张操:交流电可能超光速实验挑战了相对论
2016/5/3 千人智库
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导读经过几十年的研究，张操在超光速研究上又有了重大的实验突破。张操与廖康佳在今年11月的《现代物理》(汉斯出版社)上发表的最新论文的主标题是：“交流电速度可能超光速20倍”。
来源：中国科技新闻网
20世纪初，世界著名的物理学家爱因斯坦提出了划时代的物理理论---相对论。100多年里，相对论不但开辟了物理理论研究的新纪元，还在很多领域尤其是天体物理学中得到重要的应用。21世纪以后，相对论仍是基础物理学界的研究热门，然而100多年以来，对于相对论的争论从来没有停止过。
出生于1942年的张操是美籍华人(英文名TsaoChang)。在1980年，乘中国大地上的改革开放的春风，张操有幸得到了胡耀邦总书记的亲自关心，作为访问学者前往美国进修了近二年。回国几年后，他得到美国二个大学的邀请，作为客座教授去美国讲学，后来在美国 Alabama 大学从事空间物理研究。2013年，他曾经受聘为复旦大学现代物理研究所的外籍客座教授。
在中国与美国，张操教授曾教授过电动力学，近代物理等课程，发表过研究论文三十多篇。张操最擅长的领域是超光速研究，在该领域的论文中，最早的是发表于1979年的《A New Approach to Study theSuperluminal Motion》，中文译名《超光速运动的新途径》。文中介绍了一种推广伽利略变换的时间，当采用这种时间定义时，在任何惯性系观测到超光速粒子的运动，其时间箭头都是正向的。这样，就克服了超光速理论中时间倒演的困难。在1985年的一次国际学术会议上，他预言了中微子是超光速粒子。在2000年，他与复旦大学资深教授倪光炯合作研究了超光速中微子的量子方程。
经过几十年的研究，张操在超光速研究上又有了重大的实验突破。去年2月份，张操与复旦大学研究生廖康佳以及樊京博士在开源期刊《现代物理》(汉斯出版社)上发表了论文“导线中交流电场时间延迟的测定”。后来他们又发表了三篇论文。张操与廖康佳在今年11月的《现代物理》(汉斯出版社)上发表的最新论文的主标题是：“交流电速度可能超光速20倍”。
根据实验结果，张操指出：交流电源产生的电动势在电路内产生了交变电势差以及纵向电场。交变电场在金属导线内带动了电子运动，产生了电流和电功率。交流电(功率)的速度不是常数，它与电路参数相关。在大多数情况下，交流电的速度是低于光速的。但是在特定的电路参数情况下，交流电的速度可以超过光速20倍以上。这就是说，交流电在金属导线中可能以超光速传输信号和电能，而光速并不是一切物质运动的极限。
张操的结论是由实验获得的。关于实验的方法，他表示：“这个实验很简单，而且优点是实验结果很稳定、容易重复。”同时，他指出了实验的几个特定条件。
首先，由单根漆包铜线构成回路，单根漆包线的总长度小于10米;其次，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;再次，选用交变电信号的工作频率小于3MHz。工作频率越低，效果越好。最后，电路中采用大电阻，微电流。接收端的电阻为1MΩ，所以电路的阻抗严重不匹配。
“正是在上述特定的条件下，我们的实验发现了低频电信号在导线中的传播速度超过光速20倍。” 张操介绍说，人类虽然天天在使用各种电路的电器，可是对于低频电信号在导线中传播速度的研究很缺乏。他认为，纵向交变电场在金属导线中可能超光速传输信号和能量，这是物理理论中被长期忽视的解。电路中的交变电场信号既不是电磁横波，也不是纵波。交变电场信号和电能是导线中每一部分的电场带动电子在进行“纵向同步震荡”。
对于该实验，有学者提出另一个问题：交流电超光速实验中什么是客体?对此，张操表示，自然界的客体有两种形式。一种是有静止质量的有形物质，如电子、原子、分子等等;另一种是没有静止质量的无形物质——以太(即物理真空，表现为物理场)。现代物理学已经承认真空不空，因此，与其承认“物理真空”是“介质”，不如承认以太是客观存在的无形物质。“就本实验而言，客体主要是导线内部的电场(电场是单位长度的电势差;电势差又称为电压)，交流电的速度由导线内的电场决定。电场则带动了导线内的电子，产生了功率。”
张操还指出，实验的出发点是电阻-电感(RL)交流电路的电压方程，其中包含了欧姆定律，而欧姆定律是与麦克斯韦方程相互独立的定律，它不服从洛伦兹变换。因此张操认为，狭义相对论不适用于电路。关于电路中的欧姆定律不服从洛仑兹变换，很少有人注意到，教科书里也没有提到。然而，这个问题的确是个重要问题。因为我们每天都在使用电器，如果相对论不适用于电路，那么相对论的适用范围就很有限了。也因为相对论不适用于电路，在特定条件下，交变电信号有超光速现象，也就合情合理了。
樊京博士在南阳理工学院的实验室重复了张操与廖康佳在复旦大学的实验。他评论说：首先要确定实验测量的正确性，然后再讨论理论解释的正确性。不能把两个讨论混为一谈。根据樊京的重复测量，他指出实验测量没有问题。现在示波器的时间分辨率可以轻松达到0.5 ns(纳秒)。有些人认为几十纳秒的时间差测不准，这是上个世纪的概念。樊京指出，实验结果和电路理论完全一致，这没有什么好奇怪的。电路理论可以明确计算电感和电容的相位移动，而我们实验中的相移是由于交变电信号通过一定长度导线的电感引起的，也就是说实验中测量到的时间差是由导线的电感引起的。电路理论经过了上百年的无数次的验证，可是说是千真万确。有些人试图用传输线理论来涵盖电路理论，这是不正确的。
对于在实验室内的电路实验，研究电路的专家经常采用集总元件电路模型，这个电路模型是不计算导线长度的。张操指出，集总元件电路模型不考虑导线长度，其实它隐含了一个假定：交变电信号在导线中的速度是无穷大。所以张操他们的实验结果表明，在特定条件下交变电信号在导线中的速度超光速20倍以上，这不仅是合理的，而且也是对集总元件电路模型的改进。
张操说，他承认爱因斯坦是一个科学伟人，可是不能把爱因斯坦神化。同样，任何物理学理论都有一定的适用范围，不能把一个理论的推论作为放诸四海而皆准的真理。张操说：“值得强调的是：我们实验中的采用的理论公式是电路理论的基本公式，它是与麦克斯韦方程组相独立的。所以，交变电场的感应速度与电磁波的速度没有相关性。电感的近场电磁感应速度可以超光速。对于6米的长度，光的传输时间是20纳秒。我们实验中测量到1纳秒级的时间差，要归功于本世纪以来示波器技术的进步。”
他们的交流电速度可能超光速的实验，已经有5个以上实验室的重复。
从人类每天的实际活动，我们知道：时间是单向的，它代表万物运动的顺序性。时间的单向性本来就是一条公理，它与人类的活动无关。
从物理学的量化角度，时间也是比光速更加基本的物理量。狭义相对论的时间定义不是时间的唯一定义。
因为这个实验是中国原创的实验，又有重大的科学意义，所以，张操和他的合作者希望与电路专家和电磁学专家一起共同研究，争取为电路理论以及物理学的发展提供新途径。他们也向中国的科学界呼吁：请有条件的实验室进行更多的条件试验，请有关科研部门及时召开研讨会。
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