米定义当然也可以修改。

关键词：计量学；长度计量；1983年米定义；光速不变原理；物理真空

1  引言

计量学和物理学是两门各自独立发展而又相互影响的学科。前者的历史更为悠久，这是由于人类生产活动和日常生活对计量的迫切需要。近代物理科学的成型大致上可以认为是从I.Newton^[1]的伟大著作《自然哲学之数学原理》的出版(1687年)开始，几百年来的物理学如今已发展到极高水平，并深刻地影响和刺激了近代计量科学的进步。因此，二者有一种相互依存的关系。计量学一方面从物理学吸取营养，但并不盲从；这是非常有意思的事。

1960年第10届国际计量大会(CGPM-10)决定把1875年建立的《米制公约》统一命名为国际单位制(SI)。它有7个基本单位，它们是：长度单位“米”(m)、时间单位“秒”(s)、电流单位“安培”(A)、温度单位“开尔文”(K)、质量单位“千克”(kg)、物质的量单位“摩尔”(mol)、发光强度单位“坎德拉”(cd)。这些基本单位和许多导出单位构成了整个的计量单位系统^[1]。最重要的基本单位是“米”和“秒”，它们与物理学中最基本的概念(“空间”和“时间”)相对应。

2018年11月16日，经国际计量局的成员国(60多个)表决，通过了对国际单位制(SI)作修订的决议；该决议规定，有4个SI基本单位将改由基本物理常数来定义，它们是：千克(kg)——Planck常数h；安培(A)——电子电荷e；开尔文(K)——Boltzman常数k；摩尔(mol)——Avogadro数N_A。至于另外3个基本单位，米(m)在1983年已由真空中光速C定义，是先行者。还有两个单位，秒(s)和坎德拉(cd)，它们至今不是由基本物理常数出发的定义。

虽然这些作法进一步密切了计量学与物理学的关系，但也加强了前者对后者的依赖。那么现在是否能高枕无忧？笔者认为并不可以。本文的写作有两个先行者，一是笔者以中文写作并在国内发表的论文“爱因斯坦的狭义相对论是正确的吗？”^[2]二是笔者以英文写作并在国外发表的论文“A Study and Discussion of the 1983 Meter Definition”^[3]。本文有一些新思想，论述更深刻，理由也更充足。

2  空间与时间——计量学与物理学的分歧初现

物理学(Physics)是探讨除生命现象以外的一切物质与运动基本规律的科学，内容包括物质结构以及物质运动形式和它们之间的改变与转化；这一定义阐明了物理学的主要特征。在研究物理学的过程中产生了各种物理量，对它们的单位作出定义和给出测量方法（以及建立基、标准的方法）就成为计量学(Methology)的基本任务。很明显，计量学的主要基础是物理学(包含力学、声学、光学、热学、电磁学等等)。因此，物理学当中的理论和实验的发展，不但给计量学提供了基本的推动力，有时甚至决定了计量基(标准)的形式和相关技术方法。

Newton经典力学作为人类历史上第一个科学理论体系，不仅每日每时都被人类广泛地应用于实际，而且也是航天科技活动的可靠支撑。王令隽教授有一段精辟的话，他说：

“牛顿力学的经典时空观越来越显出科学理论的特征，经得起时间和实践的无休止检验。‘绝对时空’是从大量实际观测中抽象出来的概念，并天天被无数宏观试验和实践所证明。从欧氏几何到黎曼几何，都以绝对空间概念为前提。……越来越多的理论工作者感到绝对时间的重要，只是他们只说公共时间(所有坐标系用同一时间)。”

查阅Newton的著作^[1]，他说：

“绝对空间的自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构，或是对绝对空间的量度……绝对空间与相对空间在形状与大小上相同，但在数值上并不总是相同。……

处所是空间的一小部分，为物体占据着，它可以是绝对的或相对的，随空间的性质而定。……

与时间间隔的顺序不可互易一样，空间部分的次序也不可互易；……所有事物置于时间中以列出顺序，置于空间中以排出位置。”

Newton对时间又作如下说明：“绝对的、真实的和数学的时间由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关。相对的、表象的和普通的时间是可感知和外在的对运动之延续的量度，它常被用以代替真实的时间。如1小时、1天、1个月、1年。”

总之，经典力学中的空间与时间是分开的，互相独立的。

正如大家所知，Einstein的SR理论于1905年发表^[4]，随后Minkowski提出时空一体化理论，认为单独的“空间”、“时间”概念已不再有意义，只有两者结合形成spacetime(或写作space-time)才是有价值的东西。Einstein对此极为欣赏，立即采用到他后来的广义相对论(GR)中，提出所谓的“时空弯曲”；后又发展为引力波，等等。以至于今日的相对论者们言必称“时空”；但是，在计量学却没有“时空”这个物理量，实际上也不可能有。

计量学处理方式很简单：空间的对应物理量是长度，单位是“米”；时间这个物理量则以“秒”为单位，二者互相独立。尽管百年来对Einstein和相对论的宣传铺天盖地，但计量学却拒绝给spacetime一个地位，甚至对其置之不理。这种情况既令人惊异也令人欣喜，计量学依靠它“一切从实际出发”的本能而保持了自身的真理性。

3  长度计量与米定义的历史沿革

尽管物理学不仅影响而且常常引领计量学的发展，后者却有自己独特的历史。例如长度计量是与人类生活关系最密切的基本计量；在中国古代，由于丈量土地、建筑房屋、兴修水坝、建设桥樑的需要，不仅有长度量具(尺)，也有长度计量标准；后者以其律管谐振频率(相当于波长)作为尺的基准^[6]。古埃及人建造了伟大的建筑——金字塔和神庙，工程的展开离不了长度、角度这些几何量的测量。在近代，早期的度量衡有MKS制、CGS制之说，前者的头一字母代表米(m)，后者的头一字母代表厘米(cm)；这都是以长度计量为首领的证明。……现代的工业生产和科学技术突飞猛进，微观方面有纳米(nm)，宏观方面有光年(ly)，都是体现长度计量重要性的标志。

最早的米定义是认可1799年法国科学院的一个规定：地球子午线的1/4×10⁷称为1米，这是1875年米定义。后来发现它满足不了工业发展对计量精度的需求，故在1889年的国际计量大会上通过了用铂铱合金米尺两条刻线间的距离作为1m的定义值。一支编号为No.6的铂铱合金米尺称为“国际米原器”。参加米制公约的国家都有一支同样的铂依合金米尺，定期与“国际米原器”进行比对。国际米原器的相对精度为10^-7[7]。

第二次世界大战后，德国联邦物理技术研究院(PTB)研制成功了氪-86低压气体放电灯^[8]。氪-86同位素原子辐射出的橙黄色谱线的真空波长值是个“定”值。于是1960年国际计量大会通过了米的新定义：“米等于氪-86原子的2p₂-5d₅能级间跃迁辐射真空波长的1650763.73倍的长度”。……以上历史情况表明，基本单位的定义不是一成不变的，它将随着科学技术的进步和工业发展的需要而不断更改^[9]。

1983年国际计量界迈出了新的步伐——采用基本物理常数作为建立新的米定义的基础。之所以出现这个局面，是由于1960年发明激光器以后，激光技术飞速发展，其中包括测量光频的技术达到了很高精度。1972年，美国标准局(NBS)K.Evenson^[10]发表了他领导的团队的研究工作——以高度复杂的技术对甲烷(CH₄)激光实现了测频，获得了精确的频率值fch，这是过去从未做到的激光频率测量。由于原来对激光波长的测量精度已有相当水平，这样就可以把fch与甲烷波长值lch相乘，得到真空中光速C。国际计量界就以此契机尝试“从基本物理常数出发”(实际是从真空中光速C出发)来制订新的米定义，我们称之为“1983年米定义”或“现行米定义”。当然，从1972年到1983年是一个过渡期，现行米定义也不是一下子就确定下来的。

采用Kr-86谱线(波长l=605.7nm)作为基准的米定义有两个突出的问题。首先,该谱线存在轮廓不对称性，造成其中心点与光强最大点之间有1×10^-8的波长差异。其次,新的激光稳频技术使频稳度和复现性优于1×10^-9，比Kr-86橙黄谱线的稳定性和复现性高出百倍以上^[2]。因此，纯粹由于计量技术方面的吸引力，促使国际计量界放弃1960年米定义，改用1983年米定义。我们强调指出，这不是一个从基础科学原理出发而作出的理性的决定。自1983年以后现行米定义的问题逐渐暴露。

因此，对于长度计量和它的基本单位的定义而言，在近代，有3个时间节点是最重要的——1889年第一届国际计量大会(CGPM-1)基于国际米原器规定了最早的米定义。1960年用氪86光波波长定义米；1983年第十七届国际计量大会(CGPM-17)通过了长度基本单位(米)的新定义：“米是光在真空中在(299792458)^-1秒的时段内行程的长度”。这是把真空中光速C当作一个公认的约定值，即C=299792458m/s。由于指定了C值，可以从时间(频率)单位导出长度单位。在某种程度上，定义的改变是测量精度不断提高的反映；因此国际计量局对此深为满意，而没有意识到这一现状其实潜藏着某些重要问题。

物理学很早就指出光具有波粒二象性，即既有粒子性的特征(光子)，但光波又是一种电磁波，存在一个宽广的电磁波谱。如果实验在没有空气的工程真空条件下进行，就有下式成立：

C=f. l                                              (1)

式中f、l分别为光波的频率和波长，是光波速度(真空中光速)。这种思维建立在“光是一种波动”的认识基础上，与光的粒子性无关。实际上，迄今为止从未有人直接测量过光子的飞行速度。

现在来看1972年美国科学家K.Evenson团队的工作，以及在那以后几年中的发展。Evenson建立了复杂的光频测量系统，采用了从铯原子频标出发的激光频率链，包括6台不同的激光器和5个微波速调管，结果得到

fch=88.376181627×10¹²  Hz                           (2)

测量精度为6×10^-10；已知甲烷的波长值约为3.39μm，选用当时最好的值，可计算

C=lch·fch=(299792456.2±1.1)  m/s                (3)

即精度达3.6×10^-9；仅此而言，真空中光速c的测量精度已提高了100倍。这对国际计量局产生了很大的吸引力。那么c的测量值是多少？1972年至1973年国际上的著名计量机构曾得出下述的精确测量值^[11]:

美国标准局(NBS)                 c=3.392 231376(12)  μm

国际计量局(IBS)                       3.392 231 376(8)  μm

加拿大国家研究委员会(CNRC)          3.392 231 40(2)  μm

前两个是按重心点定义，后一个是按中间点定义。国际米定义咨询委员会(CCDM)于1973年6月决定，采用以下数据作为甲烷谱线波长的标准值(推荐值)

c=3.392 231 40  μm                               (4)

不确定度为4×10^-9。故CCDM于1973年将c的标准值确定为

c=(299792458±1.2)  m/s                              (5)

不确定度为4×10^-9。后来(1972～1974年)虽然又出现了几个新的测量值，但均在上述标准值的不确定度范围内。因而，国际天文联合会(于1973年)、国际计量大会(于1975年)都认可了这个值。

但是，1983年米定义由CGPM-17通过和颁布后，必须把理解为一个无误差的普适的物理常数，即

c=299792458  m/s                                   (5a)

在这个表述中去掉了±1.2m/s的可能误差，亦即c值的不确定度为零。这种强制的作法令人生疑。自1983年以后，近20年时间内，国际计量界的情况是：按公式c=l.f来间接实现米定义非常困难^[12]。为确定地实现米定义，需要有指定的稳频激光器的波长值作为标准谱线。当时的国际计量局局长T.Quinn亲自出马，在1999年发表一个《关于实现米定义的公告》(Metrologia, Vol.36, No.2, 211-244)，表明总算有12种激光器可用了。这情况说明，推行1983年米定义并不顺利。Quinn后来对米定义的间接实现作了多次说明^[13,14]。

4  1983年米定义的精神实质及存在的问题

让我们深入思考1983年米定义的实质。把公式(1)写作：

l=c/f                                             (1a)

如果c被固定化了，从频率(也就是时间)可以导出长度单位。也就是说，计量技术上可以不依赖(不追求)降低波长l的不确定度，而是依赖于光频率(f)测量的高水平。所以，国际计量局之所以积极推行1983年米定义，并非由于在科学原理方面的思考，而是为了计量技术的方便和需要。

1983年米定义公布后，在国际上许多计量学家说：“持续300年的光速测量可以结束了”，又说这是“画上了完满的句号”^[11]。笔者认为这样的说法和做法都是错误的。科学无禁区、发展无止境，没有人可以对某个学术课题或方向下“禁研令”或“禁试令”，这是自然科学的性质决定的。具体到真空中光速c，测量虽已进行了300多年也不应停止。这不仅由于科学发展永不停顿的特点，而且也因为现行的c值及米定义存在问题。……我们甚至要说，1983年的“禁令”已给科学发展带来损失。笔者的观点很明确——光速测量和研究虽已经历300多年也不应停止。

本文强调指出，计量学中的7个基本单位相互应该各自独立，不能交叉影响。这是现代计量学的一个基本原则。现行米定义恰恰违反了这个原则，其表述米定义时使用了“秒”这个单位。这意味着米定义要依存于秒定义。有人认为这有好处，对此我们不敢苛同。基本单位的每个都应该独立地存在，而不依赖其他单位。许多计量学家忽视于此，令人遗憾。

现行米定义的另一个问题是搞乱了基本单位和导出单位的关系。根据l=c/f，由于频率(对应时间)是基本单位，波长c只能是导出单位。因此，这个定义实际上使长度失去了作为基本单位的地位，成了导出单位；这是很不恰当的。

细看1983年米定义，还会发现更多的问题。如果是光波(光首先是一种电磁波)，那么定义应规定其为平面波。但理想的平面波在技术上是无法获得的，那么该怎么办？换言之，光速应为理想的平面波的速度；如做不到，就会有曲率效应等影响；如此等等。

此外现行米定义还有一些理论或实验上的问题，我们将逐一讨论。

首先，对物理学常数而言，恒值性(constancy)和稳定性(stabitity)虽然互有联系，但并非完全相同的概念。例如真空中光速c，通常认为其恒值性有两个来源：①理论上的光速不变原理，由A.Einstein的狭义相对论(SR)提供；②测量技术上的突破，由美国标准局K.Evenson团队于1973年经由光频高精度测量而得到c的精确值。然而，国际计量界把这两件事都估计过高了，期望会变成失望。

物理常数的稳定性主要指对环境影响的抵抗能力，这种影响是广义的，既包含像环境温度的变化会不会影响常数的值，也包括时间和空间，后者指是否能做到各向同性。……现在我们必须指出，在实际的物理真空中光速不可能恒定。

“真空是没有物质的全空的空间”，是经典物理中的老旧说法。其实我们永远不能确定一个空间中是否真是“空”的，即使先行对它用真空泵抽出空气达到所谓的“超高真空”。这是因为那里有大量不断产生又不断湮灭的虚光子(Virtual photons)，虽仅为短暂出现，但虚光子和普通光子一样可以产生物理作用。证据一直有，例如2011年西班牙科学家发现，在已实现工程真空的环境中的旋转体(直径100nm的石墨粒子)会减速，表示真空也有摩擦。

一个虚光子逆向与旋转物体碰撞比同向产生的撞击力更大。减速程度还取决于温度，因为温度越高，产生和湮灭的虚光子就越多，产生的摩擦力也越大。在室温下，一个直径100nm的石墨粒子(这种粒子在星际尘埃中大量存在)的旋转速度降至最初速度的约三分之一，约需要10年；在700℃(宇宙炙热地区的平均温度)的环境下，这个过程只要90天。……2013年3月25日美国“每日科学”网站报道，法、德科学家各自提出了研究成果，内容是说光速是真实的特性常数，而量子理论认为真空中有忽隐忽现的粒子。这导致光速不是固定值。

另外，真空极化作用和Casimir效应也会影响光速c失去稳定性^[15]。总之，“真空”通过多种物理作用使光速改变。因此，对“真空中光速c”的“真空”应如何理解和定义就成为问题。

5  光速不变原理在理论上存在问题

前面举出理由说，计量学在相对论的强大宣传面前保持了自身的独立性，例如在实际上不接受Minkowski的“时空一体化”，而是坚持时间、空间是独立的，对长度和时间这二者分别建立以基(标)准为基础并进行量值传递的计量体系。但这并不是说，相对论对计量学界没有发生影响。虽然国际计量局没有说过“1983年米定义是以狭义相对论(SR)作为理论基础”，但我们可以判断情况不免是如此，因为SR中有一个“光速不变原理”(principle of light’s constancy)^[4]。假如该原理正确，人们很容易想到，如果把它作为1983年米定义的理论基础，一定会有好的效果。但在陷入争论的迷雾之前，有两件事笔者要指出来。首先，作为空间的表征的距离（或说长度）是基本单位，跨越该距离所需时间t也是基本单位，但L与t之比(速度v)却是导出单位，即

v=L/t                                           (6)

那么，为什么在SR理论中L和t都是“相对”的，光速(速度的一种)却是“绝对”的、不变的？！这在逻辑上是明显地不自恰。

其次，1905年提出SR时，Einstein是一位26岁的青年；年轻人思维不成熟，后来变来变去，令人费解。具体例子体现在“到底有没有以太(ether)”和“光速是否恒定不变”这两件事上，Einstein在1905年的态度后来都起了变化。具体讲，Einstein在建立SR时郑重提出的光速不变原理，在1907年~1911年期间又被他自己所否定。例如1911年Einstein^[16]的论文，核心内容是引力势使光速变慢；这一观点甚至在103年后（即2014年）仍被物理家J.Franson^[17]继承。Franson是拥护广义相对论（GR）的，那么他把SR置于何地呢？诸如此类的情况，使我们不得不怀疑，光速不变原理可能根本是错误的，Einstein自己都不相信。既然光速不变原理来自静止以太理论，而Michelson-Morley实验却否定了以太，那么光速不变原理是否还应存在呢？Einstein在1905年的作法，不但保留光速不变这个假说，而且提高其地位。他曾说：“第一步要拒绝以太假说：然后为走出第二步，必须使相对性原理容纳Lorentz理论的基本引理，因为拒绝这条引理即是拒绝这个理论的基础。以下即此引理:‘真空中光速为常数，并且光和发光体的运动无关’。我们将此引理上升为原理。为简单起见我们以后称之为光速不变原理。在Lorentz理论中此原理仅对一个处于特殊运动状态的系统成立：即必须要求系统相对以太为静止。假如我们想保留相对性原理，我们必须容许光速不变原理对任何非加速度运动系成立”。

Einstein又说：“根据经验，我们还把下列量值

2 AB/(t'A-tA）                                         (7)

作为一普适常数——空虚空间的光速。利用在静止系中的静止钟来定义时间这一点是本质的，我们称现在适合于静止系定义的时间为‘静止系时间’。”

很明显，在这当中有一些是需要用实验证明的假设。在Einstein 1905年论文中却没有这样的实验证明，因而Einstein把自己的作法称为“借助于某些物理经验”的公设。概括而言，1905年Einstein的陈述为：在空间的两处(A, B)各放1只相同的钟，发生在A处的事件相应的时间为，B处的事件相应的时间为；但仍缺少对公共时间的定义。现在规定光信号A→B所需时间为-，它等于光信号反射回到A点所需时间-，即

-=-                                  (8)

那么这两只钟是同步的…… Einstein的上述“规定”，实际上是对他的第二公设(光速不变原理)的描述，因为式(8)实际上为

=                                    (9)

即=；但这个假定需要实验证明，Einstein却拿不出这样的证明。2004年林金指出，在现代技术中、、都是可观测量，用航天技术手段可以检验Einstein等式是否成立^[15]。这个问题也可以从另一角度看，Einstein等式实际上为

=(+)                                (10)

这是算术平均值的时间定义，建立在光速不变的假设之上。

-=-这个假定成立的式子表示：光在“往”和“返”同样路程时所需的单程时间相同，亦即“光速与光的进行方向无关”。这样一来，“光速不变原理”（或“光速恒定性原理”）就成为一个必不可少的理论假设。但是，这当然是一件尚待实验证明的事情。

现在从另一角度看说明Einstein的思想及其内在的矛盾性。与第二公设相联系的另一核心概念是“同时性的相对性”。设在A点的钟可定义在A处事件的时间，在B点的钟可定义在B处事件的时间，但如何比较及? 需要一个“同时性”定义。为此，Einstein提出光速不变假设。如在发送光脉冲，则B处时钟指示的时间为

=+                                         (11)

式中L是两点间距，是A→B的单向光速。不可观测，因它取决于钟A和B的事先同步(单向光速与同时性定义有关)。

现在Einstein按==而定义同时性，这与按回路光速不变原理出发而定义不同(迄今各种实验只证明回路光速不变，而非单向光速不变)。光速不变原理如正确，则时间、同时性不是绝对的: 长度测量也失去绝对性(在不同惯性系中测量得到结果不同)。

必须指出，光速不变的绝对性与强调运动相对性的狭义相对性原理是不相容的。在SR的两条基本假设之间存在着不可调和的矛盾，这一点已在20世纪70年代由E.Silvertooth证明了。虽然Einstein本人对此也心存疑虑并试图证明只存在表观矛盾，但未能解决二者的相容性。实际上在Einstein用同时的相对性和长度收缩这两个由公设导出的推论来证明相容性时，已经犯了本末倒置和逻辑循环的错误。Einstein断言没有绝对运动以坚持相对性原理，又把无静止系因而是绝对运动的光引入来构造第二公设，两个公设互不相容极其明显。

更多的意见认为，光速不变原理现有的表述都是假设，至今缺乏真正的实验证明。这是连相对论学者都承认的，例如张元仲^[18]指出，说“光速不变已为实验证明”并不确实。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；但许多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年重印本再次强调单向光速不可预测，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”。张元仲认为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。（文献[18]列举的多个实验都是为了证明回路光速不变原理的）。

在实验方面，文献[18]列出了“光速不变性”方面的实验共12个（从1881年到1972年），“光速与光源运动无关性”方面的实验共16个（从1913年到1966年）。但前者只说明回路光速不变原理，后者只适用于<<  的情况。

6  中国航天专家用实验证明光速与光传播方向有关

必须强调指出，近年来，中国科学家已做出独特的贡献，用精心设计的实验，经长期研究后得到了可靠的数据，从而证伪了“光速不变原理”。这里我们只谈两件事；首先，美国St.Cloud州立大学的王汝涌(R.Wang)教授用现代科技重做Sagnac类型实验，使用了运动光纤、空心光纤、呈之字形移动的光纤以及分段的光纤，在不同速度条件下做了现代的Sagnac实验，证明速度对来回运动的光纤中的光传播有影响，光的传播时间是不同的。2005年王汝涌^[19]说：“我们的结果证伪了光速不变原理”(“a result falsifying the principle of the light-speed constancy”)。

这里要突出地介绍航天专家林金院士领导的团队所做的实验，它具有大规模、大气魄，设计精细，实验数据多样精确。林金是中国运载火箭技术研究院的杰出科学家；国际宇航科学院院士，是卫星导航技术的著名专家。他那独创和新颖的基于火箭测量的重新定义空间、时间的见解和方法^[20]，在科学界受到关注并得到赞扬。团队中还有中国科学院国家授时中心等单位的专家。这个团队并非以物理学为专业，也不是故意要“找相对论的毛病”。他们是在长期的航天实践中发现SR理论有问题，才下决心做这项研究。有关工作得到了国家的经费支持，最后在中国航天科技集团公司主持下召开了成果鉴定会，获得了通过。研究结果的论文在2009年1月发表^[21]。论文题目是“爱因斯坦光速不变假设的判决性实验检验”。

林金团队利用航天高新技术在大尺度距离上借助卫星进行实验，是一项绝无仅有的工作。如所周知，世界在1957年进入了航天时代。时间技术（原子钟及时间信号远距离传递）加上卫星通信技术（导航电文），使得单程光（电磁）信号成为现实。于是具备了实验条件来检验Einstein在1905年论文中的假设定义等式-=-是否真实成立。2008年林金等在中国科学院国家授时中心（原陕西天文台）的TWSTT(双向卫星时间传递)设施上完成了对Einstein 1905年的同时性定义的判决性实验。实验观测数据证明，在存在相对运动情况下，Einstein假设的等式是不成立的！实验检验的原理是基于狭义相对性原理和单程光（电磁）信号同时性定义。检验原理通过对比单程光信号同时性定义和Einstein双程光信号同时性定义的测量机制证明：在A和B间有相对运动的情况下，把双程光信号分解成“往”和“返”两个单程光信号的信号传递时间是必然不相等的。在林金等的实验中，西安临潼地面观测站和乌鲁木齐地面观测站的铯原子钟，分别通过鑫诺卫星和中卫一号卫星进行双向时间传递。观测数据证明，卫星和地面站之间存在的相对速度虽然只有1m/s量级，但是由于信号通过同步卫星传递的距离达到72000公里的量级，造成西安临潼站和乌鲁木齐站之间“往”和“返”两个单程信号通过的时间不相等，差值为1.5ns量级。观测结果验证了林金理论分析的结论，实验中不确定度在±0.01ns量级。

图1是航天专家林金率领的团队的实验系统示意。

图1  林金团队实验的示意图

这项由航天大系统完成的、在地面实验室不可能实施的判决性实验结果，动摇了SR的一块基石。因此林金认为从卫星系统和惯性导航测量原理的视角，应当重新再思考传统的时间和空间理论。从卫星导航特有的单向光（电磁）信号视角应重新恢复Galilei变换的地位。

从表面上看，只要有一个地面站（当作A点）和一个卫星（当作B点）就可以做实验了。但实际上井非如此；现代原子钟技术和航天技术的发展使得利用单程光信号进行时间同步成为可能，双向卫星时间传递(Two Way Satellite Time Transfer，TWSTT)概念正是利用远距离的两台原子钟同时各向对方发射电磁信号（不同钟同时刻的秒脉冲）来实现远距离原子钟时间同步的。现在，林金等采用两台（分处两地）原子钟、，原则上它们应同时向对方发射光信号。实际上和为地球上相隔遥远距离并随地球在地心惯性系中转动的观测站，无法实现直接视线方向的观测和通信，所以技术上钟和钟的双向单程光信号时间同步的观测模型是通过地球同步定点通信卫星转发实现的。

实验数据的搜集，分成两个大组：①临潼站与乌鲁木齐站通过鑫诺卫星转发观测数据；②临潼站与乌鲁木齐站通过中卫1号卫星转发观测数据。国家授时中心对信号传递各环节的时延进行了仔细的标定，并进行了经常性或实时的监测，从多年长期记录的原始观测数据分析可以看出数据精确稳定。林金团队以2008年2月18日12时至13时原始观测数据为例作了说明。林金认为观测数据证明卫星和地面站之间存在1m/s量级的相对速度会造成西安临潼站和乌鲁木齐站之间“往”和“返”两个单程信号通过的时间不相等，差值在1.5ns量级；观测结果的不确定度在±0.01ns量级。Einstein 1905年以定义方式引进的等式-=-，在有相对运动情况下不成立。笔者认为，这是一个大气魄的实验，而且很重要，航天大国（美国、俄罗斯）都没有做过。

那么，是不是卫星漂移造成光信号“往”、“返”路程不等造成林金测到的时间差？英国Notinham大学中国分校的马青平教授是研究SR理论的专家，他的两种专著(中文著作在上海出版、英文著作在纽约出版)^[22,23]。笔者建议他研究这个问题，他读了有关材料后写了一篇文章“试论林金实验的意义”（待发表），其中的摘要说：

“2009年发表的林金团队用卫星进行的的双程光信号传递实验，发现‘往’和‘返’两个单程信号通过的时间不相等。我们对林金实验的意义进行了分析。过去的很多实验测量早已证明旋转系中光速可变，地球表面东西向光速不同，即Sagnac效应。林金实验在排除Sagnac效应后测到了1m/s卫星漂移速度引起的‘往’和‘返’两个单程光信号传递所需的时间差。有人认为时间差是卫星漂移造成往和返光信号传递路程不等所致。但相对速度的变化就是由于相对物体的运动造成实际路程的变化，所以林金实验测量到的时间差就是往和返光信号相对速度不同造成的。基于卫星漂移造成往和返光信号相对速度不同对林金实验理论值的估计，我们精确地得到了林金实验的测量值(1.6ns)，故认为林金实验显然不支持爱因斯坦的光速不变假设。”

因此，马教授经过详细分析后得出的结论是，林金团队测到的时间差并非由卫星的漂移运动所引起的。他说，林金实验证明了电磁信号中转卫星漂移条件下的单向光速可变。马青平所作计算得到时间差为1.6ns，与林金等测出的1.5ns非常一致。此外他还建议了在太空中做更理想实验的方案。

我们的结论是，中国科学家站在新时代的起点上，把问题作了深化和解读。林金等的论文题目即表明他要做一个对Einstein光速不变假设的判决性实验检验。他们在几万公里大尺度上做成功实验，检验了“单向光速是否各向同性”，得出了否定的结论，回答了长久以来的问题。因此，笔者认为林金实验可能动摇了SR的基石。同时，也证明了本文的论点，即现行米定义需要改进。

7  光速可能随时间有微小变化

近年来国际物理界对基本物理常数却有一些新的议论，其中有两件事是很令人感兴趣的。首先，已知的基本物理常数为什么就是这么大? 或者说，表达物理世界特征的所有可测量量纲为一参数原则上是否都可以推算? 实际上，迄今无人知道这些常数为什么就是这么大。虽然科学家们已能在实验室中通过非常复杂的技术极精确地确定这些常数，但对其起源仍一无所知。有一种看法认为，正是这些常数值决定了银河系、恒星这些宇宙构成可以存在的条件，并为生命的诞生和发展创造了前提。但这就有点像“人择原理”，即把一切都看成是为了人类的诞生和存在服务的。然而地球和人类都不是宇宙的中心，它们的存在与否对浩渺的字宙而言其实无关紧要。可以想象“上帝创世”时的情况——在引发大爆炸前，“上帝”(自然界)坐在控制台前揣摩:“我该把光速定在多少?”“我该给电子带上多少电荷?”“我该怎样给决定量子大小的参数(h)取值?”人们不清楚，“上帝”是经过深思熟虑还是随便抓来几个数字，便创造了宇宙的一切。

另外，研究表明“常数”一词可能不太恰当，因它们或许随时间、空间而变。自1930年起，研究人员即推测一些常数并不恒定。现在国际上流行两个词语：inconstant constants”(“不常的常数”)，和“not so-constancy constants”(“不那么恒定的常数”)。这些是由相关的研究而起。2001年J. Webb^[24]领导的国际研究组利用设置在美国夏威夷的世界最大天文望远镜对宇宙深空最遥远的一些类星体进行观察研究后发现，亿万年前的微观结构常数比现行值小，由此判断在宇宙演化的早期的光速比现在大。精细结构常数(FSC)的定义为

                                         (12)

国际计量界给出的标准值为^-1=137.03599761。物理学家J. Barrow当初是Webb小组的成员之一，参加研究达两年之久。他说:“我们观察不同化学元素的吸收谱线间隔(它取决于发生吸收时红移中的任何微小变化); 由于光是在5~11Ga前离开这些星辰的，把观察到的谱线间隔同现在实验室测到的谱线间隔作比较，就可以判断在过去11Ga内有否变化。在两年里，观测了147个类星体，结果大大出乎意料——早期的值比现在小了7×10^-6左右”。他的话表明，如按年头平均，相当于=5×10^-16a^-1(观测区间为3Ga至11Ga前)。这看起来不大，但作为物理常数却不允许有这样的年变化。因此在国际科学界有人说，这是50年来实验物理学惊人的发现之一。另外，2004年7月3日出版的英国刊物New Scientist报道说^[20]，一个月前对西非Oklo核反应堆的实验数据作再分析后得到的结果是: 在过去2Ga内增大了4.5×10^-8，故在过去比现在略小。这结论与Webb小组是一致的。

构成精细结构常数的要素有3个，即h, e, c; 那么，的变化是谁造成的? 为简单计，只考虑一种可能的情况，即e, h, c这三者之一未能保持恒定。即便如此，也存在各种不同的观点。2002年8月，物理学家P. Davies^[25]在《Nature》杂志上阐述了他领导的研究组对Webb小组的文章作研究后得出的结果。为了确定究竟是哪个物理常数可能发生变化，Davies小组应用了热力学第二定律等分析手段。结果认为可能是光速c并非恒定不变所造成，光速在数十亿年间减慢了。果真如此，他认为或许要放弃相对论和E=mc²公式！Webb的观测表明，放出类星体光的原子结构和人类所见原子结构稍有不同，但这一差异有重大意义。

即使精细结构常数的变化不是由光速c所造成，而是由电子电荷e或Planck常数h所引起，也会对SI制中的基本单位(kg和A)造成影响。总之，不能认为从基本物理常数出发给出基本计量单位的定义一定是效果最好的。

8  结束语

必须承认，物理学的发展对计量学有很大影响。用先进的物理学理论成果或实验成果来促进(甚至改造)计量学不是什么坏事。但如今物理学家常常分歧很大，感觉自己站在十字路口，这时计量学家就应慎重。今后，物理学如要成为计量学的基础和带动者，自己就必须力求正确。提出这样的要求并不过份。

例如SR中光速不变原理，如认为它可以作为米定义的理论基础，就可能有问题。本文指出，其实早在1911年Einstein自己就否定了光速不变原理，理由是引力势使光速变慢。Einstein经常前后矛盾，令人无所适从；光速的事情只是例证之一。……有人认为百多年来SR理论已树立起权威地位，不会有错。这种看法并不正确。实际上多年来在科学界一直有人提出与光速不变原理不同的意见。1936年，A.Proca^[26]提出了在考虑光子静止质量(≠0)时的对Maxwell方程组的修正；而在Proca方程组的理论体系中，光速不变原理不再正确，光速将与电磁波的频率有关。

作为SR的两个基石之一的光速不变原理，只是Einstein为了保留原来基于静止以太的物理方程的数学形式，而用定义作为一种处理手段；即定义光信号通过“往”和“返”两个单程的时间相等。然而这个论断已被中国科学家的大尺度实验推倒了。

另外，长度单位(米)和时间单位(秒)都是基本单位，二者本来相互独立，相互没有影响，更不会相互依存。但按现行米定义中即包含了“多少多少秒”的说法，这就使米定义失去了其应有的独立性；这是不能允许的。……总之，本文列举了许多理由，都证明1983年米定义需要改革。

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On the relation between Metrology and Physics

and the definition of meter in Length measurement

HUANG  Zhi-Xun

（Communication University of China, Beijing 100024）

Abstract: Compared with Physics, the origin of Metrology is more ancient. But in modern times, in common situation the Metrology instructed to learn Physics well. However, Metrology can maintain its independence and has an instinctive rejection and correction function to inappropriate physical theories. For example, the theory of special relativity(SR) and the theory of general relativity(GR) use the concept of Minkowski’s spacetime, but sanse has no space in Metrology, the SI maintains its own independence in the unit of time(second) and length(meter). Spacetime can’t be a single physical quantity, and no one has assigned an unit to it. In effect, it is econometrics silent rejection of what is great and good in Physics.

In 1983, the 17th International Metrology Conference (CGPM-17) adopted the definition of meter：“Meter is the length of the journey of light in vacuum of (299792458)^-1s”. This definition immobilized light speed =299792458m/s in vacuum, and properly defined the uncertainty of is zero, and the further accurate measurement of light speed is forbidden.

The bigger problem is that the unit “meter” in this definition is influenced by the other unit “second”. On the one hand, the “meter” is removed from the position of basic unit. At the same time, the length unit and the time unit lose their separate independence from each other. Then, we think this definition is flawed.

It has been 38 years since 1983, and the problem existing in the current definition of the meter have gradually emerged. First, the experimental research in the first decade of this century has actually falsified the invariable principle of the light speed, and that principle is the theoretical basis of the current definition of meter. Secondly, there are many doubts about the constancy and stability of light speed in vacuum. For example, the definition “in a vacuum” does not specify what a vacuum is, and in 1983 it could only have been an engineering vacuum. But now we know that when we think about quantum physics the concept of vacuum, is a fluctuating value, not a constancy constant. The analysis also confirms that the high accuracy required by the undefined is affected by both Casimir effect and vacuum polarization effect, which effect the constancy and stability of light speed.

This paper also holds that it should not be absolutized and idealized to set up the bench mark from the basic physical constants, for there has long been a saying of “inconstant constants” in the physical cycle. …… The improvement of the meter definition may be linked to the proposed “improvement of second definition”. Because the question of redefining the “second” is on the agenda. The second definition can be modified, as can the meter definition.

Key words: Metrology；length measurement；meter’s definition of 1983；principe of light speed constancy；physical vacuum

作者简介：黄志洵（1936-），中国传媒大学教授、博士生导师，中国科学院电子学研究所客座研究员。

E-mail: huangzhixun75@163.com