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张操先生等“超光速实验”之我见

(2015-02-26 15:40:40)
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相对论

光速不变

超光速

复旦大学核科学与技术系的张操廖康佳和南阳理工学院的樊京在《现代物理》20152月第5期上发表题为“导线中交流电场时间延迟的测定”的文章。报道了他们用两条长度不一样的导线连接示波器,观察交流电源产生信号延迟,发现纵向电场的传播速度超过光速20倍以上。

      该文章发表后在网络上引起激烈的讨论,有人认为实验是对的,也有人认为超光速是误差引起。此前曾有过多次关于超光速实验的报道,结果都被认为是乌龙事件,不了了之。这次的实验是否又会重蹈覆辙呢?

本人不是电磁实验方面的专家,但对这个问题很感兴趣,因为它涉及到物理学最基本的问题。如果这个实验是正确的,对物理学意义是不可估量的。仔细读了张操先生等人的文章后,想从大原则上谈几点看法,供实验者参考。

一.实验中到底超光速传递了什么?

文章认为,观察到纵向电场的传播速度超光速,但实际测量的是两条长度不同的线路的电压的时间延迟。由于电压是电势差,实验采用的是交流电,因此实验中超光速传播的应当是电动势,而不是纵向电场。电场强度的量纲是力(单位电荷受到的力),电动势的量纲是能量,电动势对距离的变化率等于电场强度。从这种意义上,超光速传播的是与电场能有关的量。更严格地说,是改变电场的驱动力,而不是电场本身。

    微观物理学中物质系统的相互作用不是用力,而是用相互作用能来表示的。如果实验是正确的,就意味着相互作用的传播速度是可以超光速的。

二.电动势的传播速度到底有多大?

 

    按照张操先生的计算,设实验中短线电路的长度为D1,传播速度为V1,蓝线电路长度为D2,传播速度为V2,时间延迟计算公式为:

                             t = D2/V2-D1/V1                           1

 

实验中取D2=6.4米,D1=0.4米。实验结果显示V1>V2t = 1纳秒。由于D2>>D1V1>V2,在近似条件下,(1)式第二项可以略去,得:

                                       V2 = D2/t = 21.3c                             2

这是信号沿长线路传播的速度上限。为了求出V2的下限,令V1=V2,代入(1)式,得:

                                     V2 = (D2-D1)/t = 20c                            3

因此在本实验的条件下,信号沿长线的传播速度范围是20c,沿短线的传播速度V1>V2,二者都是超光速的,但不能完全确定。设V2=20.5c,按(1)式则有V1=33.3c。设V2=21c,则有V1=83.3c。如果长线的长度加大,V2将变小。如果导线的长度足够长,V2仍然可能小于光速。因此有必要得到这种数据,观察所谓的光障是在什么条件下突破,以及怎样突破的。

三.实验误差对传播速度的影响

不少人认为信号的延时是由电路中存在的,诸如电容和电感等因素引起。如果消除实验误差,就不会有超光速。然而这个实验的情况恰恰相反,较少误差只会使信号传播速度变得更大,而不是变小。

如果信号在两条线路上的传播速度为无穷大,按(1)式就有t = 0 0 = 0,也就是说没有信号延时。反过来说,只要存在信号延时,传播速度就不可能是无穷大。实验结果证明,电动势的传播速度仍然是有限的,否则就不会出现时间延迟。

假设在实验测量到的1纳秒延时中,有一部分是由电容和电感等因素引起。消除这些因素后,延时变得更小。按照(1)式,就意味着V1V2变大,信号超过光速更多。

减少干扰会使信号传播速度变得更大,这正是这个实验的最独特之处。由此证明超光速不是实验误差引起,可以使实验结果更明确。因此进一步的实验不是减小干扰,而是人为地加大干扰,观察干扰对时间延迟的影响。如果减小干扰,两条线路的电压基本重合,1纳秒的时间延缓窗口可能关闭,什么信息也观察不到。

事实上传递速度本身就是与相互作用有关的,排除干扰谈论传递速度是没有意义的。真正有意义的是,搞清楚干扰对传递速度的影响,判断是否存在亚光速向超光速的过渡。

因此可以在长线电路中人为加入干扰,比如接入电容和电感,使信号的延时变大。干扰大到某种程度,就有可能使V2,超光速变成亚光速,由此证明V1>V2> c的情况确实存在。

四.与以往超光速实验的不同之处

此前的许多超光速实验是在反常介质中完成,实验条件非常复杂。结果还导出负群速度等,意味着光的传播方向相反,实际上是不可能的。比如2000年王力军的超光速实验,得到的就是负群速度,认为“光脉冲在进入铯原子气体室之前就已经离开气室”的荒谬结果。仔细考察王力军的实验,可以发现他的论文采用近似的色散公式计算,对图表的数据处理也有误。如果按照正确的计算方法,根本不存在超光速现象。

张操先生等的这个实验完全不一样,采用性质单一的铜导线作为传导介质,观察的是交流电压随时间的变化,而不是群速度、相速度这种说不清道不明的物理量,更不存在负群速度这种传播方向相反的东西。物理图像清楚,实验设置简单,计算也简单。交流电压随时间的变化可以形成稳定的图像,供直接观察,就容易判断实验结果和意义。

这个实验最主要的特点是采用两条不同长度的导线,只要信号传播速度不是无穷大,都会产生时间差。如果没有时间差,不是实验精确,而是信号传播速度无穷大。根据实验结果,在大部分条件下时间延迟都很小(小于1纳秒)。说明在一般情况下,电动势的传播都是大大超光速的。似乎只有在频率在1~5 MHz的区间,两条线路长度差为几米时,才刚好能观察到时间延迟,因此这个实验条件的选择在偶然中带有幸运色彩。

与其他实验最大不同也最关键的地方是,实验误差的影响是相反的。影响因素越大,电动势传播速度越小,时间延迟就越大。影响因素越大,电动势传播速度越大,这样的情况一般是不会发生的。由于减小干扰因素是有限度的,但增加干扰因素可以是无限度的,下一步实验重点应当是增加干扰。通过扩大时间延缓窗口,观察是否存在传播速度从超光速向亚光速的转换。

因此只要通过增加和减少干扰因素,进行更严格更系列化的实验,就一定能够确定是否真的存在电动势的超光速传播。

我认为与其他实验设计比较,这个实验是最有希望证实超光速现象的。

五.实验结果对狭义相对论的影响

如果实验结果是正确的,将对狭义相对论造成巨大的冲击。它证明光速不是极限速度,物质相互作用的速度可以超过光速。物理学至今只证明真空中电磁波的传递速度是光速,并没有证明电磁相互作用的传递速度不可以超过光速。

如果张操等的实验是正确的,相对论要做重大的修正,但未必会彻底否定相对论。狭义相对论有两条原理,光速不变原理和时空相对性原理。本实验与相对性原理无关,主要涉及光速不变。狭义相对论认为真空中光速不变,其严格的意义是,在两个惯性参考系上观察,光速是一个恒定的值。

然而真空中光速不变并不意味着介质中光速不变,事实上此前的许多超光速实验都是用反常介质来做的。如果在反常介质中出现超光速现象,并不意味着真空中光速不变被破坏。真空光速不变导致惯性参考系时空坐标的洛伦兹变换,与介质中的超光速相互作用是无关的。

问题在于爱因斯坦把光速不变原理推到极端,把两个惯性参考系上真空光速不变说成光速是极限速度。这在逻辑上和物理上都过度延伸了,就有可能是错的。

本人一直认为,光速极限的含义是,我们不可能通过加速的方法,使一个有静止质量的物体达到和超过真空光速。仅此而已,我们不可能有过多的期望。

对于电路中电动势这种东西,没有静止质量的概念,我们没有理由认为光速是其极限速度。这是一个实验问题,如果实验证明电动势可以超光速,理论上是没有障碍的。

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