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科学大讨论:电比光快

2018/08/16   维加斯新闻报
张操
科学大讨论:电比光快

    科学大发现的梦想总是要有的。万一实现了呢?!
    2016年春节,探测到引力波的报导成为大新闻。美国的镭射干涉引力波天文台(LIGO)公布了观察到GW150914引力波信号,频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹。后来探测到引力波的实验获得了2017年诺贝尔物理学奖。
    LIGO其实是一个大尺度的迈克尔逊干涉仪(简称为M-M干涉仪),主要部分是两个互相垂直的长臂,每个臂长4000米,臂的末端悬挂著反射镜,在两臂交会处,从镭射光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,这样就会形成干涉条纹。如果有引力波通过,便会引起一臂的长度会略为变长,而另一臂的长度则略为缩短,这样就会造成光程差发生变化,镭射干涉条纹就会发生相应的变化。
    一个世纪以前,美国科学家迈克尔逊为了逊检验双程光速是否不变,设计了这个光学干涉仪,实验结果促进爱因斯坦建立了狭义相对论。后来,迈克尔逊还做过不等臂的干涉实验。令人兴奋的是,大尺度的M-M干涉仪在现代探测引力波实验中大显神威。
    非常有趣的是:2015年我与复旦大学研究生廖康佳做过一个小尺度的电学的不等臂环路的M-M实验。通过实验,我们发现,在特定的电路参数条件下,交流电的速度可超光速20倍以上。当然,我们承认,在大多数情况下,交流电的速度是低于光速的。
    本文的上图是实验示意图
    当交流电源连接上导线和负载(电阻)以后,因为金属导线中存在大量电子,在导线中的交变电场的速度是可以测定的。在示意图中,我们用箭头线的长度来表达交变电场的速度。(如果用箭头线代表光速,长度仅仅0.3厘米)。另外,我们用时钟指标5分钟代表1纳秒。
    导线中的小人代表电子,它们跑的速度很慢,每秒不到1毫米。如果交流电源的频率是1MHz, 那么一个周期的时间是1微秒。上图中画出的是前半个周期(0.5微秒)的电场方向以及电流方向。交变电场带动了电子,产生了电流以及电功率。
    实验说明
    图中显示了并联的二个RL电路。
    R1=R2 是1M欧姆的电阻,它们是示波器的输入阻抗。
    L1以及L2不是独立元件的电感。
    它们代表由单根导线总长度的电感。
    导线L1的长度为0.8米,L2的长度为6.8米。
    在示波器的显示幕上,红线代表短导线回路的1M 欧姆电阻上的电压 Vs 时间;兰线代表长导线回路的1M 欧姆电阻上的电压 Vs 时间。右下角显示时间差是 500ps = 0.5ns。它达到了示波器的精度。所以我们保守地取测量到的时间差为1纳秒。
    关于这个实验中测量到的1纳秒的时间差的物理原因,我们认为是由于二路导线长度不同,对应于分布电感不同。所以,交变电场的速度 v = dl/dt (长度差/时间差),实验结果是交变电场的速度超光速20倍。
    示波器的显示幕上的正弦曲线代表了电压 Vs 时间,它是由于示波器的扫描把电压变化在水准方向展示出来。交变电场是有相位的;上图的正弦曲线不代表交变电场是波。 因为实验中,我们采用了单频,交变电场的速度即使说成是相速度,那么它也是群速度。更加重要的是,它代表了能流速度,即电功率速度。
    我们实验的出发点是电阻-电感(RL)交流电路的电压方程,其中包含了欧姆定律。
    U(t) = I(t) R + L dI(t)/dt
    这个方程是得到大量电路实验充分证明了的。它比传输线理论更加基础,更加可靠。我们的实验结果是这个 RL 交流电路的电压方程的推论。
    传输线理论是有条件限制的。传输线主要结构型式有平行双导线、平行多导线、同轴线等。它的特点是平行双导线的长度大于工作波长,平行双导线之间的间距一般小于1.0厘米。在这样的条件下,平行双导线之间的分布电容不能忽略,从而传输线理论对于这样的电路条件有效。作为传输线理论的推论,电压波在阻抗不匹配的电路会出现反射等现象。对于2MHz 的交变信号,对应的工作波长是150米。
    不同于传输线理论的电路条件,我们的实验有如下几个特点:
    (1) 由单根漆包铜线构成回路,单根漆包线的总长度小于9米;
    (2) 构成电路回路的线间线间距离大于3厘米,导线间的分布电容可以忽略;
    (3) 我们选用交变电信号的工作频率小于3 MHz。工作频率越低,效果越好。仅仅是为了容易在示波器上显示,我们        选用交变电信号的工作频率在1-2 MHz。
    (4) 在电路回路中,1M欧姆的电阻是示波器的输入阻抗。L1以及L2不是独立元件的电感,它们是导线的分布电感。电感量与导线长度正相关(不是正比)。
    电感的感抗代表反抗电流变化的程度。由于电感的感抗,造成了大电阻上电压的时间延迟,而且长导线比短导线时间延迟要多些。
    对于在实验室内的小尺度电路实验,研究电路的专家经常采用集总元件电路模型,这个电路模型是不计算导线长度的。集总元件电路模型不考虑导线长度,其实它隐含了一个假定:交变电信号在导线中的速度是无穷大。所以我们的实验结果表明,在特定条件下交变电信号在导线中的速度超光速20倍以上,这不仅是合理的,而且也是对集总元件电路模型的改进。
    在RL 交流电路的电压方程中,包含了欧姆定律,它独立于麦克斯韦方程组,从而与相对论没有相关性。所以,交变电场的速度可能超光速,它不受相对论的约束。或者说,狭义相对论不适用于电路。
    因为这个实验是中国原创的实验,又有重大的科学意义,所以,我在这里向科学界呼吁:请有条件的实验室作为一个重要的科研专案,进行更多的条件试验和改进,并且在理论上进一步的研究。
    樊京博士在南阳理工学院的实验室重复了我们在复旦大学的实验。他评论说:首先要确定实验测量的正确性,然后再讨论理论解释的正确性。不能把两个讨论混为一谈。根据樊京的重复测量,他指出实验测量没有问题。现在示波器的时间解析度可以轻松达到0.5 ns (纳秒)。有些人认为几十纳秒的时间差测不准,这是上个世纪的概念。
    我们的实验结果虽然是可靠的,可是还需要更加多的条件试验以及理论讨论。目前我们关注的是这个实验效应的科学意义,还谈不上应用。我们希望与电路专家和电磁学专家一起共同研究,争取为电路理论以及物理学的发展提供新途径。
    问答时刻
    问:您的主要实验设备,与探测引力波的干涉仪,可算是“师出同门”吗?
    答:引力波实验是比较两个光信号,我们的实验是比较两个电信号。
    问:交流电若真能达到超光速,其应用价值何在?
    答:目前还谈不上如何应用。但是,对于现在的电路理论,它可能打开了另一扇窗。答:由于受到惯性思维的影响,人们认为电的速度永远不可能超过光速。仅克罗地亚裔美籍发明家尼古拉•特斯拉(即世界上实用交流发电机的发明人),天才地设想过交流电的速度可能超光速。
    问:那么,如果有超光速现象,能让人回到过去的时间机器,就有了产生的可能了吧?
    答:时间有多种定义。相对论里的时间定义,仅仅是时间的一种定义。我们人类虚掷光阴也好,争分夺秒也罢,抑或是度日如年,那都是真实的时间,是时间的另一种定义。所以,即便有超光速,真实的时间依然是单向的。
    总之,我们欢迎重复实验,欢迎不同意见。您要不要也来试试?
    大千物理,越辩越明!


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