中微子传奇，上篇；（C）来自于相对论专家的遐思迩想（续）

记号说明：GR——General Relativity广义相对论

（GR，4）1964年美国物理学家夏皮罗等人（Irwin Shapiro）发表文章（【Shapiro1964】），阐述了对广义相对论进行所谓“第四次”实验检验的理论框架（注GR4a）；后又于1968年与1971年两次发表文章（【Shapiro1968a】，【Shapiro1971】），声称行星间雷达延时数据证实了广义相对论所预测的引力对光的延迟效应。但acarefreeman在经过对这些理论与实验结果以及它们所产生的物理与人文背景进行认真的分析与思考之后得出结论，这些结果不仅严重可疑，而且事实上涉嫌学术造假，以下列举其中的一些证据：

一、实验者所意欲确立的理论其实是一个移动目标；比如夏皮罗就承认，他自己曾经认为天体引力场不会对光的传播速度产生任何影响（注GR4b），但是在经过别人的提醒，或者在看到相反的实验证据，或者有迹象显示将会出现这样的证据之后，又改称广义相对论其实要求引力场对光速也能产生影响，亦即承认此前对该理论出现了误解（【Butrica1996】，P. 127）。二、一如此前有关广义相对论的其它实验，这个“第四次”实验的待验效应也同样处于当时实验仪器的精度边缘（【Butrica1996】，P. 127，P. 128；注GR4c），因而即便所寻求的效应真的存在，有关观测结果也有一个可信度甚至可信性的问题，更不要说这些观测结果几乎注定会被多个其它也有待于检验或确定的重大因素污染了；更多细节可参见下文。三、相关实验的理论框架原本有两个基本前提：1、光是有引力质量的实物粒子，从而天体引力会延迟光信号的传播（【Einstein1911】；注GR4d），2、引力可以导致钟慢或尺缩效应（【Einstein1916】；【Poor1927】；注GR4e）；但事实上这些前提均不成立（注GR4f），所以，所谓的广义相对论引力延时效应从来就没有一个正确的或严格的理论基础（注GR4g）。四、事实上，种种迹象表明，雷达波经过太阳附近时其传播速度被减缓或其传播方向被偏折的真实原因是太阳日冕（注GR4h）或星际物质（注GR4i）的折射作用，而非太阳引力场的作用；有意思的是，由于日冕对星光的偏折作用足以解释所谓证实了广义相对论的1919年日食实验，因而接受日冕这一解释恰恰否定了广义相对论中的引力场可以偏折光信号的假设；但可悲的是，实验者不仅无视以上这样一个极其重要的事实，而且下决心要从太阳日冕或星际物质因素中为广义相对论寻找所谓新的证据。五、有关实验计划检验的所谓太阳引力场对雷达信号的延迟效应其大小只是其它背景干扰如行星公转运动、太阳日冕以及行星自转运动等所产生的延时效应的几百分之一至几分之一不等（注GR4j），因而即使待验效应真的存在，当时的技术也没有办法把它从别的因素中分离出来，事实上连作者本人也明确承认这一点（【Shapiro1968a】，P. 1268；【Shapiro1968b】，P. 150）；然而一个更加严重的问题却是，实验者对数倍乃至数百倍于所寻求效应的行星自转与公转干扰因素似乎存在着认知偏差（【Shapiro1968b】，P. 150；注GR4k），这就使得从它们之中准确分辨出所谓的引力延时效应更加困难甚至完全没有了可能。六、实验者最初获所得的所谓引力延时数据其实只有理论预测数值的十分之一不到（【Shapiro1971】，P. 1132），这本来已经足以否定相关理论，但这丝毫挡不住实验者以“抢救”理论的名义对实验数据进行操作与加工，并最终获得想要的实验结果；七、有足够的证据与理由相信实验者在相关问题上的诚信已经严重缺失；比如：A、夏皮罗于1964年夏天曾向MIT当时的教务长陶恩斯（Charles Townes）明确表示（【Butrica1996】，P. 127），“我们将永远无法发现这一效应（指广义相对论中引力对光速的延迟效应），因为源于太阳日冕的等离子体效应原则上也属于同一性质，但后者的变化幅度却远远超过我们正在寻找的相对论效应，所以我们永远也无法把所需的效应挑拣出来”；但是几个月后，亦即于1964年的10月，在没有获得进一步的理论或实验证据的情况下他又否定了此前的想法，并着手广义相对论效应的理论推导与实验验证工作；B、根据公开报道，当初实验者已经对相关实验结果表示过失望（注GR4l），但最终竟然在失望的数据基础上号称获得了理想的实验结果，这就必然提出这样一个严肃的问题：相关结论究竟是对实验数据以及其内所蕴含的物理规律的忠实反映，还是赤裸裸的人为数据操纵的结果？C、作者曾经宣称（【Shapiro1968b】，P. 159），在对包括广义相对论等在内的理论的实验检验过程中，如果发现理论错了，那么便不妨选择性地使用数据参数以便掩盖理论的不足（比如通过最小二乘曲线拟合方法）；这段话可以说是一语道破了这次广义相对论效应实验验证的“天机”；D、由于对相对论延时效应的单独检验并不成功，实验者便通过以上所说的最小二乘法同时引入并调整总共24个参数（【Shapiro1971】，P. 1133），并声称获得了理想的实验结果，但问题是，在有多个比待验效应大几倍到几百倍甚至上千倍的背景因素参与下，这样的结果还有丝毫的可信性吗（注GR4m）？E、最后，实验者一方面声称有关实验数据证实了太阳引力延迟雷达信号的所谓广义相对论效应，但是另一方面却又避而不谈这些数据对狭义相对论中所谓光速常数原理的明确否定，而后者在数量级上却是前者的数百倍乃至上千倍；而最为恶劣的是，夏皮罗在其他物理学家的一再追问下，竟然还煞费苦心地对光速常数原理被否定这一重要信息以及相关数据进行隐瞒，不过，这是我们准备单独讲述的另外一个故事。

敏锐的读者应该已经意识到，以上信息中至少有三条均已独立地否定了广义相对论的所谓引力场延迟光信号效应：其中的第（三）条从理论层面直接否定了这样的效应的存在；第（四）条则从实验层面否定了导出这一效应的理论的正确性，从而也否定了这样的效应的存在；而第（六）条则以实验数据直接否定了所寻求的效应；正因为此，围绕着所谓广义相对论“第四次”实验验证的其它环节如数据操纵甚至造假无疑都是事情发展的合乎逻辑的必然。

俗语有之：外行看热闹，内行看门道；但acarefreeman要说：如今作为门外汉的读者，您连把理论物理某些领域内的热闹看真切都会越来越成为一种奢侈，因为即便你有幸躲过某些骗局，但你又何曾拥有一双可以时时洞穿表象与假象的慧眼？

注GR4a：学术界所认定的有关广义相对论的前三次实验检验分别为：1、水星公转轨道的近日点进动，即近日点随时间的缓慢偏移，2、太阳引力对穿越其附近的星光的偏折作用，即让星光偏离原来的直线传播方向，3、光在引力场中的红移现象，即光的波长增大；所以这里夏皮罗把所谓引力场对光的延迟效应称为有关广义相对论的第四次实验检验。

注GR4b：根据爱因斯坦对作为狭义相对论基本前提之一的相对性原理（以下简称狭义相对性原理）的理解，光速在所有做匀速直线运动的参照系（以下简称惯性参照系）内都是同一常数c，但由于作为广义相对论基本内容之一的所谓广义相对性原理通常被认为是对狭义相对性原理的自然推广，所以对广义相对性原理一个最常见的理解便是它意味着光速不管是在惯性系还是非惯性系都是同一个常数c。由于在爱因斯坦的眼里，引力场是与相应大小的加速度场等价的，因而以上理解也就意味着引力场对光速不产生任何影响，这应该就是文中第（一）段末尾提到的对广义相对论误解的根源。请注意，如果所有实验证据都表明引力场无法对光速产生影响，那么广义相对论肯定会被宣布是对的；但如果有证据表明或暗示引力场会对光速产生影响——正像夏皮罗等人当时所力求证实的那样，那么广义相对论仍将被宣布是对的，正因如此，acarefreeman在这里断言相对论专家们所确立或捍卫的其实是一个移动目标，而不管读者是否意识到了，或者不管他们是否相信，这一点其实正是相对论总是“正确”的“秘密”之一。

注GR4c：这里所引用的参考文献表明，物理学家正力图把验证广义相对论效应这件当时认为不可能的事情转为现实；不可能的原因便是仪器精度不够，而他们实现目标的核心手段之一便是提高实验仪器的精度，所以这里acarefreeman断言待验效应处于仪器精度的边缘。我们已在别处提到，或者将要提到，这个情况也适用于有关广义相对论的其它几个经典实验。

注GR4d：在所谓引力对光的延迟或偏折效应的有关推导中，爱因斯坦假定了引力会对光做功，这表明他实际上是把光当做有引力质量的实物粒子了——正如牛顿早前所做的那样，由于引力会吸引物质粒子并改变其不受力情况下所预定的直线运动路径，所以如果给定的前提是成立的，则预期引力会延迟光的传播当然也是有道理的。

注GR4e：如果引力会对光做功，那么引力势能便转化为了光的动能与运动速度了，这是广义相对论的内容；然后再根据狭义相对论，运动速度必然导致钟慢与尺缩，于是便有了这里的结论；所以引力导致钟慢或尺缩实际上涉及了两个假设：一个来自于广义相对论，一个来自于狭义相对论。

注GR4f：由于相关实验已经证实了在实验所能达到的精度范围内光的静止质量亦即引力质量为零，所以这里的推理前提根本不成立，因而相应的结论即引力会减缓光速当然也不成立。关于在运动条件下钟慢与尺缩效应不存在的问题，我们已在别处狭义相对论科普中做了论证。虽然如此，理论上仍然无法排除引力可以直接作用于时钟或直尺从而产生所需的相对论效应的可能；但事实上，由于引力对运作机制不同的时钟如原子钟与单摆所产生的影响从定性到定量都可以不同，而引力对不同摆放方式的直尺的影响也可以从定性到定量有所不同，所以抽象地谈论所谓引力对时空的作用或影响必然导致错谬并误入歧途。

注GR4g：由于根据麦克斯韦电磁理论，真空中的光速c是由真空的电容率ε与磁导率μ所决定的，即c=1/√（ε*μ），所以引力对光速产生影响的唯一可能方式便是它改变真空的电磁特性，但迄今为止acarefreeman没有看到任何这样的理论或实验证据存在。

注GR4h：如前所述，日冕为太阳周围绵延数百万公里的等离子态物质，它延迟光速的核心机制为其中所含的丰富的电子与光的相互作用；更多细节可参见下文以及有关注解。

注GR4i：理论上，不一定所有的星际物质都含有丰富的电子，但由于任何物质都可以折射并延迟光信号，所以这里把一般的星际物质与太阳日冕分离了开来。

注GR4j：以地球与金星之间传递的雷达信号为例，假定地球公转轨道半径为1.5亿公里，金星轨道半径为1.08亿公里，地球公转速度为V=30公里/秒，地球赤道上自转的线速度为v=0.465公里/秒，光速c=30万公里/秒，则当地球与金星相距最近时（inferior conjunction），光信号在二者之间往返传播大约需要2*（1.5亿公里-1.08亿公里）/（30万公里/秒）=280秒，于是在忽略了地球公转运动条件下所导致的最大距离误差为280秒*30公里/秒=8400公里，折合为光速延时大小为8400公里/30万公里/秒=0.028秒，它是对应的广义相对论延时效应0.00002秒的大约1400倍；而在忽略了地球自转运动条件下所导致的距离误差为280秒*0.465公里/秒=130公里，折合为光速延时大小为130公里/30万公里/秒=0.0004秒，它是对应的广义相对论延时效应0.00002秒的大约20倍。类似地，当地球与金星相距最远时（superior conjunction），光信号在二者之间往返传播大约需要2*（1.5亿公里+1.08亿公里）/（30万公里/秒）=1720秒，于是此时在忽略了地球公转运动条件下所导致的最大距离误差为1720秒*30公里/秒=51600公里，折合为光速延时大小为51600公里/30万公里/秒=0.172秒，这时它是对应的广义相对论延时效应0.0002秒的大约860倍；而在忽略了地球自转运动条件下所导致的距离误差为1720秒*0.465公里/秒=800公里，折合为光速延时大小为800公里/30万公里/秒=0.0027秒，这时它是对应的广义相对论延时效应0.0002秒的大约13.5倍。如果在以上计算中使用的是金星的公转运动速度（大约35公里/秒），则这个运动所产生的延时效应比地球产生的还要大。至于日冕对光的延时效应，根据夏皮罗自己的一个计算，这个效应的大小为0.00037秒，这是他所估算的广义相对论延时效应0.00014秒的两倍多。这样，除非夏皮罗有办法精确描述以上背景干扰，并且有办法把待验的广义相对论效应从背景干扰中成功地分离出来，否则任何宣称有关实验证实了广义相对论的做法都是不可信的，也是不负责任的。

注GR4k：在所引用的参考文献处夏皮罗声称，为了更准确地确定雷达信号在地球与金星之间传播时的用时，需要从光速常数c减去金地之间距离的时间变化率（后者亦即地球与金星之间的相对运动速度），并以此数值作为对光速的一阶修正，然后再进行有关运算；但事实上，要考虑的不是金地之间的相对速度，而是二者分别相对于太阳系质心惯性系（或粗略地，相对于太阳）的运动速度；请注意，两种算法之间存在着巨大的偏差。所以acarefreeman在文中断言当时夏皮罗对行星自转与公转干扰因素的认知存在严重偏差。可以证明夏皮罗并不完全理解金地之间雷达信号传播机制的另一个证据是，他在以上文献中并未给出雷达信号的传播方程，而据acarefreeman所知，这个精确的传播方程直到上世纪九十年代初期才第一次公开发表。此外，1968年前后，与夏皮罗就光速问题发生争执的物理学家华莱士（Bryan Wallace）也相信他当时并未从星际雷达测距数据中获得并掌握雷达信号的精确传播机制；稍后我们会讲述与此有关的更多细节。

注GR4l：这里是有关报道：http://news.mit.edu/2005/einstein

注GR4m：由于实验者所使用的只是对实验数据进行逼近或近似的最小二乘法，不是对相关参数的精确确定，而且由于多个背景干扰因素其数值可以是待验效应的数倍乃至数百倍，所以那怕某一个干扰因素的微小偏差也可以产生所需的延时效应，更不要说这些因素的综合效果了；有鉴于此，我们可以得出结论：实验者其实并非是在揭示任何科学真理，而是在玩弄纯粹的数字游戏；当然，只要他们心中有一个意欲证实广义相对论正确性的“神圣”目标，他们也只能这样做，因为如前所述，不仅有诸多干扰因素存在且当时还无法被精确描述，而且即使能够精确描述它们，以当时的技术也根本无法把处于实验仪器精度边缘的所谓的引力延迟光信号效应从这些数倍乃至数百倍于待验效应的干扰因素中分离出来。

网上可免费阅读或免费下载的参考文献：

1、              上世纪六十至九十年代美国物理学家探测太阳系诸行星的故事：To See the Unseen: A History of Planetary Radar Astronomy，by Andrew Butrica；网上阅读链接：https://archive.org/stream/toseeunseenhisto00butrrich/toseeunseenhisto00butrrich_djvu.txt；其pdf文档下载链接：https://ia601407.us.archive.org/33/items/toseeunseenhisto00butrrich/toseeunseenhisto00butrrich.pdf

2、              美国1968年出版也讲述行星探测故事的雷达天文学专著：Radar Astronomy，by John V. Evans & Tor Hagfors；网上阅读链接：https://archive.org/stream/RadarAstronomy/EvansHagfors-RadarAstronomy_djvu.txt；其pdf文档下载链接：https://ia800700.us.archive.org/15/items/RadarAstronomy/EvansHagfors-RadarAstronomy.pdf

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