超光速实验的一个新方案.doc

1超光速实验的一个新方案黄志洵 *（中国传媒大学信息工程学院，北京 100024）摘要：Einstein 的理论并非神圣不可侵犯，超光速将开启新物理学的大门，而自 1955 年以来一系列理论与实验研究企图发现超光速现象，多个 实验显 示超光速是可能的本文在回顾 1955 年至 2009 年的研究后，得到 “超光速是可实现的科学陈述”的结论因此，狭义相对论关于“没有可以超光速行进的事物”的说法归于无效飞出太阳系是人类长久以来的理想， 飞行速度最好达到光速或超光速当然这很难做到，但也不是绝对不可能1947 年超声速 飞机试飞成功突破了 “声障”一事已成历史，而可压缩流力学似可用到超光速研究中来，即以空气动力学成就作为 突破“光障”的参考从理论上讲研究“量子超光速性”是很重要的，具体包含两个方面：量子隧穿及量子 纠缠态，它们分别对应小超光速（ 104）现时的超光速研究可考虑用圆/vc/vc截面截止波导（WBCO）来改造直线加速器，再 检验电子的运 动；亦即用量子隧穿以实现超光速，而在经过势垒之后波和粒子的能量减弱这与突破声障的情况（例如 Laval 管）相似为了研究飞船以超光速作宇宙航行的可能性，必须尝试使中性粒子（中子、原子）加速运动并达到高速。

然而现实是不存在中子加速器，因此发现以超光速运 动的电子（奇异电子）是科学家不妨一试的实验课题从波 动力学和波粒二象性的 观点看， “群速超光速”在实验中取得了广泛的成功，预示着粒子形 态的电子以超光速运动的可能性存在但后者与前者一样必然是“小超光速 ”这正好体现了电磁作用的传递速度（电磁波本征速度）仅为光速的事实，亦即无论波动或粒子的运动都只能在特殊条件下比光速 稍快c关键词：超声速；超光速；量子超光速性；直线加速器；截止波导；奇异电子1 引言超光速研究的意义可从几方面说明首先，现在的航天、宇航活动（太阳系内的飞行叫“航天”space flight，飞出太阳系的飞行叫 “宇航”astronautic）中，宇宙之大使人们觉得光速（ ）实在是太慢了例如 2003 年 1 月美国航天局（NASA）与 1972 年发射的c《先驱者-10》探测器（迄今唯一飞出太阳系的人造物体）联系的时间竟然长达 11h，传达指令和通信不能及时完成相对论不仅认为物体的运动速度不能超光速，信号传播也不能超光速；但在量子理论中却无此限制2008 年 8 月 14 日《Nature》发表了瑞士科学家的实验结果 [1]，证明量子纠缠态的传播速度是超光速的，即 1）飞行，这是在 1947 年 10 月 14 日，M当时美国 X-1 火箭动力研究机达到速度 =1078km/h[6]，对应 =1.105。

1954 年 2 月 28 日，美国 F-104 战斗机原型机试飞，达到声速的 2 倍（ =2） 真空中光速 =299792458m/s，约为 341m/s 的 8.8×105 倍如此之大的差距，再加上c真空中光速 是基本物理常数之一（声速却不是常数） ，把两个领域（声学、光学）的事情放到一起，似乎没有可比性但波动力学的发展却告诉我们相反的结论1759 年 L.Euler 首次得到了 2 维波方程，是对矩形或圆形鼓膜振动的分析；以 ( , , , )代表膜位移，fxyzt是由膜材料和张力决定的常数，他得到c+ =2fx2y1c2ft在他的论文（“论声音的传播” ）中进一步分析得到了 3 维波方程= (2)2f2fat式中 = + + ，而 是振动（力学振动或声学振动）变量故从一开始波方2x2yzf程（wave equations）就是横跨力学、声学而发展的，对数学家而言声学和力学的边界是模糊的由于光的电磁波本质，声学与光学的关系，可理解为声学与电磁学的关系从3Maxwell 方程组出发得到的波方程为= (3)21v2t式中 = ，而 、 是波传播媒质的宏观参数。

3)式与(2) 式的一致性说明，波动过v1程有统一的规律存在 [7]因此，尽管声波的传播速度与光波的传播速度数值上相差巨大，但从数学上和物理上对“突破声障”和“突破光障”作比较研究仍是可能的和有意义的在以后的论述中我们将不断把空气动力学方程与电磁学方程作比较静电场是最基本的场；任何静电荷产生的电场的旋度为零，静电场是无旋场在体电荷密度为零的区域电位函数满足 Laplace 方程在空气动力学中，研究流体运动时使用两个基本函数，即位（势）函数 和流函数 ；当气流速度低时平面流动中视气流密度 为常量，并以 Laplace 方程描写 2 维流动：+ =0 (4)2xy+ =0 (5)22这是不可压的无旋流方程，它们是 2 阶的线性微分方程如气流速度增大，到一定程度应视为变量，可压缩流体作平面无旋流动时的基本方程为 [8]+ =0 (6)2(1)xvc2xyvc2(1)yvc+ =0 (7)2()x2xy2()y显然，若 → ，方程退化为较简单的 Laplace 方程，此即不可压流体的情形。

我们注意c到，虽然出现了因子 ，但并未出现“声速 不能超过”的情况2(1)vc理想流体的可压缩流有多种解法，其中之一是扰动线化法参考直匀流的情况，规定来流的流速为 ，声速为 ，Mach 数为 ；那么位（势）垒方程经处理和线化后，在vcM2 维流动条件下可得+ =0 (8)2(1)Mx2y线化过程中限定 不能太大，即不是高超声速流；亦不能是跨声速流我们注意到，在亚声速流场上， 0，方程是椭圆型的；其性质与不可压流的 Laplace 方2()程基本一样然而对超声速流场而言， >1， 1，也不出现虚数杨新铁 [10]指出，出现奇点现象本质上是因为强非线性问题被当作小扰动线性方程求解问题，物理学的 SR 与空气动力学中的可压缩性线化描述是一致的为了借鉴空气动力学中的强非线性描述方式就得容许对 SR 添加一些高阶的非线性的修正 ……对他的意见笔者有如下理解：空气动力学所处理的是复杂系统，在 20 世纪 40 年代其发展经历了从线性化处理到作为非线性系统而处理的阶段然而 SR 自诞生后就凝固化了，仍停留在初期的线性化阶段，而且理论物理学家拒绝作任何改变。

航空界的飞机设计师们却没有诸多的理论思想限制，很快就实现了超声速飞行总之，把今天讨论的光障与过去的声障作比较研究是合理的，人类实现超声速飞行的过程带给我们有益的启示这虽不预示很快就将实现超光速飞行，但端正认识后将能较好地指导今后的一些实验3 怎样看待“光障”先看物理学中与“光障”有关的理论1905 年 Einstein[11]推导了电子动能公式= (12)kE20mc21v是电子的静止质量；规定0m= = (13)21vc2则有= (12a)kE20m(1)使用 SR 动质量公式：= (14)0则得= = (12b)kE2mc0E0这里 是总能， 是静止能量上式也就是E0= (12c)k240pc2c6式中 是动量， ；由上式可得pmv= (12d)2c201kmcE对于电子便可计算出定量的函数关系曲线，纵坐标用 或 都可以（数值取 0~1） ，/v2c横坐标可取比值 （数值取 0~14） 。

计算得到的 ~ 关系曲线，起始段 随20kEkv增加而增大，后头逐渐趋于饱和，始终保持 的加速后果，可以两方面解释：①Einstein 的推导假定电子在静电vc力的作用下缓慢加速，而电磁场本身不能提供比 更高的速度；②SR 质速公式在 > 时所vc出现的虚质量 的无意义性，决定了不会出现 > ……然而，正如前面所说，SR 理论mv对出现奇点的判断是可疑的；正如空气动力学时当 = (声速) 时密度不会是无限大一样，c电磁学中 = (光速)时质量也不会是无限大vc现在看看科学界的一些实验1964 年美国 W.Bertozzi[12]用直线加速器 LINAC 进行针对公式(12d)的实验，他计划中的能量范围是 =(0.5~15)MeV，但实际上只有 1.5MeV 和kE4.5MeV 的实验才有可用的数据因而，实验者的结果— —认为方程(10d) 已获得证明，因而“超光速不可能性”也获得了证明——，是非常不充分的在国内，近年来季灏 [13]在上海应用物理研究所进行了实验，实验在直线加速器上进行，方法与 Bertozzi 相似（Bertozzi是电子束轰击铝盘，测量该盘的温升；季灏是电子束轰击铅盘，测量该盘的温升） 。

电子能量分别为 8MeV、10MeV 、12MeV、15MeV，所选能量为 Bertozzi 实验计划的高端范围据计算， =8MeV 时电子速度 =0.9982 ， =15MeV 时电子速度 =0.9995 这些数kEvckEvc据是由公式(10d) 算出的 ，实际上是否这么大并不清楚实验的结果是奇怪的 ——铅台的温升并未在提高 时随之升高，而是大体上处于不变的状态（其值比 Newton 力学值稍高，k但都不随 的增大而升高） 这种怪异的现象当然需要作出解释，而“回到 Newton 力学”只是可能的几种解释中的一种我们再回顾 2006 年发表的测量电子动能与动量关系的实验 [14]，它是复旦大学物理系朱永强副教授协助季灏先生完成的这里也涉及 Newton 力学与 SR 的对比，前一情况下有= = = (16)kE12mv2p1c2()对电子而言 = ，可以算出 与 的函数关系曲线由于 = ， 是具有能mecp()emcvp量量纲的物理量，与电子速度 成正比取 =0~2MeV，可以画出 ~ 关系曲线当kE增加时 迅速增大另一方面，SR 的 ~ 函数关系即公式(12c) ，它与(16) 式根本pck kp不同，当 增加时 较为缓慢地增大。

在复旦大学物理系的实验室内，使用kE90Sr→ 90Y→ 90Zr 原子核衰变中发出的 电子束，电子能量从 0 到 2MeV 连续分布，电子速7度从低速到高速都有；它们射入真空室后在均匀磁场作用下作圆周运动，然后被能量探测器接收实验结果是，磁场 B≤600Gs 时实验曲线与 SR 理论曲线吻合（实验时B=265Gs~633Gs） ，而在(800Gs~1210)Gs 时与 SR 理论曲线相差较大，却靠近 Newton 力学的理论曲线因此实验证明 = 是一个近似公式kE240pcm2c综合以上实验，回顾空气动力学中对飞行器达到声速（ = ）时的奇点问题的处理，v便可以领悟到问题出在哪里相对论中处处出现的因子 = ，使动体的质量、动21/()量、能量在 = 时都成为无限大这绝非真实物理世界的反映，无论质量、动量和能量都vc没有成为无限大的可能中国科学院资深科学家、电磁理论专家。