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宏观物体超光速现象实验设计 贵州省平坝县第二中学（陈诚） 邮编：561100 E-mail dd8185@126.com 摘要：理论上可以证明光子静止质量不为零。假设光速是极限速度则便会推出物质的运动只具有相对性，这将与物质运动绝对性相矛盾，所以“光速是极限速度”结论不成立。理论上由六个变速轮便可使宏观物体的超光速现象在实验中产生，进一步探讨亦表明存在宏观物体超光速现象的实验可行性，故要想证实存在宏观物体超光速现象时此类办法值得一试。附注：由变速轮变速后的透镜将具有很大的动能，所以经过该透镜的光将可能由于能量交换而具有能量增加的现象产生，从而也可能由这种光的光学数据计算出微观粒子的超光速结果。 关键词：光子、超光速、相对论、变速轮、极限速度、前沿物理、光学测量仪、光子静止质量不为零 1. 引 言 光子静止质量问题、超光速现象等前沿物理问题早已成为人们关注的热点，王力军博士“光脉冲在铯原子气体中的群速度为光速的310倍”的“超光速现象”报道曾在看似平静的光学领域荡起过微微涟漪，尽管这个报道并未带来“光速极限”认知的真正突破，但这实际上也表明了一个事实，即“光速极限”结论并未真正被人们公认。光速问题是现代物理的基础性问题之一，现代物理几乎都表明了一个普遍性问题“真空不空”，因为“真空不空”，所以“真空中光速不变”原理来源不清，即“真空中光速不变”原理至少不能算是最完善的结论，从而“光速极限”结论实际上至少还存在着某种瑕疵。现代物理的不少理论实际上都暗示了超光速现象的存在性，天文观测也有同感，微观领域也有不少超光速现象的疑点，因此，相对论的“光速极限”结论似乎并不确切。笔者亦认为“光速极限”结论有疑点，证明如下：因为物质运动是无条件的，假设光速是极限速度，即表明存在某个速度范围，这个范围将使任何物质运动速度永远都不能超越它，因而物质永远都只能相对这个恒定速度（30万公里／秒）条件去运动，即物质的运动永远都是有条件的而不是无条件的，这将与物质运动无条件性相矛盾，所以“光速是极限速度”假设不成立。 虽然理论上表明超光速现象是存在的，但迄今为止人们对超光速现象仍是束手无策。历史上不少人为了寻找到超光速现象而想尽了办法，但也都是功败垂成，而某些超光速现象的“发现”，如果不是人们难以琢磨的微观现象的若有若无，便也只是在现实中无实用价值而近乎理论的东西，这似乎表明超光速现象（尤其是宏观物体超光速现象）如果不是不存在的则就是其出现是非常困难的，故以下设计的实验成功率可能并不高，笔者谨以此作为“光速是极限速度”结论否定的实验切入点献给读者，能收到抛砖引玉功效则足矣。 2. 正文 2.1 实验目标： 飞轮旋转的线速度超光速。 2.2 实验理论推导： 设变速轮由半径不同的两个转轮构成，大轮半径为R，小轮半径为r， 且R=10r，等于大伦半径的主动轮角速度ω为电动机转速每秒50转，其线速度为V，V=ωR。 第一次变速后： 小轮线速度Vr1为变速前大轮的线速度V，即：Vr1= V， ∴ 小轮角速度ωr1为： ωr1=V/r = (R/r)ω， 大轮线速度VR1为： VR1=ωr1R=(R/r)ωR； 第二次变速后： 小轮线速度Vr2为第一次变速后大轮的线速度VR1，即：Vr2= VR1， ∴ 小轮角速度ωr2为： ωr2 = (R/r·ωR)/r=(R/r)2ω 大轮线速度VR2为： VR2 = (R/r)2·ωR； 第三次变速后： 小轮线速度Vr3为第二次变速后大轮的线速度VR2，即：Vr3= VR2， ∴ 小轮角速度ωr3为： ωr3 =〔(R/r)2·ωR〕/ r =(R/r)3·ω， 大轮线速度VR3为： VR3 = (R/r)3·ωR； ……………… 第n次变速后： 小轮线速度Vrn为第n－1次变速后大轮的线速度Vn -1，即： Vrn= VR (n -1)， ∴ 小轮角速度ωrn为： ωrn = (R/r)n·ω, 大轮线速度VRn为： VRn = (R/r)n·ωR； 把上面的推演过程简化在表格上即
现在，要使第n个大轮的线速度超过每秒30万公里的话，只要使等式VRn = (R/r)n·ωR中的VRn大于3×108（米/秒）便可。 ∵ 圆周率π大于3 ∴ 108π> 3×108 即：当108π= (R/r)n·ωR ① 时，第n个变速轮超光速现象成立。 究竟需要多少个变速轮呢？设R为1米，把相关数据代入①，得： 108π=10n·(50×2π) ×1 即：106=10n ，∴ n＝6。 n＝6表明，使用6个大轮半径为1米，小轮半径为0.1米的变速轮，在转速为每秒50转的电动机带动下，经过6次变速后便有可能实现最末一个（第6个）大轮线速度大于每秒30万公里的超光速现象！ 2.3 实验可行性探讨： 相对论之所以认为超光速不存在，其中一个重要结论就是：当物质以光速运动时，它的质量和能量都将会变得无穷大。这个结论实际上是有破绽的，最直接的证据就是物质“光子”以光速运动时其质量和能量都并不是无穷大（“光子静止质量为零”之说实际上并不成立，请参看后文附录《“光子静止质量为零”证伪》或本文作者文章《“质速关系式”的谬误》）。 事实上，理论与实际往往有很大的差别，既然要确信超光速现象的存在，这自然就不能以光速数据确定的相对论来衡量物质运动时质量和能量的增量，在此，本文暂时撇开相对论的质能增量理论，先用转动物体在达到超光速情况时的能量情况来作实验可行性的估计。 要使变速轮具有足够的机械强度则应考虑使用较特殊的钢材，假设钢材密度d=10。变速轮半径的设置及电动机转速可以有多种，但推理方法基本是一样的，不过是变速轮数量有增减而已。本例设电动机转速为每秒50转，半径为10比1及变速轮厚度h=1cm（实验时可对传动部位几何形状及尺寸精心设计）目的是方便计算和兼顾实验可行性，同时也是为让稍有数学知识的读者都能看懂。 经过6次变速达到第6个大轮线速度超光速后，该轮转速ω6为： ω6＝(R/r)6ω 这时，变速轮的动能为大小两个变速轮动能之和，由转动动能公式 Ek=1/2Jωk2（J为转动惯量） 得： E6=1/2Jω62 =1/2JRω62 +1/2Jrω62 =1/2 (JR + Jr)ω62 =1/2 (1/2MR2 + 1/2mr2)ω62 =1/4(πR2hd·R2+πr2hd·r2)ω62 =1/4πhd(R4 +r4)(R/r)12ω2 即此时第6个变速轮的动能为： E6=1/4πhd(R4 +r4)(R/r)12ω2 ② 把相关数据代入②，计算得： E6≈7.74×1018焦耳 这个能量大约等于燃烧2.64×108吨标准煤炭!! 乍一看这么大的能量在哪里去找相应动力设备来做实验呢？实际上，这个巨大能量可看作是小能量经过较长时间源源不断积累的最终结果。变速轮开始转动时转速并不大故能量当然也就不大，经过足够长时间后才具有超光速及其能量，因此这样的动力设施是不难设计的，更何况现在的高压大功率动力电机已经很普遍了。另外，此能量显然是来至于前述钢材密度和厚度假设下的、用最笨办法设计出的重300多公斤的变速轮旋转到超光速后的结果，其实经过合理设计后该轮将不会有这么重（最后一个大轮不再往下传递动力，采用类似机械钟传动设计时则该轮的质量将会大为减小），最终能量当然也不会有这么大。 不难想象，就算6个变速轮都是这个巨大能量，总起来也远不及地球自然能源的九牛一毛（我国2005年全年产标准煤20.6亿吨；发电量24747亿千瓦小时；原煤21.9亿吨；原油1.81亿吨…），更不是相对论结论中的无穷大能量!! 历史上，为了提高粒子加速器的加速功能人们伤透了脑筋，最后还是无法使相应粒子达到理想速度境界（是否是真空度问题而影响最终速度的提高这似乎没有新的结论），由彼推此应该看到，要使某飞轮的线速度产生超光速现象可说是困难重重，理论分析物体运动速度很高后将会与空气摩擦而生热（故本实验设计若能在某真空度环境中进行应该要理想得多），因此，即使有很好的润滑和冷却系统也难以避免变速轮之间、转轴轴承与支架之间的接触等高热的发生，以及这些热与变速轮高速旋转到接近或超光速时离心力带来的材料强度问题、安全问题等人们都还一无所知。究竟宏观物体运动是不是不存在超光速现象，或者只存在一个比光速低得多的速度极限问题，应该说要经过精心设计，反复严格实验以后才能最后下结论。 根据以上分析可知，要用人为方法制造出宏观物体的超光速现象并不一定就是绝对不可能的事。换句话说，如果想证实超光速现象在宏观领域的存在性，则类似上述实验的设计就值得一试！ 附注 一般认为超光速现象不会发生在物体界。不过，任何高精实验实际上都离不开物体的支撑，所以即使上述实验不成功，作为该实验的副产物，也可能会由此开辟微观领域超光速实验的另一路径（上述实验设计仍具有新的利用价值）： 经过变速轮变速后某飞轮的转速将会非常的高，因而它的动能也相应会非常的大，如果把这个飞轮换成透镜的话，则经过这个透镜的光的能量将可能会由于能量交换而增大，这时用采光仪器（可恨笔者手中没有相应采光仪等设施，否则实验结果应该指日可待）把这种能量增大后的光输到光学测量仪中进行数据分析时也有可能计算出超光速结果，不过这只能表明超光速现象在微观领域的成立性，因而还是难以说明超光速现象的普遍性。尽管如此，这也是了不起的结论！ 3. 结论 ① 用变速轮变速的办法有可能在实验室人为制造出宏观物体的超光速现象； ② 用变速轮使透镜高速旋转后，把通过透镜的光输到光学测量仪中进行数据分析时有可能计算出微观粒子超光速结果。 ------------------------------------------ ［附录］“光子静止质量为零”证伪 贵州省平坝县第二中学（陈诚） E-mail：dd8185@126.com 摘要：光子的物质性是无可置疑的。“光子静止质量为零”含义有二：①相对任意参照系已经存在的静止不动的光子没有质量；②不存在相对任意参照系静止不动的物质光子。无论指的是①还是②“光子静止质量为零”结论都是不成立的。 关键词：光子；参照系；物质质量；基本物理量；光速极限；光子静止质量为零 引言：人们在“光速极限”结论面前基本上都束手无策，其中一个无奈就是“光子静止质量为零”假说。这个假说客观吗？现代物理要发展，则对“光子静止质量为零”假说就有重新审视的必要。 正 文 谁都知道，光子的物质性早已被公认，即光子是一种物质。由于光子在空间上有一定的线度，因此也可以认为它是一种物体。人们公认的物质质量定义是：质量是“物体所含物质多少的物理量”（质量也是物体惯性大小的量度，是国际单位制的七个基本物理量之一，单位是千克），因此，“光子质量”即是物体光子所含物质多少的量度。“光子静止质量”顾名思义即相对某参照系静止不动的光子质量。 “光子静止质量为零”有两个含义：①相对任意参照系而言，已经存在的静止不动的光子没有质量，故称其静止质量为零；②相对任意参照系而言，不存在静止不动的物质光子，当然就没有这种相应光子质量，故称其静止质量为零。 如果“光子静止质量为零”指的是①的话，则表明此时的物质光子必须要相对“新”参照系运动时它才具有物质属性“质量”（事实上已经存在的任何东西包括“已经存在的相对某参照系静止不动的光子”都是在相对其它参照系运动着的，即不存在绝对静止光子。相对某参照系静止的光子并不表明它相对任意参照系都是静止的，只不过参照系不同它们对外显示的运动方式不同而已），即此时的光子物质属性“质量”不是物质光子本身的固有属性（因为质量为零即表示它不含有任何物质）而是其物质属性“质量”要取决于“新”参照系，这实际上是与已经确认的光子具有物质属性的结论相矛盾的。 如果“光子静止质量为零”指的是②的话，即表示有限体物质光子相对任何参照系都是运动的。假设物质光子相对任何参照系都是运动的，则至少表示永远不存在某时刻任意物质相对光子的静止状态情况，故表明任意物质的运动永远都是相对的而不是绝对的，即任意物质永远都要相对光子的某种“不静止”（如恒定速度30万公里／秒）运动形式去运动。表面上看去这种运动相对性起码有一定的合理性，但实际上是与物质运动绝对性相矛盾的：物质运动的绝对性指的是一种永恒性和无条件性，有条件它要运动，无条件它也要运动，即它不受任何条件所限，当然也不会永远都要相对某种“不静止（恒速30万公里／秒）”法则去变化或去运动。 实际上，任意有限体的任意宇宙规律的体现都少不了运动与静止的合作。就跟不存在某“有限体永远都会相对任意参照系静止”一样也不存在某“有限体（光子）永远都会相对任意参照系恒速运动（30万公里／秒）”的情况，即：一定会存在有限体光子在某时刻与某参照系相对静止的情况。假设不存在“有限体光子在某时刻与某参照系相对静止”的情况，则表明存在某种“永远排除相对静止状况”的宇宙规则，这个规则将使某物质（光子）永远都要在某种一成不变的规律（恒速30万公里／秒）中去运动，这显然是与物质运动的无条件性相矛盾的。 著名的“光速不变原理”实际上也指出了这么一种事实：至少在某时刻同一方向的某光子与另一光子是相对静止的。只不过“光速不变原理”把光子运动的客观规律绝对化了（“光速不变原理”认为同一方向任意光子之间是相对静止的，也就是所有光子都是以恒定速度30万公里／秒去运动的）。光子的物质性已经是被公认了的，如果承认“光速不变原理”，那么这里首先必须确认光子系统不能视为某参照系，因为按“光速不变原理”将导出同一方向的每两两光子的相对速度都为零，这将与前述②光子“相对任何参照系都是运动的”之假设是相矛盾的。但是如果承认光子是一种物质时，则客观上就没有理由可以把光子系统排除在参照系集之外。 不难理解，所谓的“光速不变原理”，事实上至多也只是在迄今为止的所有实验中被证实了，这个原理会不会在将来的实验中永远不变，随着实验技术的日益精进，相信谁都不敢作出肯定性（永远不变）的回答!! 综上所述，“光子静止质量为零”的假设无论是指①还是指②都是不成立的，所以“光子静止质量为零”假说或结论不成立。 结论：光子存在静止质量（或：光子静止质量不为零）。 参 考 文 献 高等学校试用教材（笔者在安顺师专就读时的教材）《普通物理学》（程守洙江之永主编1978年9月第三版）人民教育出版社出版。 作者简介：陈诚（生于1954年9月），男，汉族，贵州省平坝县第二中学（中数一级）教师，1983年毕业于贵州安顺高等师范专业学校（数学专业）业余喜欢从事计算机知识、物理前沿理论知识探索，研究方向：物理前沿理论。 手机：15885756611 原创修改日期：2007年7月5日 |