yangxintie1的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yangxintie1

博文

[转载]光障挡不住人类前进的脚步,纪念第242次香山科学会议十周年

已有 2493 次阅读 2016-6-30 11:39 |个人分类:相对论属于近似|系统分类:论文交流|关键词:超光速,相对论,流体力学,空气动力学,声障,光障| 相对论, 流体力学, 空气动力学, 超光速, 声障 |文章来源:转载

光障挡不住人类前进的脚步纪念第242次香山科学会议召开10周年

黄志洵 (中国传媒大学信息工程学院,北京100024)

   

第242次香山科学会议的主题是宇航科学前沿与光障问题”。如所周知A.Einstein于1905年断言超光速没有存在的可能”,后人称为光障”。但在这次会议上宋健院士指出,该说法仅是假设,因为超光速运动不能完全

观测,在什么也看不见的地方只能是猜测或假说 现在把太阳系内飞行称为航天,系外飞行称作宇航 估计在本世纪将有第一批宇航员飞出太阳系并安全返回, 而飞出太阳系是人类的伟大理想 但这有许多理论与技术问题需要解决 所以必须加大航行速度,应达到光速,可能的话应为超光速

 本文回顾了10年前召开的第242次香山科学会议的成就,探讨了2003 ~2013年间的超光速研究工作,首先对光障和声障作了比较研究,认为可压缩流体力学可用在超光速研究中 空气动力学发展对突破光障有参考

作用其次讨论了信息速度问题,指出近10年来负群速(NGV)已在许多科学实验中发现,而NGV是超光速的一

种形式众多群速超光速实验是很大的成绩,从波粒二象性角度看就有可能发现以超光速运动的奇异电子故可

考虑改装加速器,使粒子在通过某种势垒后能量减小从而速度加快(v>c区域的规律)。这类似于使Laval管突

破声障的方法。……本文还讨论了 Alcubierre 曲速引擎的改变空时以实现超光速宇航方案,虽只是假说,但美国时代 周刊已于2012年9月19日报道说:“美国航天局着手研究超光速曲速引擎”。因此,重要之点在于NASA已认可超光速宇宙航行根据10年来超光速研究的发展,认为新学科 超光速物理 的建立已是既成事实最后进一步讨论了真空中光速c的定义及光速恒定性问题

关键词:香山科学会议;光障;超光速宇航;超光速物理;曲速引擎

节选内容:

宋健认为, 20 世纪下半叶至今, 很多物理学家继续研究存在超光速运动的可能性 但是, 从早期的虚质量 快子, 到改变空间尺度 超光速传播 负质量等努力都没能绕过 = v / c = 1 这个奇点 从技术科学来看 光障 , 这个奇点的产生不是来自数学,而是来自以光学和电磁波手段测距的技术基础 用光学或雷达往返信号时间间隔之半去定义距离, 用这种技术, 由于光速的有限性, 根本看不到运动速度等于和大于 c 的目标, 所以它不可能成为研究和发展超高速宇航的基础SR 公式的适用范围只在 v < c 的范围内才有效 如果飞船以等于或大于光速 c 的速度离去, 那么从地面上发出的光或任何频率的电磁波都不会有

回波, 地面根本看不见目标 如果飞船以 v > c 向地面飞来, 地面将看到一条反转的轨迹, 晚发出( 或反射) 的信号早收到, 有如离我而去 所以从技术实际来说用电磁波不能完全地观测超光速运动 在什么也看不见的地方, 或者无法取得任何信息的领域去讨论它是什么样子, 只能是猜测或假说 所以,光障只是猜测, 不能把这当作 科学定律 , 因为没有试验根据 无论如何, 我们看不见它不能成为不存在的证据.

他的报告大气磅礴, 既充满激情又脚踏实地, 10 年后重读之仍令人激动 最后他回顾了人类突破声障实现超声速飞行的历史, 期待在光障问题上也有类前景 在报告中他提到, 近年来很多学者对超光速存在的可能性进行了大量研究, 许多结果令人鼓舞 中国科学家在超光速及相关问题上也取得了进展 例如, 2000 年王力军等率先在光频以量子光学实验实现了超光速群速和负群速; 北京大学陈徐宗等在光频以实验实现了超慢光速和负群速; 北京广播学院黄志洵 逯贵祯等在短波以实验实现了模拟光子晶体结构中的超光速群速 这些进展体现了中国科学家的创新精神和努力, 是非常可喜的中国运载火箭技术研究院林金研究员是卫星导航与惯性导航专家 国际宇航科学院院士; 他在作报告时说[4]: 火箭自主惯性导航理论模型发人深省之处在于: 一个运动质点自己可以测量自己相对一个给定惯性系的加速度 速度和位置, 作为运动质点上自带的钟有时间的函数 原理上无需与外界交换信息, 可以不存在任何信号传递的速度问题 自主的纯惯性导航系统是基于引力场的基本性质; 即使没有光和电磁场, 纯惯性系统照样工作, 照常自主定位 自主测速 那么在一个只有引力场而无电磁场的世界中, 为何每秒 30 万公里会成为速度的极限?只要开发出新型动力源, 宇宙飞船航行速度不存在上限, 未来的载人宇航理论上没有限制在这里还要指出, 到2010 年林金[5]更深刻地对超光速宇航可能性作了论述 他指出, Einstein 早年

的理论是对今天惯性导航原理的描述, 而后者只用一只钟的固有时间, 完全自主, 无需发射或接收光( 电磁) 信号与外界联系 飞船相对惯性坐标系作加速飞行, 只要积分时间够长, 飞船相对惯性系的速度可以超过 c 3 × 108m/ s 被 9. 8m/ s2除, 得到 354天, 亦即大约一年后飞船速度超过 3 × 108m/ s 也就是说, 宇航员只看惯性仪表指示即可作超光速宇航。

中国传媒大学黄志洵教授的报告讲了以下几方面内容[2]: Einstein 为何认定有 光障 存在; 超光速研究的3 个阶段; 不越出 SR 框架的超光速研究; 几

类不同的超光速问题; 关于负波速; Proca 电磁理论中的波速度; 关于引力速度 他认为几十年研究已证明超光速可以实现, 但还处在初步阶段首都师范大学物理系耿天明教授在报告中说[6], 一个由真空的电磁特性常数 E0 和 Mu0 决定的电磁作用传递速度 c = (E0 Mu0 )**(- 1 /2)为什么可以操控其他所有作用的传递快慢? 这是于理解的 电磁场其实是一种特殊的现象, 它不具有普遍性 自然界存在各种类型的作用, 在形式上有力、势 、关联或纠缠, 在途径上有通过媒介的和直接超距的; 在传递速度上有光速和超光速的 例如电磁场理论是针对电磁作用而言的, 并不涉及引力作用, 因此, 本该和Newton 引力论各司其事, 并行发展 但相对论的出现打破了二者并行不悖的局面 狭义相对论虽不涉及引力问题, 但 Einstein 称光速 c 是一切物理作用和信息的传递速度之最高极限, 不得违反, 并将此戒律 作为一条原则( 常被称为光速极限原则或定域性原则) , 去判别一个物理事件或过程能否发生,这就不对了 自然界原本是丰富多彩的, 所以对它的理论描述和解释不能过分简单化


  西北工业大学航空学院杨新铁教授是空气动力学家, 他在题为"突破光障"的报告中说[7], 空气动力学发展的早期遇到的困难和探讨超光速问题遇到的困难相类似 考虑亚声速情况下流动的性质, 按照小扰动理论, 对于缩口管道流动来说, 如果把相对静止时的质量密度看成是 r0, 那么相对速度为B时

的质量密度就增长为:  

    r=r0/(1-B**2)**(1/2)        ( 1)

式中 B= v / c, 即Mach 数( 在航空界用M) , 现在 c 不是光速而是声速 这个关系和相对论力学中的质速关系完全一样; 后者为

   m =m0/(1-B**2)**(1/2)        ( 2)

式中 m0 是静止质量 现在, 只要 B= 1, 密度或质量就会成为无穷大, 此处为奇点 若 B> 1, 就出现虚密度或虚质量 由于有 Laval 方法, 把不断缩小的喷管后面又接上了一段截面扩大的扩张管, 再做实验, 他发现只要压力足够大, 在扩大截面部分出现的竟然是超声速流动 原公式那个质量无穷大只是数

学式子上的一个无穷大, 搞工程的人只要不被那个数学式子挡住路, 就可以产生超声速 同时也说明实际的变化是非线性的 线性描述有无穷大奇点,非线性描述无无穷大奇点 飞行器设计师们知道 B> 1 情况下应当采取双曲型变换来计算, 他们就可以绕开原来那个带奇点的数学式, 制造飞行器并进行超声速飞行实验, 终于在 1947 年试飞突破声障 北京广播学院黄志洵教授多年前就提出了利用量子隧道效应来实现超光速, 现在又进行了超光速测量的实验 所有这些实验正是光波通过势垒减小能量时出现的 按照新的强非线性系统角度来看,

正是方程的系数 (1-B**2)**(1/2) 在这个地方变了一个号, 或者说相对论线元在这个地方改变了表达式 如此就可以理解为什么经过减质和消能以后速度反而加快.

  在其他学术报告中, 北京师范大学天文系曹盛林教授从 Finsler 几何角度分析了超光速可能性等问题[8]; 北京大学陈徐宗教授介绍了课题组在光频完成的负群速实验[9]; 中国传媒大学逯贵祯教授介绍了课题组在短波完成的同轴光子晶体群速超光速实验[10]; 首都师范大学物理系沈京玲教授介绍了英

国科学家在太赫波段利用消失波( 微型截止波导和双三棱镜) 完成的超光速实验[11]; 北京石油化工学院董晋曦教授详细论述了 SR 理论中光速不变原理

存在的问题[12] 这些报告都给人耳目一新之感


3 突破光障 与 突破声障 的比较研究


   对会议的回忆到此为止,以下将论述超光速研究的发展, 并提出笔者的观点 首先用比较研究法讨论“突破光障” 与“突破声障” 如所周知, 声学和光学是两门不同的学科 声波是声源在媒质中引起质点在平衡位置振动造成的, 是机械波, 在真空中不能传播 光波是电磁波, 在真空中可以传播 声速和光速的差别非常大, 接近 6 个数量级 空气中声速 c = 344m/ s ( 20℃ 时) ; 真 空 中 光 速 c =299792458m/ s, 在媒质中光速为 c /n( n 是折射率)

两个方面似乎缺乏可比性 然而,无论声波或光波,(此处忽略一大堆论述,改为一句话)它们的无量纲形式是一样的!它们的物理规律也应当是一样的。


可压缩流体作平面无旋流动时的基本方程为[15].......

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 v∞ , 声速为 c∞ , Mach 数为 M∞ ; 那么位( 势) 垒方程经处理和线化后, 在2 维流动条件下可得其无量纲形式为:

   diff(Phi,t,t)=( 1 - M∞**2 )diff(phi,x,x)+diff(phi,y,y)

其实这个方程正是洛伦兹解释迈克尔孙莫雷实验,所猜想出来的一个方程。

亦不能是跨声速流 我们注意到, 在亚声速流场上,M∞ < 1,( 1 - M2

∞ ) > 0, 方程是椭圆型的; 其性质与不可压流的 Laplace 方程基本一样 然而对超声速流场而言, M∞ > 1,( 1 - M∞**2 ) < 0, 方程成为双曲型的, 情况有很大变化 总之, 描写亚声速 超声速的运动方程是不同类型的 而对描写跨声速流动的运动方程而言, 是混合型 非线性方程所谓声障是指飞行器的速度曾长时间在亚音速( M < 1) 的水平上徘徊, 以声速( M = 1) 飞行的企图遇到了实在的困难 早期的飞机速度慢, 按不可压缩流体处理空气动力学问题便可满足要求 当M>0.4, 可压缩效应渐显, 接近声速( M->1) 时机头前空气密度急剧增大 当 M = 1, 流体中的扰动相对于飞机已不传播, 而是集中形成波面; 机头与前面空气相遇时强烈压缩, 密度剧增形成无形的墙( 激波) , 造成的阻力称为波阻 它消耗发动机功率约 75%, 带来很大困难 这时需要发展 近声速空气动力学和 超声速空气动力学钱学森和 T. von Kármán 在30 年代最早提出了高超声速流的概念, 为飞机克服声障提供了理论依据 他们的理论应用于高亚声速飞机的设计; 实际上是在亚声速区域内把小扰动理论向非线性有所推进, 虽然不能用于超声速问题的计算, 但避免了奇点 在v=c 时不会出现无限大质量密度 实际=1 时不会出现无限大质量密度 实际上, 超声速飞机穿过声障时的气体密度只增大 6

倍[3] 在技术上, 40 年代有两大突破, 一是后掠翼理论, 二是使用Laval 喷管, 终于在1947 年实现了超声速飞行 理论方面必须掌握以下要点, 首先是空气动力学中, 可压缩流体的速度势的波方程, 经过线性化的形式为

    diff(Phi,t,t)=( 1 - M∞**2 )diff(phi,x,x)+diff(phi,y,y)( 8)

从本质上讲波动力学的基本操作是对微分方程的辨识和求解 其次,在转到超声速区域后, 物理规律也变了 压力越低 密度越小, 速度反而不断增大 这时密度随相对速度变化的规律改变为

      r=r0/(M**2-1)**(1/2)             ( 9)

因而即使 > 1, 也不出现虚数.回顾突破"声障"的过程, 要点在于空气动力学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 因此, 为了突破 光障 或许应当对 SR 添加一些高阶的非线性修正; 而且也不能把lorentz- Einstein 质速公式当作教条而死抱不放正如国际宇航联合会 ( IAF ) 的P. A. Murad[16]所说: 创建超光速宇宙飞船是一种挑战; 虽然超光速航行与狭义相对论( SR) 矛盾, 但该理论并非包容一切, 而是处理亚光速问题的理论如果人类将来可以突破光障, 是否就能进行超光速宇航? 回答是非常困难, 但并非毫无希望 化学燃料推进火箭的速度距光速 c 非常远( v / c = 6 ×

10**(- 5)) 将来改用新技术时, 可变比冲磁等离子体火箭可达 v / c = 10**( - 3); 氘核聚变发动机火箭可达 v / c = 5× 10**( - 3); 太阳帆可达 v / c = 10**( - 2)( 激光驱动时可达 3× 10**( - 1)) ; 束芯反物质火箭可达 v / c = 5 × 10**( - 1)依靠这些已有的或可能有的技术手段, 都不足以实现 v / c> 1 为实现超光速宇航, 目前已在概念上进行讨论的方法有: 暗物质火箭, 黑洞星船, 曲速引擎提出者认为它们可以用极高的超光速飞往其他星系

4 超光速物理 学科逐渐成型

超光速研究涉及物质的运动 万有引力 质量和能量与速度的关系 量子非局域性 宇宙中几种基本作用 波动现象的内涵 波粒二象性 光的本性 不同媒质间界面上的折射和反射 Gasimir 效应 对光速的认识与测量 等众多问题, 当然它也就成为通向更深刻的理论物理和实验物理的切入点 由于研究工作数量扩大 质量提高, 近年来出现了 超光速物理 ( Superluminal Light Physics, SLP) 的提法[17]我们认为这是事物发展的自然结果, 虽然物理学界迄今并不认为有这一学科存在 按照笔者的观点,如果 SLP 可以成立, 它还应包括粒子的近光速力学和超光速力学, 以及超光速波动力学; 甚至还应包含粒子隧穿( 势垒) 动力学; 如此等等在本节中我们阐述 SLP 成型的过程及孕含的物理思想, 并举例说明 电磁理论专家 中国科学院电子学研究所宋文淼研究员在第242 次香山科学会

议上曾指出[18], SR 理论中处处出现因子 (1 -M** 2),使动体的质量 动量和能量都出现无限大, 这绝非真实物理世界的东西 亦即把光速 c 当作极限速度不具有实在性 高能物理学并无任何实验真实地证明高速物体质量趋向无限大, 实际物理过程中动量 质量永远不会是无限大 从超声速飞行也可知道, 接近声速时不是质量增加而是推力明显减少, 飞机加速时质量未变 在会议结束后的2006 年, 宋文淼等[19]出版了一本小书 实物与暗物的数理逻辑 ,该书背靠电磁理论, 熔物理学 哲学于一炉, 对光速和超光速有许多洞见 他指出, 追求自洽的逻辑体系永远是理论科学的首要目标, 然而现在只有一个支离破碎相互矛盾的理论体系 例如 Einstein 在他那个时代并未弄清楚波的数学物理性质, 使他最终选择了光的粒子模型 现在知道除了某些极特殊的条件下之外, 任何开放空间中无论平面波或球面波均不存在 然而实际上只有平面波或球面波才有确定的波长, 因而要确定真空中光速 c 非常困难 而且实际存在的都是赋形波束, 不在主轴上的波束都不是 c 光速既与空间位置有关, 如何定义就成了问题

.........(忽略一段)


5 NASA 研究曲速引擎

2012 年 9 月 19 日美国 Time 周刊网站称:NASA actually working on faster- than- light warp drive ( NASA 着手研究超光速曲速引擎 ) 这表示美国航天局已在安排专家研究超光速宇宙航行的问题,证明许多中外科学家的意见, 包括宋健院士 林金研究员 笔者和杨新铁教授的观点, 在总体上是正确

的 考虑未来的航天和宇航时超光速是必由之路; 这就给了我们精神上的鼓舞和科学上的期望

   Miguel Alcubierre 是墨西哥物理学家, 上世纪90 年代在英国 Wales 大学物理与天文系任教, 后又参加德国 Max Planck 研究所的工作 1994 年他写了一篇文章题为 The warp drive: hyper- fast travelwith general relativity ( 曲速引擎: 广义相对论中的超高速旅行 )[25] 文章说, 本文在广义相对论( GR) 框架内在不引入虫洞( wormholes) 的条件下证明改变空时( spacetime) 即可使宇宙飞船以任意的超大速度飞行 如局部扩张飞船后部的时空和收缩飞船前面的时空, 处在干扰区以外的观察者就会看到飞船以超光速运动 造成畸变令人联想到科幻小说中的 曲速引擎 正文有 19 个编了号的公

式, 是在 GR 框架内的推导演算 按照笔者的理解,所谓 warp drive, 是利用 Einstein 的 4 维时空观念而避免让实体飞船作真实的光速或超光速飞行 据说, 在两个时空区之间放一球体, 可创建一个移动球体周围时空的 曲速泡 它以超光速飞行, 而飞船本身无需运动( 就本地参照系而言) 实现的关键是要有特殊物质以弯曲时空, 而这需要木星级别的巨大能量 现在 H. White 说, 可以用改变曲速引擎的几何形状的方法简单地解决能量问题 这观点发表在 2012 年秋在美国召开的 星舰( starship) 百年研讨会 上, 而 H. White 是 NASA 的物理学家在 GR 中, 时间 空间被看成一个整体, 即 空时 ( space- time) 或 时空 ( time- space) ; 由于把引力描述为一种数学的( 几何的) 属性, 空时 或 时空 被认为可以弯曲, 而时空曲率与时空中的物质和辐射的能量 动量张量相联系, 并由引力场方程描写这种联系 Alcubierre 引擎方案是在认同相对论( SR 和 GR) 正确性之下提出的, 或许对超光速宇航而言只有象征性意义, 缺乏现实性 我们认为所述方法是什么并不重要, 要紧的是我们这星球最大的航天及宇航机构( NASA) 对 超光速旅行 的重视 NASA 所鼓励的是科学家们要大胆思考和提出创新设计, 不能局限在某一种方法上; 而超光速宇航才是根本目标(编者按:美国科学家很聪明,想方设法利用弯曲空间证明了光速可以超过,然而中国科学家周培源早就指出,在弯曲时空里面搞得这些雕虫小技完全可以用平直时空的理论来解决。所以美国科学家造出的这个解可以有解释,但是远远不如平直时空新的方程来得简单明了)


.......(忽略,见原文)

8 关于改装加速器和寻找超光速粒子

1907 年, A. Sommerfeld 在其著作 理论物理学教程 光学卷 中说, Maxwell 方程组对超光速运动客体也同样适用 而在此前的 1904 年, Sommerfeld

发表过一篇文章[见 K. Akad. Wet. Amsterdan Proc. ,8( 1904) , 346], 讨论了超光速粒子假如存在会出现的情况( 如粒子失去能量时会加速运动, 获得能量时会 减 速 运 动) 就 是 说,在 SR 提 出 之 前,A. Sommerfeld 曾认真地考虑过超光速问题, 并不排除超光速运动的可能性20 世纪 60 年代人们开始以实验寻找快子( tachyons)[39], 没有成功 90 年代以来超光速实验有所进展, 主要是发现短波脉冲 微波脉冲 光脉冲能以超光速传送, 无论对无源媒质( passive medi)或增益媒质( gain media) 均如此 速度可以是光速c 的数倍, 但也可能是非常大 另外, 在负波速( 超光速的一种形式) 方面论文很多, 成绩突出 不仅如此, 还发现电磁波( 光波) 的本身也可以被加速而成为超光速 在粒子方面, 早在1993 年就有 Berke-ley 加州大学( UC- Berkeley ) 完成的 光子赛跑实验 , 按论文作者的姓氏排序称为 SKC 实验[40], 确单光子可以按照比 c 大 70% 的速度运动( v / c =1. 7) 然而, 至今尚无一个实验证明有质量粒子( 如电子 质子 中子 原子) 可以作超光速运动反对超光速可能性的人士常说, 现有的加速器从来都是把电子或质子加速到非常接近 c 的值, 例如0. 99999c 之类, 根本没有加速到 c 以上的事情但这样说只是一种逻辑循环互证 用 相对论正确 解释 电子( 或质子) 不可能被加速到光速以上 , 又用 电子( 或质子) 只作亚光速运动 来证明相对论正确 问题在于, 由于缺少对中性粒子( 如中子) 的加速技术, 总是用本征速度为 c 的电磁

场作为加速带电粒子( 电子或质子) 的手段; 而用亚光速的加速器自然不能获得超过 c 的速度 作为超光速研究者, 我们也不认为需要不断加大能量来获得超光速的粒子运动,前已指出, 航空工程中超声速飞机设计中的 Laval 喷管, 使气流连续地从亚声速加速到超声速的方法 压力越低 密度越小, 能量越少, 速度反而不断增大 受此启发笔者提出了尝试用截止波导中的消失场构建超光速电子运动电磁环境的建议[41], 又提出把广泛实现了的 群速超光速 为研究起点, 希望在改装后的加速器上由实验发现可能的超光速奇异粒子( meta electron 或 metaproton) 而且这在理论上可与粒子的量子隧穿( quantum tunneling) 联系起来思考, 那里的消失态率波正切合我们的需要 由于笔者不是加速器专家, 因此邀请中国科技大学国家同步辐射实验室裴元吉教授参加于 2011 年 11 月 7 日在 科技日报 社召开的会议, 他在题为 超光速实验方案探讨 的报告中说, 到目前为止, 带电粒子动力学都是建立在 光速为极限 的基础上, 即遵循相对论力学 尽管目前建造的加速器尚未发现与此有矛盾,但所有测试粒子运动参数方法的理论基础也是相对

论, 即便有矛盾也很难发现 建议设计相速 1. 05c的加速管( 长1. 2m) ; 产生束团长度 ps 级的电子束;然后调节移相器测量不同相位时的束流能量 通过初步实验寻找终点和原因, 看看能否突破相对论的束缚 我们高兴地看到, 已有加速器专家抱持一种开放的态度, 这就带来了希望(编者按,裴元吉教授早在2002年西安核研究所召开的加速器协会年会总结会上就以协会理事长的身份对这种超光速电子加速器的方案提出了表扬,并且表示他愿意尝试设计这种方案的加速器)


详细内容点击下面的光障不住人类前进脚步的链接,下载原文


_光障_挡不住人类前进的脚步_纪念第242次香山科学会议召开10周年.pdf



http://blog.sciencenet.cn/blog-1354893-987702.html

上一篇:再评LIGO引力波实验 黄志洵
下一篇:[转载]中国决不能继续大力发展类似房产业这样的空心化的产业

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-11-12 10:59

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部