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安徒生童话说 电比光快?

2018/06/07   维加斯新闻报
海月悠客 物理时空

    在《安徒生童话全集》中，有一篇童话《幸运的套鞋》。故事中的人物如果穿上《幸运的套鞋》，就会出现奇迹。其中之一是守夜人身上的故事，相关内容如下：就我们人说来，我们差不多都知道蒸汽输送东西是多么迅速;
这种事我们已经在铁道上或在海上的轮船中试验过。但是跟光线的速度比起来，这不过只等于树懒的动作或蜗牛的爬行罢了。
    光比最快的骏马还要快一千九百万倍，可是电的速度更要快。死不过是我们心中所受到的一种触电，被解放了的灵魂，骑在电的翅膀上，就可以远走高飞。
    太阳只须八分和几秒钟就可以走完将近两亿里的路程。灵魂骑上电力，要走同样的路程，只须几秒钟就够了。
    就解放了的灵魂说来，各种行星之间的距离，不会比我们住在同一城市中的朋友的房子之间的距离大，甚至于还不会比住在近邻的朋友的房子之间的距离大。

    这篇《幸运的套鞋》的童话写于1838年，当时安徒生33岁。这篇童话写了5个人的经历：司法官、守夜人、实习医生、录事、神学学生。他们得到“幸运女神的女仆”的眷顾，有机会穿上一双可以实现任何愿望的套鞋，然而他们却都在实现愿望之后感到了幻灭。

    在科学史上，经典电路理论以及电器应用的突破是从1800年义大利物理学家伏打(A.Voltar)发明化学电池后开始的。后人采用伏特作为电压的单位，以纪念这位元科学家。在十九世纪，研究电学、磁学、以及电磁学的科学家群星灿烂，电报、电话、电灯等电器的应用日新月异。

    正是在十九世纪这样的科学环境中，安徒生才在《幸运的套鞋》童话故事中产生了丰富的想像力：守夜人穿上了《幸运的套鞋》，骑在电的翅膀上，跑得比光快。回到科学问题：电的速度是多少？
    十九世纪科学家对于这个问题有过一些讨论，例如安培和韦伯主张电力和磁力的速度是无限大的，他们称为“超距作用”。可是由于电的速度太大，没有一个科学家进行过实验研究。

    到了二十世纪初期，出现了爱因斯坦。在他的1905年的著名的狭义相对论的论文中，宣称真空光速是一切物质运动的极限。也就是说，电不可能跑得比光快。
    由于爱因斯坦的这个推论，后来的科学家很少研究电的速度这个问题。只有天才的发明家特斯拉提出过：电可能跑得比光快。然而，由于受到当时的技术条件限制，特斯拉本人没有做过测量电的速度的实验。

人类到了二十一世纪，进入了互联网时代。打开电脑，打入关键字：“电的速度”，或者”电场的速度”。搜索的结果大多是：电场的速度等于光速。这个结果仅仅是大学教科书的观点，没有具体的实验证明。
    其中大学教科书一种典型观点认为：即使是直流电，电能也是在导线外部通过电磁能流传输到电路内部的，所以电场的速度等于光速。

    然而最近3年以来，张操教授通过实验对于上述学术观点提出了质疑。他们的团队通过上百次实验发现：在不同的电路中，交流电信号传送速率各不相同；在特定条件下，电信号在导线里的传送速率可以大大超光速。这个实验简单、稳定、可靠。这个发现主要依靠2点：1. 目前的示波器灵敏度很高，可以测量到1纳秒的时间差，这在10多年前是达不到的。2. 他们发现了交流电可以超光速的特定电路条件。


    上图是实验示意图，由美国的陆绮博士绘画

    科技日报在2017年04月发表过文章：“电可以跑得比光快？”。文章说：《前沿科学》2017年第1期发表了美国犹他州立大学和阿拉巴马州大学物理系客座教授张操等4位学者的论文：“交流电超光速的实验研究”。

    这里提到的交流电信号的速度，是指交变电场的速度，不是电磁波的速度。电场速度不等同于电磁波速度。

    张操介绍说，人类虽然天天在使用各种电器，可是对于低频电信号在导线中传播速度的研究很缺乏。他认为，低频交变电场在金属导线中可以超光速传输信号和能量，这种观点在物理理论中被长期忽视了。电路中的交变电场信号不是电磁横波，它是导线中每一部分的电场带动电子在进行“纵向同步震荡”。也就是说，这是一种非局域性效应。所以，超光速现象不仅在量子世界存在，在我们生活的宏观世界也到处存在。

    张操认为：狭义相对论在自由空间有效，可是不适用于低频电路。在宇宙中，纵向电场的速度是不受相对论的真空光速极限限制的，这是一种宏观的非定域效应。关于光速是一切物质运动的极限的观点，爱因斯坦是说错了。
    然而，狭义相对论并不是全错，它在很多情况下是很好的理论。问题在于：爱因斯坦狭义相对论的应用范围是有限的。



    张操说，他在少年时代阅读过许多童话故事。安徒生是他最喜欢的童话作家之一。虽然他们的交流电超光速的实验研究与安徒生童话无关，可是安徒生对于电跑得比光快的想像力，的确非常有趣。