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一個顛覆性的超光速實驗

2018/06/13   維加斯新聞報
時空極客

       2018年3月20日，英文版的《現代物理期刊》上發表了張操教授的一篇關於交流電可以超光速實驗的論文[1]。標題是：An Experiment to Improve the Model ofLumped Element Circuit.”, Journal of Modern Physics, 2018，9, 596-606.

http://www.scirp.org/Journal/PaperInformation.aspx?PaperID=83153

       英文版的《現代物理期刊》在國際上有一定的影響力。 Google-based Impact Factor 影響因子是: 0.86，創辦8年以來，論文下載的數目接近5百萬。

       在2015年2月初，張操教授的團隊在中文《現代物理》期刊發表了第一篇關於交流電可以超光速實驗的論文。近3年來，在科學網上引起了很多學者的討論和質疑，也引發了一些理論解釋的新猜想。

       3年以來，他們做了一系列的實驗，發表了多篇論文[2-6]，重溫了電學以及電磁學的發展史[7]。他們在多個實驗室，用不同的導線長度、線徑，不同的材料，不同的波形(三角波、調製波、低頻高斯脈衝信號等)做過上百次的條件試驗。他們通過大量的電路實驗發現：在不同的電路中，交流電信號傳輸速度各不相同；在特定條件下，電信號的傳輸速度可以大大超光速。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，這在10多年前是達不到要求的。 2. 我們發現了交流電可以超光速的電路特定條件。

       他們的理論公式是經典電路的公式，它經受過千萬次實驗的檢驗。現在他們自信地說：他們的實驗是一個可靠的顛覆性超光速實驗。

       張操他們指出，他們的實驗不同於傳輸線理論的電路條件。這個實驗有如下幾個特點：

       (1) 由單根漆包銅線構成迴路，單根漆包線的總長度小於10米；

       (2) 實驗電路是一長一短的二個不規則形狀的RL並聯電路。構成電路迴路的線間尺度小於3米，導線間的分佈電容可以忽略；

       (3) 他們選用交變電信號的工作頻率小於3 MHz。當工作頻率低於3MHz時，測量到的時間差與頻率無關。僅僅是為了容易在示波器上顯示，他們選用交變電信號的工作頻率在1-2 MHz。

       (4) 電路中採用大電阻，微電流。接收端的電阻為1 MΩ，所以電路的阻抗嚴重不匹配。

       正是在上述4個特定的條件下，實驗發現電信號在導線中的傳播速度超過光速20倍以上。簡單地說，電路是小尺度、分佈電容可以忽略；有交變信號，沒有形成波，所以沒有波的反射和疊加等現象。

       在這個實驗中，一個短的RL迴路靠近電源，電阻R1上的電壓作為參考值，用來與長的RL迴路中電阻R2上的電壓比較。定義交變電場的速度是長度差除以時間延遲差：v = dx/dt。時間差dt 由示波器的顯示直接給出；dx是二個單導線迴路的長度差。這個定義是由於電路的整體性，即非局域性而採用的工作定義。雖然這個定義與電磁波作為“行波”的定域傳播的定義是不同的，然而二者的速度是可以通過實驗進行比較的。例如迴路的長度差是6米，光線走6米需要20 ns。然而在實驗中，測量到的交流信號的時延是1.0 ns，那麼，電速是光速的20倍。

       有些學者對上述的速度定義提出了質疑。例如有人提出，作為信號接收器的電阻應該放在迴路的中間，這樣的安排大致接近於傳輸線理論的電路條件。張教授的團隊試驗過不同長度的共地線，從0.4米到9.0米，主要結果相同。由於測量結果是：在特定條件下，電信號的傳輸速度可以大大超光速。所以即使採用迴路長度的1/2 來計算交流電信號的速度，結果依然是大大超光速。

       這個實驗是對於集總電路理論的改進。在集總電路理論中，是不計導線長度的，實際上假定了電信號速度是無限大。張操在最近的英文論文中強調了電信號速度不是無限大，然而可以超過真空光速幾十倍。所以，他們的實驗是對集總電路模型的改進，是對經典電路理論的發展。

       下圖是實驗的主要結果：

       在圖2中，紅色曲線代表導線長度差是9 m 的數據，藍色曲線代表導線長度差是6 m 的數據。圖中，二條水平線代表光速參考線。也就是說，如果假定金屬導線中的交變電場以光速運動，它通過9 m 長度的時間是30ns, 通過6 m 長度的時間是20 ns。所以在圖1中，水平方向的紅色直線代表9 m 導線的光速參考線，水平方向的蘭色直線代表6 m 導線的光速參考線。在光速參考線上面的數據是亞光速，在光速參考線下面的數據是超光速，

       實驗數據表明，在信號頻率小於3MHz 時，二個迴路的時間差小於1納秒，並且與頻率無關。如果採用光學的語言：沒有色散，群速度等於相速度。從多次測量，對於頻率在3.0MHz以下的低頻信號，交變縱向電場的速度超過光速20倍以上。

       張教授強調低頻電路的RL電路中採用的方程式：U(t) = I(t)R+ L dI(t)/dt （1）

       方程式(1)左邊是電源的電動勢，它由非靜電力產生，這個量不屬於麥克斯韋組。這個方程式的右邊第1項是歐姆定律，也不屬於麥克斯韋組。只有L dI/dt 與法拉第定律相關。方程式(1)是一個整體性的標量方程。電流I在整個電路是一樣的，而對於粗細不一樣的導線以及電路上的電阻，電流密度在整個電路是不一樣的。

       縱向電場速度不能與電磁波在金屬導體中的傳播速度混為一談。因為電磁波是橫波，低頻電磁波在在金屬導體中的傳播速度是非常小的，比如400Hz時只有約10米/秒。由於縱向電場交變信號不是電磁波，它有交變的特徵頻率，可是沒有波長的定義。縱向電場的速度代表信號速度以及能流速度。

       方程式(1)的推論表明，直流電源或者低頻交流電源產生的電動勢在通電電路的金屬導線內部把電能傳輸給負載電阻的過程，與電磁波無關，與坡印亭電磁能流無關，與麥克斯韋方程組沒有衝突。

       愛因斯坦的狹義相對論是根據麥克斯韋方程在坐標變換下的不變性推理出來的。既然低頻交流電路的RL電路中採用的方程式(1)與麥克斯韋方程組無關，那麼它的推論也與狹義相對論無關。張操認為：狹義相對論在自由空間有效，是很好的理論，可是不適用於電路。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。

       愛因斯坦說，光速是一切物質運動的極限，他說錯了。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。問題是，愛因斯坦狹義相對論的應用範圍是有限的。

       2011年，歐洲CERN實驗室宣稱中微子超光速大約十萬分之一，成為當時的重要科學新聞。由於他們採用了GPS對於距離730Km的二地定時，後來查清楚，他們的GPS定時有60納秒的誤差，成為了烏龍球。

       交流電超光速實驗與歐洲CERN實驗室的中微子實驗完全不同。

       交流電超光速實驗的優點是低成本，高精度，很容易重複。任何大學的物理實驗室，只要有信號發生器和高性能的示波器，可以在當天進行重複實驗。

       這個交流電超光速實驗是在中國原創的實驗，它是一個可靠的顛覆性超光速實驗！

       參考文獻：

       [1] Tsao Chang, “An Experiment to Improvethe Model of Lumped Element Circuit”, Journal of Modern Physics, 2018，9, 596-606.

       http://www.scirp.org/Journal/PaperInformation.aspx?PaperID=83153

       [2] 張操，廖康佳，樊京，導線中交流電場時間延遲的測定，ModernPhysics 現代物理, Vol.5, 29-36，2015。

       http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=14804

       [3] 張操, 廖康佳, 交變電場速度測量的物理原理，《現代物理》，Vol. 5 No. 2 ，35-39 (March 2015)

       http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=14949

       [4] 張操, 廖康佳，“交流電速度可能超光速20倍—兼評鄭翊等人的論文“電磁場的傳播速度” Modern Physics 現代物理, Vol. 5，No. 6 ，2015) 125- 132，2015.

       [5] 張操，廖康佳，申紅磊，胡昌偉，“交流電超光速的實驗研究”，《前沿科學》2017, Vol.43, No. 1, 67-72

       [6] 張操，“關於麥克斯韋方程與經典電路理論的關係”，《前沿科學》，2017，Vol. 43, No.3，266-32

       [7] On麥克斯韋方程發展史

       鏈接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-271800-1089111.html

实验的主要结果。