谈谈哈菲尔基廷实验

谈谈哈菲尔基廷实验

戴榕菁

1971年物理学家哈菲尔（Hafele）和天文学家基廷（Keating）带着一组当时最先进的原子钟搭乘民航机分别向东和向西进行环绕地球的飞行来一次性验证狭义相对论和广义相对论的实验。

这里有几个重要的看点：

首先，他们是在飞行前后将携带的原子钟与地面上的参照钟对比。尽管不知他们是如何乘坐民航做环球旅行，并能在结束旅行时与地面上的参照钟做准确的核对的（机场管理混乱？），但有一点可以肯定，他们所检验的并非实时的时间效应，而是著名的孪生子悖论。

有关孪生子悖论这个话题，YouTube牛人Dialect给出了一系列极为精彩的视频，将包括爱因斯坦在内的所有关于孪生子悖论的解释批得淋漓尽致。当然，运用Dialect的分析，也不难将哈菲尔基廷的逻辑驳倒。所以，我这里就不重复Dialect的工作，而是强烈推荐大家去观看Dialect的相关视频【[1],[2],[3],[4],[5]】。不过，同时也要指出Dialect的相关工作在2023年8月5日有关孪生子悖论的收官视频【[6]】出现了令人非常遗憾的虎头蛇尾的现象：他给该视频打出了非常漂亮（也正确的）标题 --- What Time Dilation ACTUALLY Is In Relativity (Hint: It has nothing to do with time)，而且整个视频的绝大部分时间也确实向着诠释这一主题的方向努力，但在视频的最后，不知因为害怕还是受到什么压力，他将光波和他在视频中用来解释与时间无关但产生时间延迟幻觉的声波做了切割，这使得他的那个视频完全失去了存在的价值。

第二，虽然哈菲尔和基廷的目标很明确，就是验证狭义相对论和广义相对论，但是如果你对狭义相对论和广义相对论有哪怕是最基本的了解的话，在读了他们相关文章以及后人介绍他们的实验的文章【[7],[8],[9]】后，你很有可能会顿时就懵逼了：他们得出的结论居然与洛伦兹的理论及爱因斯坦的相对论大相径庭：

1）不论是洛伦兹还是爱因斯坦，都声称动钟是变慢的，不论它是向哪个方向飞。这是因为运动速度在那个洛伦兹因子中是以平方的形式出现的。

但是，哈菲尔和基廷的实验结果却告诉你如果飞机向东飞那么时间是变快的，向西飞则时间是变慢的。见下图：

如果我们把他们的结果直接运用到孪生子悖论上的话，那就是说向东飞会老得快，向西飞会保持年轻；

2）广义相对论告诉我们，在高空中时间变快。但是，哈菲尔和基廷的实验结果却告诉你高空中的时间不论向东飞还是向西飞都是变慢的。

第三，尽管哈菲尔和基廷的实验给出的结论与洛伦兹和爱因斯坦的理论大相径庭，他们自己以及他们之后的全世界的所有物理学家和科普大军都把他们的实验作为验证相对论的几大著名实验之一。这里我要提出与前面两篇文章【[10],[11]】中所问的问题类似的问题，既然相对论被认为这么重要，为什么没给证明了狭义和广义相对论的哈菲尔和基廷发诺贝尔奖？那些被认为证明了贝尔不等式的不都得到诺贝尔奖了吗？

第四，或许因为感觉仅验证所谓的孪生子悖论不过瘾，1975年和1976年马里兰大学的团队在马里兰的Cheasepaeke Bay做了类似的实验。不过这次他们没有环绕地球，而只是在十公里的上空，以500公里/小时的速度飞了15个小时【8】。他们解释说飞速保持在500公里/小时是为了降低速度的影响。。。。这又是一个让人懵逼的逻辑----相对论速度效应是在接近光速时才显著，你要降低速度的影响？

在他们这个实验中为了不再仅仅是验证孪生子悖论而是要实时地测量时间差，他们每隔0.1纳秒（ns）就由地面向飞机发射一束激光，该光束从飞机上反射回地面接收站。这又是一个让人极为困惑不解的操作：

1）很难想象他们如何做到在7500公里的范围内，可以在地面站一直保持对飞机的直线观测而不会因为地球表面的弯曲失去向飞机发射激光的条件。

2）他们把激光打到飞机表面反射回来能说明什么问题？那根本不能作为飞机上的原子钟的读数！而他们需要对比的是飞机上原子钟与地面的原子钟读数之间的差别！！！

第五，如果回到爱因斯坦的狭义和广义相对论，那么象哈菲尔和基廷那样用飞机来测相对论效应的最大问题在于：速度导致时间变慢，而高度导致时间变快。因此，假如狭义相对论和广义相对论关于时间的理论都是正确的话，那么坐飞机测量两者的效果是抵消的。

被认为是世界第一的NIST实验室在2010年号称测出了每隔0.33米的重力延时效果是每79年里相差9百亿分之一秒[[12]]。考虑到在大气层中飞行根本无法避免气流的扰动造成的误差，另外地球的引力场本身不是均匀的，地表既不是光滑弯曲的更不是可以一直射激光的平坦的，再加上想象中的狭义相对论和广义相对论的效果的抵消，用飞机尤其是航速及实际高度根本不受控的民航机来验证狭义和广义相对论，而且是要实时地测量速度和高度的影响的想法本身就非常有趣！

结束语

相对论学者们的不懈努力使得作为人类文明的基础科学的物理学不再枯燥无味，而是满满的喜剧性，而哈菲尔和基廷的实验是极具代表性的一个例子。