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关于黄志洵教授的基础科学系列著作和主要贡献

已有 985 次阅读 2020-12-27 15:03 |个人分类:超光速|系统分类:观点评述

关于黄志洵教授的基础科学系列著作和主要贡献


这里所讲述的是一位中国老年科学家的拼搏故事。黄志洵是中国传媒大学信息工程学院教授、博士生导师,中国科学院电子学研究所客座研究员,一些全国性科研奖项的获奖者。多年来他深耕微波和光这两大领域,关注世界性前沿科学问题,埋头苦干、不畏艰险。他率领的团队不仅包含硕博学生,而且还有国内研究人员。他的研究成果多数在国内发表,少数用英文刊登在国外刊物上。有的外国专家由于钦佩他的工作,并在学术交流中产生感情,和他成了好朋友。他的情况曾引起中国科技界一些领导人的注意和关切。他的影响遍及电子界、计量界、物理界,甚至航天界也重视他的工作。以下是简要的介绍。



202012月,黄志洵教授的新著《微波和光的物理学研究进展》出版。该书由28篇论文组成,共500页、78万字;中国雷达界泰斗张履谦院士作序。此书集总结性、理论性、创新性于一身,既体现了新的科学思想,也是研究成果的汇总展示。该书的出版也标志着一套(三种)基础科学系列的完成,它由国防工业出版社陆续推出,包括:


2014年出版的《波科学与超光速物理》(Wave Sciences and Superluminal Physics);其内容主要是:波科学基础理论;超光速物理导论;三负(负波速、负折射率、负GH位移)研究。在作者题记中表达了以下思想——“高品位的科学和艺术,不能全都抛售给市场。……真正的科学家在社会激变面前必须清醒,维护由于自己的知识系统而凝聚成功的精神独立,并发出自己的声音,以回答历史和后人的诘问。又说:得青年才俊而教育之,其乐无穷;为洞悉自然而求索之,其乐无穷;弃旧思谬识而更新之,其乐无穷。


.2017年出版的《超光速物理问题研究》(Study on the Superluminal Light Physics);其内容主要是:波科学理论、光子和光速理论;超光速物理研究;量子理论及应用;引力理论与引力波;基础科学研究评论。在作者题记中表达了以下思想——“是时候了,中国应该在经济发展的基础上进行有中国特色的基础科学研究。……不要总是跟着西方人亦步亦趋,也不要过份迷信和崇拜权威。中国科学家要增强自信心,勇于创新,敢于对现存知识的某些方面提出质疑


. 2020年出版的《微波和光的物理学研究进展》(Research Progress in Microwave and Light Physics);其内容主要是:电磁波、场的消失态理论;截止波导理论;金属壁波导新方程及导波系统新结构;电磁波负性运动及物理学中的负参数;超光速、引力波问题研究;量子理论和量子信息学。在作者题记中表达了以下思想——“在学术上,只有苛刻地审视,才能接近真理。……杰出的思想可能照亮一个新领域,发现一个新方向。中国科学界目前非常缺乏全新的创新性思想与学理;过份迷信权威,就难以在科学理论思维上取得突破


三种书的总量(在除去少数重复以后)约200万字,是大体量的科学工作。这套成系列的基础科学著作对多个领域作出了发展和贡献,内容丰富、写作严谨,有许多原创性成果。它们对科学家、工程师有益,可供大专院校师生阅读,对物理学家、电子学家、计量学家、航天专家尤有参考价值。三种书均用铜版纸印刷,精装,外表美观大方。它是一份独特的成品,是献给国家和学术界的礼物。



现在来看看这套书中有哪些创新性的科学贡献;概括地说,书中包含了丰富的内容,分析和处理了在微波和光两大领域中长期未能解决的若干问题。以下的叙述大体上反映作者黄志洵及他领导的团队所完成的创新性科学工作的价值。


——对微波和光的导波系统理论的发展作出了重要贡献。微波和光的一个基本科学问题是如何进行导波传播,很早就发明了波导和光纤(光波导);前者可能是金属和电介质的混合系统,后者完全用电介质,两者在理论上均有高复杂性。


例如广泛使用的圆波导,Carson-Mead-Schelkunoff方程实际上是本征值方程,推导时横向场分量看成电型场与磁型场的迭加,并不预分为TETM模式,因而是普遍性的理论。它不仅成功地处理了非理想导电壁圆波导,而且后来还用到介质圆棒波导及光纤的分析。作为创新研究工作,从1991年到1993年黄志洵和研究生曾诚发表了2篇英文论文,提出了圆波导壁电导为有限值而内壁有介质层时的普遍化特征方程,相比之下CMS方程和其他一些方程都只是这个所谓黄曾方程”(HUANG-ZENG's equation)的特例;文章在美国发表后受到各国科学家的重视。这种非理想导电金属壁圆波导内壁敷介质层时的新特征方程,为降低喷气式飞机进气口的雷达散射截面(RCS)提供了可能,并有其他方面的用途。不仅如此,黄志洵还在另一篇论文中提出了精确求解CMS方程的算法。


又例如,多年来黄志洵对横电磁(TEM)波系统作专门研究。虽然许多人认为横电磁波简单粗浅因而不屑一顾,他却意识到这种波有独特的应用价值,带领团队开展研究工作。具体讲有以下几个方面:研究在矩形波导内建立TEM场区的方法,并在波导内有电介质时解决了非常复杂的场强计算方法。研究矩形同轴线这种双导体结构,并引伸到对横电磁传输室和GTEM室的研究;先研究横电磁传输室和吉赫横电磁室的准静态分析和计算方法;再利用广义电报员方程组求解矩形导波结构,取得了成功。然后集中研究最困难的问题——吉赫横电磁室内部场强分布的计算方法,编制出相应的计算软件。这些高难度理论与计算,对发展我国的电磁兼容技术有很大的帮助。在中国计量科学院(NIM)建立起横电磁传输室的完整测试方法,又推动该院用此技术建成高频电磁场场强标准(该项目获国家科技进步奖)。发明了独特的在双过渡段采用指数结构的TEM cell,从而改善了阻抗分布。


如上所述,他对圆截面和矩形截面的导波系统作的研究持续多年,发表十余篇原创性论文,贡献很大。


——对电磁学中的消失态理论(theory of evanescent states)和截止波导理论(theory of waveguide below cutoff)的发展作出了重大贡献。可以说,国内外学术界尚无人像黄志洵如此关注这两个相互联系的学科的状况。《微波和光的物理学研究进展》这本书头一部分即论述电磁波、场中的消失态问题。在这部分中有5篇论文:波科学中的消失态理论是全面的论述,不仅把经典状态和量子状态沟通联系起来,还给出了消失态的虚光子理论。消失场的能量关系及WKBJ分析法文章,通过对电抗性系统(网络和互感电路)功率、能量关系的分析,以新的方式阐明消失场的概念;又讨论了Schrödinger方程的WKBJ近似法求解。论文消失态与Goos-Hänchen位移研究深入探讨了界面发生全反射时的消失态表面波和在全反射条件下GHS的计算;此外,还重点讨论了双界面问题,指出关于GHS的精确理论至今尚不存在。表面等离子波研究一文证明消失态是普遍存在的现象,讨论了SPW的产生条件和激发方法,给出了本团队用Kretschmann方式的三棱镜系统激发SPW,成功地在632.8nm激光波长上测出了纳米级金属薄膜厚度,并精确测量了金属的负性介电常数。最后,论文消失模波导滤波器的设计理论与实验第一次给出了消失模波导滤波器的设计理论,能使微波滤波器的体积重量大为减小;又提供了自行加工的样品的测量结果。……总体来看,5篇论文对消失波、场的理论和应用作出了贡献。


与此相联系的是多年来对截止波导理论的持续探索。早期论文“H11模截止式衰减器的误差分析,成为他后来对截止波导理论作系统性研究的开端。这篇论文根据米波标准信号发生器的输出衰减器,推导了衰减方程和非线性偏差公式,把理论与实验作了比较。此外,从二端口网络理论出发推导了普遍性的衰减方程,指出1950年的BarlowCullen方程只是本文结果的简化形式或特例;此外还给出了线性段的误差分析。


作为计量学中的衰减标准,截止波导衰减器的高精确性非常突出。故需要一个高精度的衰减常数计算公式,以表征对金属壁圆波导中H11模(严格讲是HE11模)的物理性能。黄志洵用表面阻抗微扰法导出了圆截面截止波导的衰减常数的高精确公式,精度达1×10-6,可用于建立国家一级衰减标准的计算。此外,黄志洵等对圆波导内壁氧化层的影响做了艰巨的分析计算,使氧化层的微小作用都能算出,有力的配合了中国计量科学院建立衰减标准的工作。以后,黄志洵对圆截止波导的传播常数进行解析式的分析和精确的数值求解。特别是,他写出了50万字的专著《截止波导理论导论》(中国计量出版社,二版1991年)。该书第一次把截止波导理论整理为完整的体系,并有若干自己的贡献,因而荣获全国优秀科技著作奖;在国内外该书至今仍是独一无二的著作。


——对微波和光两大领域中的负参数作深入研究,在此基础上在国内外率先提出电磁波负性运动概念,从而把波科学理论带入一个新的境界。黄志洵指出,苏联科学家V.Veselago1964年提出媒质电磁参数可以为负(即同时有ε<0μ<0),几十年后演变为左手材料(LHM,也称超材料)的大发展;但我们应从一个更广阔的角度来看待这件事。他强调说:物理参数的正或负都是客观世界对称性的固有本质。实际上,早在1991年在研究截止波导理论时他已发现在WBCO中有负群速(NGV)和负相速(NPV),后又指出这就是Maxwell方程超前解的物理表现,过去人们简单地把它抛弃是不对的。进一步,他开展了对天线近区场中超光述现象的研究,指出这是发生在自由空间的类消失态(evanescent – state like)现象。另外,他提出开展三负研究的建议,认为只有把负折射、负波速、负GH位移联系在一起作统一研究,才能真正揭示波动和光学现象的本质。《波科学与超光速物理》一书,收入和总结了许多工作成果。


黄志洵指出,负群速是一种比无限大群速还大的速度,并且此时的群时延也为负。这个奇异现象看起来不符合人们的经验和逻辑,但却是经过实验精确测量得到的。论文电磁波负性运动与媒质负电磁参数研究,提出了电磁波负性运动”(negative characteristic electromagnetic wave motion)的概念,并将其与简单的反向运动相区别。认为必须接受D'Alembert方程的超前解,才能理解负速度概念。可以说,黄志洵以他的理论阐述深刻揭示了大自然的真实和丰富。


这种对客观世界规律性的洞见在他的另一些文章中得到了进一步升华。论文金属电磁学理论的若干问题,指出金属对微波照射和可见光照射的反应很不相同。在微波,金属的相对介电常数(εr)为复数,但实部为负,虚部为正。然而对光频而言,εr正实数,金属很像是电介质。因此,如做表面等离子波(SPW)实验,在微波容易成功,在光频就不顺利。论文Goos-Hänchen位移的理论与实验研究给出了其团队在实验中发现的新现象——采用Kretschmann结构对金属(铝)纳米级薄膜造成的GHS进行测量,竟在TE极化(而非通常认为的TM极化)时发现负位移。论文量子隧穿时间与脉冲传播的负时延着重研究了量子隧穿中的负群速特征,指出存在两种情况:空间中的反向运动和对时间的反向运动。又指出在波动力学中波速度(如vpvg)是标量,故NGV的含义并非仅为运动方向反了过来。着重说明NGV波是超前波,它不仅比真空中光速c快,而且快到在完全进入媒质前就离开了媒质。本文给出了其团队使用互补类Ω结构(COLS)构成的左手传输线的微波脉冲传输特性的实验研究;在阻带中获得了负群速:vg=(-0.13c)~(-1.85c)


——在光子理论和光速理论方面作出了独特的贡献。例如虚光子初探文章对虚光子作消失态解释,引起科学界的注意。光子是什么一文指出:令人费解之处在于,既然人们公认光是电磁波的一种,光子还是微观粒子吗?如果是,为什么光波不是几率波?光子的原始定义是一个个孤立的能量子,这算不算是微观粒子、有无大小和结构?另外,光子的不可定位性造成无法为它确定一个自洽的波函数。光子似不能与电磁波等同。


黄志洵提出光子是一种独特的微观粒子,认为Proca方程组(修正的Maxwell方程组)可作为光子新理论体系的基础。2019年初发表单光子技术理论与应用的若干问题一文,对光子作了深刻完整的分析。在这篇论文中他做了本应由法国物理学家A.Proca来做但却未做的事——Proca场方程出发导出新的(光子与电磁波的)波方程,并称之为Proca波方程(PWE)。这样,物理学中的一个自洽性缺失的理论问题得到了改善。值得注意的是,在Maxwell波方程中没有粒子质量,而在PWE中出现了粒子质量。


黄志洵一贯对基本物理常数感兴趣,尤其重视其中的真空中光速c”2014年他在真空中光速c及现行米定义质疑一文中说,1973年国际计量局(BIPM)决定真空中光速c值为299792458m/s;它的基础是高精度光频测量和高精度光波长测量,再用标量方程c=λf求出真空中光速。1983年根据这个值规定了更新的米定义;从那时起c值被固定化了,即真空中光速成为指定值。但是当考虑量子物理真空概念时,实际上c是一个有起伏的值。分析显示,c的恒值性和稳定性仍然有待解决。此外,真空极化作用也会改变光速。再者,真空中有许多忽隐忽现的虚光子,数量与环境温度有关。把真空看作一种媒质,光通过它时速度会减慢,其速度将与温度有关。这时真空中光速c已不再是一个恒量。他指出,现在停止测量c值是错误的;必须继续做高精度的光速测量。近年来光频测量技术飞速发展,锶晶格钟的不确定度达到10-16(或更低),这为探讨基本物理常数是否真的恒定创造了条件。而且当前已在研究修改秒定义;故米定义也可以考虑修改。因此,他向国际上提出了一个重大的科学问题。


——在国内率先倡导进行超光速研究并建议设立超光速物理Superluminal Light Physics, SLP)学科,独立地提出一系列科学思想并组织了若干相应的实验,取得了可喜的成果,影响日益扩大。以下是持续20年研究取得的成绩和贡献:对几十年来国内外的研究情况作了全面总结和梳理,进行分类学研究,即物质运动速度、能量传送速度、信息传送速度;而物质运动速度又分为宏观物体速度、微观粒子速度。深刻阐明两大理论体系(相对论、量子力学)之间存在的根本性的矛盾,指出虽然狭义相对论(SR)认为不可能有超光速,但量子力学(QM)不但不禁止而且提供有力的支持,表现为多个成功量子光学超光速实验;在此基础上他提出量子超光速性(quantum superluminality)的概念。提出小超光速性(small superluminality)和大超光速性(giant superluminality)的区分,前者指v<(5~10)c的现象或实验结果,后者指v>104c的现象或实验结果。目前已知自然界中这两者都有,而人类实验室中的实现主要是小超光速性的。坚持不懈研究负波速现象,指出在Sommerfeld-Brillouin经典波速理论中说负群速(NGV)比无限大速度还快的波速度的论点正确,但该理论否定相速可能为负是错误的,负相速(NPV)已在截止波导中观察到。并且,NPVNGV现象均表示一种标量波速反时间行进的特性。不过,虽然在人类实验室中观察负波速并不困难,但尚未在自然界发现天然负波速现象。深入研究消失态与超光速的联系,指出消失波对应虚光子(virtual photons)是量子超光速性的一种表现形式。提出近区场有类消失态(evanescent-like)超光速现象的论断,即在自由空间天线近区场内电磁波可以按超光速行进;并且也可能有负波速。用类消失态原理和超前波理论(theory of advaced waves)作了分析阐释。利用反常色散原理做超光速实验:2003年,研究团队用同轴线结构模拟光子晶体进行测量,发现和测出了阻带中的超光速群速,为(1.5~2.4)c;英文论文电磁波传播中的超光速群速和负群速在《Engineering Science》杂志上发表,而中国工程院刊物《中国工程科学》立即作了题为我国首次超光速实验的报道。用独特的方法实现负群速(NGV):指导博士生利用左手材料(LHM)设计芯片,获得了[(-0.13)~(-1.85)]c提出在微波和光两大领域开展三负研究study on three negative physical parameters)的倡议(即把负折射率、负波速、负Goos-Hänchen位移当作一个整体而开展研究),加以实行并取得成果。突破声障突破光障作比较研究,指出在这两方面作相互联系、参照研究的必要性。从超声速飞机的成功可知,那个奇点造成的无限大其实只存在于数学描写之中,不应被它吓住。文章又深入分析了所谓超光速造成时间倒流的说法,证明它是错误的。11对有质量微观粒子作超光速运动的可能性进行研究,认为Lorentz质速公式即使适用于电子也不能像SR那样推广到一切动体,况且根本没有证明该公式适用于中性粒子和中性物体的实验;故光障不一定真的存在。由于已有大量群速超光速实验获得成功,根据波粒二象性,可以期待超光速电子(或质子)的存在,但有待实验证明。……


以上理论和实验研究成果不仅大大增强了人们对实现超光速的信心,而且把超光速物理学(SLP)的框架建立起来。


——用量子力学理论和方法处理在微波和光两大领域中的科学问题,取得了成果:文章波导截止现象的量子类比,指出对微波也要关注其粒子性(微波光子或微波量子),而对波导可以从量子隧道效应的角度来观察和研究。该文证明截止波导可在物理实验中当作势垒而使用(文章发表几年后德国科隆大学G.Nimtz教授用这一思想测出了截止波导中的超光速群速)。此外,文章给出了量子隧道效应等效传输线电路模型。论文“Casimir效应与量子真空发表后曾引起国外学术界的注意,该文认为Casimir的双平行金属板结构造成了两种真空:板外的常态真空和板间的负能真空(negative energy vacua),后者造成板间的电磁波速(相速、群速)大于真空中光速。论文相对论性量子力学是否真的存在说,虽然Dirac量子波方程(DE)的推导从表面上看是从相对论出发,而不像Schrödinger量子波方程(SE)那样从Newton力学开始其推导;但DE的推导源于两个与质量有关的方程(质能关系式和质速关系式),而它们都能用狭义相对论(SR)出现前的经典物理导出;而且它们在1905年之前即分别由H.PoincarèH.Lorentz提出,因此不能说DE是从SR出发得到的结果。文章评论了P.Dirac在晚年时的科学思想,认为他强调无法使相对论和量子理论融合一致是正确的。因此,所谓相对论性量子力学其实并不存在……另外,该文批驳了“Schrödinger方程只能用在低速条件下的说法,用该方程处理光纤中光子的运动状态取得成功。从理论上深刻分析了量子通信(QC)技术的安全性问题。


——2016年初开始,西方对发现引力波作了声势浩大的宣传。2017年初黄志洵对此作了批评,指出美国LIGO所谓观测到引力波,并非有了新的物理学、天文学证据,而是和过去一样,只要有信号且与数值相对论(numerical relativity)数据库中的海量波形能对上,就向全世界宣布观测到引力波;但这只是一场计算机模拟和图像匹配的游戏。……他和中、美、巴西科学家联名在《Jour.Mod.Phys.》杂志上刊文进行批评;后又单独写文章(对引力波概念的理论质疑)作强烈抨击。强调指出,目前流行的观点是把引力作用速度与引力波波速混为一谈,这是错误的,而引力作用不可能以光速传播。文章论证说,Einstein引力场方程的非线性造成无波动解,故引力波是一个无意义的概念。论文美国LIGO真的发现了引力波吗?包含中文稿、英文稿两个版本,它的内容更精炼、逻辑性更强。他与科学家们联名致信Nobel Prize Committee,指出LIGO收到的引力波信号其实是噪声,为此事颁发Nobel奖是错误的。



本材料所介绍的这套书是黄志洵一生的典范作品,表明他的人格追求与学术研究的一致性:坚持既做基础研究又做应用研究(以前者为主);坚持理论思维但也搞工程设计与实验;坚持既尊重权威又不迷信权威;坚持夯实基础、独立思考、努力创新。


上述7个方面的科学论文和专著引起了中国电子界、物理界、计量界以及航天界的注意,甚至引起了科技界一些领导人的重视。例如原电子工业部副部长、中国电子学会理事长孙俊人院士虽已高龄,但对黄志洵作了家访慰问和鼓励。针对波导截止现象的量子类比论文他说:中国科学家也是很聪明的,例如黄志洵在这个问题上比欧洲人早了6~8年,作为中国人独立地提出来了。而且,黄教授的一些著作,预见性、超前性是显而易见的


又如2003年原国家科学技术委员会主任宋健院士指定黄志洵和林金院士协助组织题为《宇航科学前沿与光障问题》的香山科学会议。在会上,宋健做了主旨报告《航天、宇航和光障》,黄志洵作了中心议题报告《超光速研究40年:回顾与展望》。在这个会议上宋健提出:飞出太阳系是人类的伟大理想;而且如果要进入银河系,必须加大航行速度——接近光速,如可能的话应超过光速。这是中国科学家在世界上最早提出超光速宇航设想。20149月,在看过新出版的《波科学与超光速物理》一书后宋健写道:大作已拜读,不胜鼓舞。说明这位航天专家一直不改初衷。20161124日宋健致函黄志洵说:喜读大作论林金的科学工作,很高兴,是对这位可敬朋友的很好记念(注:林金于该年初不幸因病去世)。文中强调的两点:林的测量证明,在相对运动中往返光速不相等;用飞船自主导航(加速表)不存在光障问题。这两点使我对超光速飞行的未来抱有厚望。一个恶无限(大)会成为自然法则,和big bang一样不可信。……建议在学术刊物上发表大作。物理界现在承认并未掌握万物之理。……”黄后来将该文交《前沿科学》杂志发表。


2017年黄志洵等中国科学家反对美国LIGO宣传发现了引力波,这也引起了宋健的注意。英国科学刊物《New Scientist》于201811月刊登了一篇文章“Wave goodbye?”(与波再见?)副题为“Doubts are being raised about 2015's breakthrough garavitational waves discovery”(关于2015年的突破性发现,怀疑升高)。124日宋健致函说:志洵同志:刚收到《New Scientist(3 Nov. 2018),看到这篇文章,质疑LIGO2016年发现重力波。想起去年拜读过足下和梅晓春、胡素辉合写的一篇评论,内容与此文大多重合。可见质疑者并非仅足下三人。惮足下漏阅,特奉上复印件。你或许已读过,敬请恕扰。致敬礼,宋健……上述这些信蕴含一位中国老科学家对国际上重大科学问题的关注,也说明他对黄志洵一些科学思想的肯定。


国内电子学界、计量界、航天界的专家学者们对黄的系列著作表现了很大的兴趣和较高的评价。这里再举数例。中国航天科工防御技术研究院的老专家郭衍莹研究员说:黄志洵是那种敢于标新立异的科学家,他的著作是我们的老师。他对微波技术的探索,以及涉足科研的深水区如超光速问题,不迷信经典、不迷信名人,作出了卓越贡献。他在2020年夏季指出,黄的一套(三种)专著在几年内陆续出版,是学术界的一件大事……解放军理工大学的老教授谢希仁先生说,这是一套科学巨著,黄志洵完成它一辈子活得很有意义。他认为,黄教授的最大特点是敢于想别人(包括某些大人物、大学者)不敢或不愿想的学术问题。对一些公认的事,他总是问是真的吗?因而能做创新研究。这是非常罕见的,值得学习……其他来自老、中、青专家学者的好评语还很多,不再一一备述。至于程津培院士这套系列著作“是对世界科学的贡献”。黄本人认为是评价过高了。


以上所讲便是一位老科学家不顾年高体弱、持续顽强拼搏,终于取得系统完整、包含杰出思想的基础科学研究成果的故事。但他本人认为这只是大海中的一滴水,也得力于许多单位(例如中国传媒大学、中国科学院电子学研究所、国防工业出版社)和许多专家学者的支持;否则不可能取得这一成果。







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3 杨正瓴 尤明庆 钱大鹏

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