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安徒生童話說 電比光快?

2018/06/07   維加斯新聞報
海月悠客 物理時空

    在《安徒生童話全集》中，有一篇童話《幸運的套鞋》。故事中的人物如果穿上《幸運的套鞋》，就會出現奇跡。其中之一是守夜人身上的故事，相關內容如下：就我們人說來，我們差不多都知道蒸汽輸送東西是多麼迅速;
這種事我們已經在鐵道上或在海上的輪船中試驗過。但是跟光線的速度比起來，這不過只等於樹懶的動作或蝸牛的爬行罷了。
    光比最快的駿馬還要快一千九百萬倍，可是電的速度更要快。死不過是我們心中所受到的一種觸電，被解放了的靈魂，騎在電的翅膀上，就可以遠走高飛。
    太陽只須八分和幾秒鐘就可以走完將近兩億裡的路程。靈魂騎上電力，要走同樣的路程，只須幾秒鐘就夠了。
    就解放了的靈魂說來，各種行星之間的距離，不會比我們住在同一城市中的朋友的房子之間的距離大，甚至於還不會比住在近鄰的朋友的房子之間的距離大。

    這篇《幸運的套鞋》的童話寫於1838年，當時安徒生33歲。這篇童話寫了5個人的經歷：司法官、守夜人、實習醫生、錄事、神學學生。他們得到“幸運女神的女僕”的眷顧，有機會穿上一雙可以實現任何願望的套鞋，然而他們卻都在實現願望之後感到了幻滅。

    在科學史上，經典電路理論以及電器應用的突破是從1800年義大利物理學家伏打(A.Voltar)發明化學電池後開始的。後人採用伏特作為電壓的單位，以紀念這位元科學家。在十九世紀，研究電學、磁學、以及電磁學的科學家群星燦爛，電報、電話、電燈等電器的應用日新月異。

    正是在十九世紀這樣的科學環境中，安徒生才在《幸運的套鞋》童話故事中產生了豐富的想像力：守夜人穿上了《幸運的套鞋》，騎在電的翅膀上，跑得比光快。回到科學問題：電的速度是多少？
    十九世紀科學家對於這個問題有過一些討論，例如安培和韋伯主張電力和磁力的速度是無限大的，他們稱為“超距作用”。可是由於電的速度太大，沒有一個科學家進行過實驗研究。

    到了二十世紀初期，出現了愛因斯坦。在他的1905年的著名的狹義相對論的論文中，宣稱真空光速是一切物質運動的極限。也就是說，電不可能跑得比光快。
    由於愛因斯坦的這個推論，後來的科學家很少研究電的速度這個問題。只有天才的發明家特斯拉提出過：電可能跑得比光快。然而，由於受到當時的技術條件限制，特斯拉本人沒有做過測量電的速度的實驗。

人類到了二十一世紀，進入了互聯網時代。打開電腦，打入關鍵字：“電的速度”，或者”電場的速度”。搜索的結果大多是：電場的速度等於光速。這個結果僅僅是大學教科書的觀點，沒有具體的實驗證明。
    其中大學教科書一種典型觀點認為：即使是直流電，電能也是在導線外部通過電磁能流傳輸到電路內部的，所以電場的速度等於光速。

    然而最近3年以來，張操教授通過實驗對於上述學術觀點提出了質疑。他們的團隊通過上百次實驗發現：在不同的電路中，交流電信號傳送速率各不相同；在特定條件下，電信號在導線裡的傳送速率可以大大超光速。這個實驗簡單、穩定、可靠。這個發現主要依靠2點：1. 目前的示波器靈敏度很高，可以測量到1納秒的時間差，這在10多年前是達不到的。2. 他們發現了交流電可以超光速的特定電路條件。


    上圖是實驗示意圖，由美國的陸綺博士繪畫

    科技日報在2017年04月發表過文章：“電可以跑得比光快？”。文章說：《前沿科學》2017年第1期發表了美國猶他州立大學和阿拉巴馬州大學物理系客座教授張操等4位學者的論文：“交流電超光速的實驗研究”。

    這裡提到的交流電信號的速度，是指交變電場的速度，不是電磁波的速度。電場速度不等同於電磁波速度。

    張操介紹說，人類雖然天天在使用各種電器，可是對於低頻電信號在導線中傳播速度的研究很缺乏。他認為，低頻交變電場在金屬導線中可以超光速傳輸信號和能量，這種觀點在物理理論中被長期忽視了。電路中的交變電場信號不是電磁橫波，它是導線中每一部分的電場帶動電子在進行“縱向同步震盪”。也就是說，這是一種非局域性效應。所以，超光速現象不僅在量子世界存在，在我們生活的宏觀世界也到處存在。

    張操認為：狹義相對論在自由空間有效，可是不適用於低頻電路。在宇宙中，縱向電場的速度是不受相對論的真空光速極限限制的，這是一種宏觀的非定域效應。關於光速是一切物質運動的極限的觀點，愛因斯坦是說錯了。
    然而，狹義相對論並不是全錯，它在很多情況下是很好的理論。問題在於：愛因斯坦狹義相對論的應用範圍是有限的。



    張操說，他在少年時代閱讀過許多童話故事。安徒生是他最喜歡的童話作家之一。雖然他們的交流電超光速的實驗研究與安徒生童話無關，可是安徒生對於電跑得比光快的想像力，的確非常有趣。