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一个颠覆性的超光速实验

2018/06/13   维加斯新闻报
时空极客

       2018年3月20日，英文版的《现代物理期刊》上发表了张操教授的一篇关于交流电可以超光速实验的论文[1]。标题是：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《现代物理期刊》在国际上有一定的影响力。 Google-based Impact Factor 影响因子是: 0.86，创办8年以来，论文下载的数目接近5百万。

       在2015年2月初，张操教授的团队在中文《现代物理》期刊发表了第一篇关于交流电可以超光速实验的论文。近3年来，在科学网上引起了很多学者的讨论和质疑，也引发了一些理论解释的新猜想。

       3年以来，他们做了一系列的实验，发表了多篇论文[2-6]，重温了电学以及电磁学的发展史[7]。他们在多个实验室，用不同的导线长度、线径，不同的材料，不同的波形(三角波、调制波、低频高斯脉冲信号等)做过上百次的条件试验。他们通过大量的电路实验发现：在不同的电路中，交流电信号传输速度各不相同；在特定条件下，电信号的传输速度可以大大超光速。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，这在10多年前是达不到要求的。 2. 我们发现了交流电可以超光速的电路特定条件。

       他们的理论公式是经典电路的公式，它经受过千万次实验的检验。现在他们自信地说：他们的实验是一个可靠的颠覆性超光速实验。

       张操他们指出，他们的实验不同于传输线理论的电路条件。这个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10米；

       (2) 实验电路是一长一短的二个不规则形状的RL并联电路。构成电路回路的线间尺度小于3米，导线间的分布电容可以忽略；

       (3) 他们选用交变电信号的工作频率小于3 MHz。当工作频率低于3MHz时，测量到的时间差与频率无关。仅仅是为了容易在示波器上显示，他们选用交变电信号的工作频率在1-2 MHz。

       (4) 电路中采用大电阻，微电流。接收端的电阻为1 MΩ，所以电路的阻抗严重不匹配。

       正是在上述4个特定的条件下，实验发现电信号在导线中的传播速度超过光速20倍以上。简单地说，电路是小尺度、分布电容可以忽略；有交变信号，没有形成波，所以没有波的反射和叠加等现象。

       在这个实验中，一个短的RL回路靠近电源，电阻R1上的电压作为参考值，用来与长的RL回路中电阻R2上的电压比较。定义交变电场的速度是长度差除以时间延迟差：v = dx/dt。时间差dt 由示波器的显示直接给出；dx是二个单导线回路的长度差。这个定义是由于电路的整体性，即非局域性而采用的工作定义。虽然这个定义与电磁波作为“行波”的定域传播的定义是不同的，然而二者的速度是可以通过实验进行比较的。例如回路的长度差是6米，光线走6米需要20 ns。然而在实验中，测量到的交流信号的时延是1.0 ns，那么，电速是光速的20倍。

       有些学者对上述的速度定义提出了质疑。例如有人提出，作为信号接收器的电阻应该放在回路的中间，这样的安排大致接近于传输线理论的电路条件。张教授的团队试验过不同长度的共地线，从0.4米到9.0米，主要结果相同。由于测量结果是：在特定条件下，电信号的传输速度可以大大超光速。所以即使采用回路长度的1/2 来计算交流电信号的速度，结果依然是大大超光速。

       这个实验是对于集总电路理论的改进。在集总电路理论中，是不计导线长度的，实际上假定了电信号速度是无限大。张操在最近的英文论文中强调了电信号速度不是无限大，然而可以超过真空光速几十倍。所以，他们的实验是对集总电路模型的改进，是对经典电路理论的发展。

       下图是实验的主要结果：

       在图2中，红色曲线代表导线长度差是9 m 的数据，蓝色曲线代表导线长度差是6 m 的数据。图中，二条水平线代表光速参考线。也就是说，如果假定金属导线中的交变电场以光速运动，它通过9 m 长度的时间是30ns, 通过6 m 长度的时间是20 ns。所以在图1中，水平方向的红色直线代表9 m 导线的光速参考线，水平方向的兰色直线代表6 m 导线的光速参考线。在光速参考线上面的数据是亚光速，在光速参考线下面的数据是超光速，

       实验数据表明，在信号频率小于3MHz 时，二个回路的时间差小于1纳秒，并且与频率无关。如果采用光学的语言：没有色散，群速度等于相速度。从多次测量，对于频率在3.0MHz以下的低频信号，交变纵向电场的速度超过光速20倍以上。

       张教授强调低频电路的RL电路中采用的方程式：U(t) = I(t)R+ L dI(t)/dt （1）

       方程式(1)左边是电源的电动势，它由非静电力产生，这个量不属于麦克斯韦组。这个方程式的右边第1项是欧姆定律，也不属于麦克斯韦组。只有L dI/dt 与法拉第定律相关。方程式(1)是一个整体性的标量方程。电流I在整个电路是一样的，而对于粗细不一样的导线以及电路上的电阻，电流密度在整个电路是不一样的。

       纵向电场速度不能与电磁波在金属导体中的传播速度混为一谈。因为电磁波是横波，低频电磁波在在金属导体中的传播速度是非常小的，比如400Hz时只有约10米/秒。由于纵向电场交变信号不是电磁波，它有交变的特征频率，可是没有波长的定义。纵向电场的速度代表信号速度以及能流速度。

       方程式(1)的推论表明，直流电源或者低频交流电源产生的电动势在通电电路的金属导线内部把电能传输给负载电阻的过程，与电磁波无关，与坡印亭电磁能流无关，与麦克斯韦方程组没有冲突。

       爱因斯坦的狭义相对论是根据麦克斯韦方程在坐标变换下的不变性推理出来的。既然低频交流电路的RL电路中采用的方程式(1)与麦克斯韦方程组无关，那么它的推论也与狭义相对论无关。张操认为：狭义相对论在自由空间有效，是很好的理论，可是不适用于电路。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。

       爱因斯坦说，光速是一切物质运动的极限，他说错了。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。问题是，爱因斯坦狭义相对论的应用范围是有限的。

       2011年，欧洲CERN实验室宣称中微子超光速大约十万分之一，成为当时的重要科学新闻。由于他们采用了GPS对于距离730Km的二地定时，后来查清楚，他们的GPS定时有60纳秒的误差，成为了乌龙球。

       交流电超光速实验与欧洲CERN实验室的中微子实验完全不同。

       交流电超光速实验的优点是低成本，高精度，很容易重复。任何大学的物理实验室，只要有信号发生器和高性能的示波器，可以在当天进行重复实验。

       这个交流电超光速实验是在中国原创的实验，它是一个可靠的颠覆性超光速实验！

       参考文献：

       [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] 张操，廖康佳，樊京，导线中交流电场时间延迟的测定，ModernPhysics 现代物理, Vol.5, 29-36，2015。

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

       [3] 张操, 廖康佳, 交变电场速度测量的物理原理，《现代物理》，Vol. 5 No. 2 ，35-39 (March 2015)

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

       [4] 张操, 廖康佳，“交流电速度可能超光速20倍—兼评郑翊等人的论文“电磁场的传播速度” Modern Physics 现代物理, Vol. 5，No. 6 ，2015) 125- 132，2015.

       [5] 张操，廖康佳，申红磊，胡昌伟，“交流电超光速的实验研究”，《前沿科学》2017, Vol.43, No. 1, 67-72

       [6] 张操，“关于麦克斯韦方程与经典电路理论的关系”，《前沿科学》，2017，Vol. 43, No.3，266-32

       [7] On麦克斯韦方程发展史

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

实验的主要结果。