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关于张老师的实验到底怎么回事,解释,以及高山为什么是坏人

已有 5093 次阅读 2016-4-29 20:31 |系统分类:生活其它

马上就放假了,这种假期出来捣乱的行为称为"假期党",是坏人的一个大类。所以我表示高山和徐晓都是坏人,不需要评审会也可以定性。

1. 张老师的实验究竟做了什么?

简单的说,他用两根导线形成了两个通路,分别从起点连到终点,两根线路的长度不同,然后他发现不同线路上跑的信号,存在一定相位差。这个事情其实在电磁理论里面是大家熟知的:电磁波在穿过不均匀介质的时候会发生相位移动(简单的说就是光的反射和折射啦)。稍微有点特殊的是张老师用的这个线路尺寸比电磁波的波长短很多,有点类似在纳米尺寸看光的折射和衍射,对于不常做计算电磁的FDTD计算的人来说,未必能一眼看出这个相位变换来。我们强调一下,这个实验本身的结果没什么特异之处,如果你把整个导线结构代进FDTD程序去计算,并且两边正确处理示波器探头的附加电阻,那么算的结果和张老师这个实验整体类似,只是多一些由于计算不确定性导致的附加振荡。所以,这个实验的结果本身没有什么问题。特别是,这个实验并没有什么创新之处,和大家整天做的校准示波器没有实质区别。

2. 张老师的有争议之处在哪里?

简单的说张老师希望测量一个“交流电中的纵向电场速度”。不熟悉电磁理论的可能不了解这事,就是电磁理论里面有个Poynting定理:沿着任何一个面传输的电磁能,等于电磁场的叉乘,换句话说电磁能量传输方向是垂直于电场方向的。而张老师(包括其它不少没学过电磁理论的或者本身就是喜欢非主流思考的)认为导体里面的电磁能是顺着电流方向的,也就是在导体内平行于电场方向。然后他就想去证明这件事,打倒Poynting定理。

关于这个问题,我应该说明一下,Poynting定理实际上比我前面说的要弱一些,很多人说Poynting定理是麦克斯韦方程组和能量守恒定律的直接结论,实际并不是这样,因为电磁理论里面最多只能证明Poynting定理是“无错”的,就是你用Poynting定理去计算和分析问题一定不会得出不符合电磁理论的结果,但是Poynting定理不排除你可以修改能流密度公式得到的结果还是符合电磁理论的。电磁理论和电工理论各有一套能量分析方法就是这个原因:后者可以在上面乱加减一些形式,在直流条件下其实是等价的。但我们在做物理分析的时候总是用Poynting定理,理由是这个定理适用于从直流到光波,从绝缘体到导体,从有导体到真空中一个电子束,从近场到远场的各种情况,而电工的那些方法只能用于最简单的准直流导体情况(说明一下,实际上传输线理论里面还有个Poynting定理,那个不属于我们讨论的内容)。当然在近场区使用Poynting定理要特别注意这时候要用积分表达式而不是简单乘积。(张老师说他教了很多年电磁学,但是我猜他并没有看过Poynting定理的详细推导和计算。)不过,如果你就坚持只考虑直流或者准直流(低频)导线情况,你就坚决反对Poynting定理也没有什么问题。

3. 张老师开始出问题的地方是在哪?

我在上一篇文章里面已经说了,首先,张老师想做的东西和他实际做的东西,根本是不相关的两回事。这里最基本的一个问题是相位本身就是不定的,啥叫相位?一个钟表上指针的角度而已,那东西是可以随便加上或者减去360度的。尤其是,相位超前180度和落后180度,根本没办法区分,然后你随便找两个信号你根本不知道信号前段究竟是压缩了还是扩张了,你如何去比对相位?

相位不可准确测量问题还只是第一个“问题”,第二个“问题”是,就算他正确地测量了信号的延迟(后面我们解释一下怎么做这个事情),他也没办法说这是测到的导线内电场速度,这才是最大的问题,我前面已经说了,你没法说你测到的是导线内的电场啊,你一定是用个探头测到的东西,实际这都是示波器内部的数据,你怎么能知道这是导线内的电场传播过来的?按照Poynting定理,电信号(我应该加个词:主要,按照Poynting定理,导线里面也要走一部分能量,这个能量用来提供导线的发热)是从导线外面的空间,顺着导线跑进示波器的,你根本没有任何办法证明电信号是在导线里面跑的。你要想真确定导体内的信号传播速度,你只有使用一个大尺度导体把源和目标隔离开,然后看看信号穿过这个导体需要多久。这倒并不是做不到,比如你可以用大地或者海水来做这件事:弄个潜艇,和外面的接收器对钟,然后潜艇沉到水里,发射信号,外面接收,对钟之后就知道传播时间了。这做法有一个比较大的问题是导体衰减太大,会很难做,但是技术上是可以的。(关于这个问题我再说明一下,有些坏人总是强调要研究直流,好吧,直流无脉动信号根本没前沿,所以没法测量速度)。其实徐晓说要做实验,我看他也没法找到一个办法测量导体里面的电场。

4. 张老师在哪里犯了错误?

我在前面一篇文章已经说了,关键你不能拿不相关的东西去相除。比如他第一个文章,信号跑AB两条线,然后他用A/B相位延迟折算时间,再用长度去除,这事首先你都不知道AB上跑动的信号速度一样不一样(按照电磁理论它肯定不一样,因为电磁场分布模式不同,按照电磁理论只有平行双线,上面的速度才是恒定的),其次你没法说你比较的是同一个相点(你要比较刘翔和博尔特的速度,不能从他们身后随便找俩人来比较啊)。后面的文章也是,V/I延迟并不是两个信号的延迟,你比较这玩艺有什么意义么?

你会问如果一定要测量信号的速度,应该怎么做?你凭直觉也能明白吧,把两边的时间对准,然后传送信号,看下信号到达时间,长度除以时间差。当然这样有一个问题,你要约定测信号的哪一点,是前沿,最大值,后沿还是比如说数好多少个波形,约定都测第k个波形过零的时间,这都可以,但你不能毫无考虑随便拿两个波形一放就说这个是时间差。为了避免某些坏人说我拿了个对钟难题来折腾张老师,或者张老师非说这个是思想实验,或者高山又要我“去做实验不要jjww”,你可以拿一个已知确定速度的线路去作为基准,比如一个匹配好的平行双线,我们知道它上面的信号速度就是光速,你把信号分出一部分走这个匹配线路,然后走另一条线路的信号和它比对,总之你必须正确比对信号的位置,别随便搭个相位。

5. 假如按照我说的做实验的结果发现结果超光速,那么是重大发现吗?

很遗憾,不是。这个问题说起来稍微有点复杂,给大家贴两个图解释一下,首先是这个

这是实验上很容易看到的情况:星号线是从平行双线上传递的信号,它和驱动信号形状完全一样;点划线是从另一条线传递的信号,你看点划线无论第一个峰值还是相位还是前沿都超前于星号线,这不就是明显的超光速吗?

理解这个问题你可以看看第二张图,

我们把驱动信号改一下,变成了一个带前沿的直流信号,然后你看出问题来了吧?第二个信号的第一个峰形状完全没有改变,也就是它其实不决定于驱动信号的峰值;第二个信号的改变点和驱动信号的改变点完全重合,也就是说实际上第二个信号从来不会携带比第一个信号来的更早的信息,所以信息传播速度根本不会高于第一个信号。这就是另外一种不相干的情况。

PS:很多人说相速度没有物理意义,大致都和这种情况类似:没有什么实际的信息在相位里面传递。不过这个例子要更一般一点,不仅相速度没有意义,很多时候群速度也一样没有意义。

6. 说了这么多,是不是空对空?

说这么多的主要原因就是,如果一定要用示波器测信号速度,有个现成的设备叫TDR(时域反射计),它的用处就是测量一个信号跑过一段线路的时间。张老师说这东西是高频的,但你很容易从我上面的分析看出来,只要是个方波前沿就行,关键是色散不能太严重。网上那么多人告诉他用方波或者脉冲测量,是有原因的。你去找本参考书,比如卡尔-约瑟夫的《射频电路设计》,会告诉你怎么用示波器作这个测量,你就会看懂这些都是怎么回事了。当然张老师如果一定要测色散线路上的相位差,我只能说,没意义。

7. 高山为什么是坏人?

因为他想要张老师浪费十万元来折腾这个,你看看我写的这些,评审会上会有人认真给他讲这些吗?他在评审会上会和别人讲这些吗?别人在评审会上会有闲心给他讲这么详细吗(假设他和张老师一样想搞个大新闻)?

8. 徐晓是坏人吗?

他是假期党,见前述,属于坏人。不需要评审会。

9. 是不是想搞个大新闻的都是坏人?

不一定,然而高度疑似坏人。

10. 科学网上都谁是坏人?

这个问题比较复杂,目前唯一的公理是我不是坏人,其他人请自行对号入座。

 

 

figure 1

 

figure 2.

 

 



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