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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》2015年2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>V2，t = 1纳秒。由于D2>>D1，V1>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<V2<21.3c，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0.1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V1和V2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，0.1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<c，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，光速极限的含义只能是，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。 |