1. 百年江湖

今年是爱因斯坦获得诺贝尔奖100周年，同时也是相对论落选诺贝尔奖100周年。100年来至今，“相对论”与“爱因斯坦”几乎已经成为同义词，也成就了诸多收获诺贝尔奖的成果（量子电动力学，弱电标准模型，引力波探测，等等）。然而，对人类科学和日常生活（比如GPS导航）都产生巨大影响的相对论本身，100年来始终与诺贝尔奖形同陌路。

100年前（1922）爱因斯坦为什么没有因相对论获得诺贝尔奖？八卦说法中的背锅侠是柏格森，都是当年他与爱因斯坦因那场两败俱伤的“是时间，还是时钟”的巴黎论道惹的祸。

柏格森当年在法国乃至整个欧洲都可谓是趋之若鸿一言九鼎的哲学和文化界泰斗。甚至远在东方的民国文人圈里都有“可以未闻康德，不可不知柏格森”（否则都不好意思和熟人打招呼）的说法。直到70，80年代，村上春树小说中还不时地引用柏格森以提高叉格。柏格森的生命哲学和爱因斯坦的相对论都以对时间的颠覆性洞见而广为人知。然而，前者源于康德，后者则对康师傅不以为然，甚至颇有微词。1922年4月，当这样两位大卫的后人在宇宙中心巴黎的学术会议上两王相遇，可想而知，从擦枪走火到唇枪舌剑，最后不欢而散在所难免。

俗话说神仙打架小鬼遭殃。这场火药味颇浓，闹的沸沸扬扬的辩论不但让今后一个世纪的哲学和物理学分道扬镳，殃及后来牛津剑桥的双料理工男霍金对哲学缺乏了解而闹了重新发明轮子的笑话，也让当年的诺贝尔奖评委对相对论望而却步，临时改变了主意。大概是为了规避选边之嫌，评委会将爱因斯坦的另一个家庭作业（光电效应）临时拉来充当替补，先给爱因斯坦塞了一粒糖豆，过几年又给柏格森补送了一颗话梅（诺贝尔文学奖）。

上面的故事涉及的幕后细节当然无从考证，权当八卦好了。比较靠谱有据可查的解释则是，当年学术界其实并不像今天这样普遍将爱因斯坦视为相对论（特别是狭义相对论）不容置疑的第一原创者。

E. Wittaker所著《A History of the Theories of Aether and Electricity》一书概括了相对论的发展史。从该书中我们可以看到，狭义相对论的主要内容，从洛伦兹变换及麦克斯韦方程协变性，相对性原理（1902，《Science and hypothesis》庞加莱），光速不变原理（1898，《 The Measure of Time》），到同时的相对性（1892洛伦兹-1900庞加莱），长度收缩，时间膨胀，甚至质能关系E=mc^2的原型（June 5，1905），其实都是洛伦兹以太理论（LET – Lorentz Ether Theory，见【1】）特别是庞加莱的第一原创（也见【2】）。所以，要公平地为狭义相对论发个诺贝尔奖，庞加莱和洛伦兹同样也会是优先候选者。

不过庞加莱也没有因狭义相对论（SR）或洛伦兹以太理论（LET）获得诺贝尔奖，而且还在今天的“相对论”话题中几乎被人遗忘。这其中第一个原因是运气不佳，当相对论被学术界广为接受时，特别是1922年当相对论摆到诺贝尔奖的评议桌上时，庞加莱已经作古多年。其二也许是曲高和寡接受度不高，庞加莱的LET文章对当年大多数物理学家来说往往过于抽象，特别是其超越同时代人的哲学讨论和纯数学推演。然而，今天教科书在相对论的讨论中略去这位第一原创的最主要原因则是，庞加莱的LET的物理解释和哲学讨论中保留了“以太”。

其实庞加莱LET中所讨论的“以太”既不是迈克尔逊实验寻找不到的那个作为光和麦克斯韦电磁波在真空中传播媒介的以太，也不是牛顿那个作为物质存在和物质运动得以可能的绝对时空，而是一个具有特殊地位的惯性参照系。也就是说，在庞加莱LET中，惯性参照系之间并不一定都具有同等地位。某个（或某些）具有特殊地位的惯性参照系被称之为“以太”。

与之相反，爱因斯坦的狭义相对论则彻底否定了以太。在狭义相对论中，所有惯性参照系之间都相互等价，相互对易，具有完全相同的地位，不存在一个具有特殊地位被称之为“以太”的惯性参照系。因为两套理论都基于洛伦兹变换，因此，狭义相对论与LET对诸多实验的预言往往完全一致，所有验证了狭义相对论的实验，同样也都证明了LET的正确。这个LET以太一时成了实验无法检验的形而上学。人们只是遵循“奥卡姆剃刀原则”，舍弃了看似节外生枝没有必要的LET“以太”，选择了相对优美简洁的爱因斯坦狭义相对论。

2. 风动，幡动，心动

之后几十年，作为无冕之王的相对论可以说是风生水起，几乎成了遇佛杀佛的神话，直到柏格森与爱因斯坦巴黎论道之后半个世纪，那个“是时间，还是时钟”的灵魂之问又重新摆在人们面前。

根据洛伦兹变换，狭义相对论和庞加莱洛伦兹的LET都预言了“时间膨胀”（time dilation），也称之为“运动的‘时钟’变慢”。比如，宇宙射线或粒子加速器中高速运动粒子的寿命都长于它们静止状态下的半衰期。

那么，到底是这些高速粒子从观察者坐标系中“看上去”寿命延长，还是粒子本身的衰变时钟变慢？在狭义相对论的词汇中，前者称为坐标时间（coordinate time），后者称为固有时间(proper time，见【3】）或时钟时间（clock time）。

对这个问题，费曼的回答颇具代表性。60年代初，费曼（1965诺贝尔物理奖得主）在为加州理工学院的本科生们讲授相对论时提出了一个别致的假想实验（见【4】，《费曼物理学讲义》第一卷，15-4节）。通过该假想实验，可以简单直观地从光速不变原理出发，推导出洛伦兹时间膨胀。这就是现在广为人知的“爱因斯坦双镜光钟实验”（Einstein Light-Clock Experiment）（也见【5】），其实是费曼的原创，被其他人贴上了爱因斯坦的标签。这个假想实验通俗易懂，除了勾股定理以外无需其他数学和物理基础，已经被几乎所有相对论科普视频，以及大学教科书所采用（比如Young和Freedman的《大学物理》【6】），所以留给网友们自己做家庭阅读作业。

根据费曼对这个双镜光钟假想实验的陈述，光钟的固有时间（proper time）不会因坐标系选择发生变化。费曼反复强调，时间膨胀只是从相对运动的观察者视角中“看上去”（appears）的光钟变慢，等于说是坐标时间（coordinate time）的膨胀。费曼的这个说法，已经成为狭义相对论对洛伦兹时间膨胀的标准教科书解释。而且，根据狭义相对论的惯性参照系的对易原理，我的光钟对相对于我运动的观察者来说“看上去”变慢，该观察者的光钟从我的参照系中“看上去”也同样变慢。你看我的风动，我看你的幡动，你我的心（proper time）都不动。就好像两人相距甚远互相目测对方之时，如果没有其他参照物，无论自己固有身高怎样，双方都会感觉对方身高比自己矮。

因此，作为对高速运动粒子时间膨胀问题的教科书回答就是，高速粒子的衰变只是从旁观者坐标系中“看上去”（appears）衰变减慢了。而在高速粒子自己的参照中，粒子的寿命“生物钟”本身并没有改变，而是观察者参照系中的路程“看上去”（appears）被压缩了（洛伦兹收缩），从而在同样的时钟寿命中粒子可以达到更远的目的地。

费曼向来以独出心裁剑走边锋闻名江湖。然而，这次他的别致的假想实验却落入教科书的“风动幡动”套路之中，不到10年就面临挑战。1971年，Joseph C. Hafele和Richard E. Keating筹资8000美金（主要是购买环球机票）做了一个相对论的时钟实验（俗称Hafele-Keating实验，见【7】）。该实验揭示了时间膨胀可以即非风动，也非幡动，而是固有时间proper time本身心动！

今天，Hafele-Keating实验往往被人云亦云地说成是一个证实了相对论的实验。而实际上，如果阅读和分析这个实验的具体理论推算和实验结果，不难看出，按照狭义相对论计算的“坐标时间膨胀”难以自圆其说，而同样基于洛伦兹变换，按照LET计算的“固有时间膨胀”则完美地得到证实。

先考虑一个假想的例子，假设有三个并驾齐驱（相对静止）的飞船A，B，C以每小时1000英里的速度直线飞行。初始时刻，3个飞船上的时钟相互同步。此时A飞船开始向前加速，以每小时1500英里的速度向前飞行（比C快500英里），而B飞船减速至每小时500英里的速度继续向前飞行（比C慢500英里）。30小时后，A减速至500英里，B加速至1500英里，最后同时与C再度会和并驾齐驱。

从C参照系中观察，A和B都是以每小时500英里的速度驶离C后又以500英里的速度返回，唯一的区别就是方向不同。那么当最终飞船A和B与C再度汇合后，它们的时钟与C的时钟的差别分别是多少？

这个例子就是Hafele-Keating实验的类比。真实版的Hafele-Keating实验采用了三个精密原子钟A，B，C。其中，原子钟A和B被分别置于向东和向西飞行的飞机之中，各自绕地飞行一周回到原出发地（与C会和）。而时钟C则是静止于地面的实验室之中，因为地球自转，C实际上是向东绕地心运动。

Hafele-Keating的理论预测只包含了引力差异对时钟的修正（高空引力低，时钟会变快），和巡航匀速飞行（或匀速绕地运动）的洛伦兹时间修正。飞机起降的加速度，以及绕地飞行的向心力加速度因等效原理所引起的时间膨胀对实验结果没有实质影响，因此忽略不计。

如果时间膨胀是教科书所说的，从观察者C（地面）参照系中“看上去”的结果，那么当A和B绕地飞行一周后与C会和时，以C为观察者的洛伦兹变换结果，时钟A和B都应该滞后于C（假设已经平衡掉引力差异对时钟的修正）。而实验结果则是，时钟A滞后于时钟C，但时钟B则出人意料地超前于时钟C。纳尼，运动的时钟怎么反而变快了！？

这个结果只能用运动时钟的“心动”，也就是“固有时间膨胀”来解释。当比较A，B，C各自因运动所导致的“心动”（固有时间膨胀）差异时，显然不能以A，B，C任何一个作为观察者参照系进行洛伦兹变换，而必须选择合适的特殊惯性参照系（类似于如果想要比较某三个人的固有身高差异，而不是“看上去”透视效果后的差异，我们应该选择站在与三人相等的距离）。Hafele-Keating实验问题中，原则上可以选择银心参照系，或者日心参照系，但最为方便的显然是地心惯性参照系（ECI）。而这个特殊惯性参照系的选择，恰好就是庞加莱LET理论中的“以太”。其理论计算（基于ECI算出的A，B，C各自“固有时间膨胀”的差异）与实验结果完美相符。

Hafele-Keating实验之后仅仅数年，GPS卫星定位就对卫星时钟的相对论修正提出了实际需求。否则GPS定位的误差将高达数十米，给远洋巨轮导航可以接受，汽车导航弄不好会开沟里。今天GPS卫星的时钟修正算法本质上与Hafele-Keating实验的计算一致，都是基于地心惯性系ECI的洛伦兹变换，相当于接受了运动时钟的“固有时间膨胀”和庞加莱LET。

然而，因为狭义相对论已成为一种神话，Hafele-Keating实验与GPS仍然以讹传讹被称之为相对论的成功，费曼的光钟仍然继续在被用来讲解时间膨胀，庞加莱的LET仍然鲜有人谈论。当然也有例外，比如在最新IEP（Internet Encyclopedia of Philosophy）关于狭义相对论（SRT）和洛伦兹变换的词条中的陈述（见【8】）：“STR predicts that motion of a system through space is directly compensated by a decrease in real internal processes, or proper time rates. Thus, a clock will run fastest when it is stationary. If we move it about in space, its rate of internal processes will decrease, and it will run slower than an identical type of stationary clock.”

100年前柏格森与爱因斯坦“是时间，还是时钟”的巴黎论道，终于有了后续。

3. 再谈以太

2005年，爱因斯坦狭义相对论发表100年之际，诺贝尔物理奖获得者Robert Laughlin感叹到（见【9】）：“颇具讽刺意味的是，爱因斯坦最具创造性的工作广义相对论竟然归结为将空间概念化为一种媒介，而他之前所秉承的则是不存在这样的媒介”。Robert Laughlin这里所说的“媒介”其实比喻的是“以太”。

其实，早在100多年前，爱因斯坦已经开始重新思考他在狭义相对论中对以太的否定。1920年，他在题为《以太与相对论》的谈话中承认（见【10】）：“根据广义相对论，空间被赋予了物理性质； 因此，在这个意义上，存在一个以太。”

然而，不仅广义相对论对空间赋予了物理性质，狭义相对论框架内的量子场论也对空间赋予了物理性质。所以，以太不仅仅应该具有非惯性运动（加速或旋转）的动力学表现，也可以在惯性参照系之间产生差异，导致具有特殊物理学意义的惯性参照系。否定之否定，也许笑到最后反而是LET，庞加莱的以太论。下略一万字。。。。

【1】https://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz_ether_theory

【2】https://en.wikipedia.org/wiki/Relativity_priority_dispute

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Proper_time

【4】《The Feynman Lectures on Physics》第一卷，15-4节。

【5】https://en.wikipedia.org/wiki/Time_dilation#Simple_inference

【6】https://en.wikipedia.org/wiki/University_Physics

【7】https://en.wikipedia.org/wiki/Hafele%E2%80%93Keating_experiment

【8】https://iep.utm.edu/proper-t/

【9】Robert Laughlin《A Different Universe》第10章（120页第二段）

【10】https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Extras/Einstein_ether/