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交流电可能超光速实验的理论基础 (陆绮 绘画)

已有 5511 次阅读 2016-5-16 09:53 |系统分类:观点评述| 交流电可能超光速实验

首先,我要感谢陆绮博士。由于她的鼓励以及帮助绘画,才促进了我写这篇博文。用科普形式来表示我们的超光速实验的理论基础,这是一件很不容易的事,所以我先列出5篇参考文献,如果网友有意深入阅读,可以点击链接和下载。
我们的论文可参见参考文献[1-3];二篇通俗报道参见参考文献[4-5]。
在最近的科学网的讨论中,专家们肯定了我们的实验的可重复性。我们的实验工作,的确很简单:我们仅仅是找到了交流电可能超光速的特定电路参数。同时我们要归功于当代示波器技术的进步。
我们的实验问题表面上简单,实际上涉及物理学和电磁学的许多基础问题。参加专业讨论的网友需要具备理工科大学二年级以上的基本训练(包括自学)。
这里我首先说明一下光波(电磁波)与交变电场的区别。我们家用的电灯发出的是光波。电灯光在空气中(接近真空)是直线传播的。光波是横波,也就是说,在光的传播方向上,具有横向的电场分量以及磁场分量。光速虽然很快,1秒中可以跑30万公里。然而,如果在1纳秒的短时间里,仅仅跑30厘米。
交变电场的速度是多数呢?很少有人研究。例如家用交流电源的插座二端,是一个交变的电偶极子,电插座二端附近有交变电场。然而,这个交变电场的速度是很难测定的。
当交流电源连接上导线和负载(电阻)以后,因为金属导线中存在大量电子,在导线中的交变电场的速度是可以测定的。下面是我们实验的示意图。在示意图中,我们用箭头线的长度来表达交变电场的速度。(如果用箭头线代表光速,长度仅仅0.3厘米)。另外,我们用时钟指针5分钟代表1纳秒。
导线中的小人代表电子,它们跑的速度很慢,每秒不到1毫米。


如果交流电源的频率是1MHz, 那么一个周期的时间是1微秒。上图中画出的是前半个周期(0.5微秒)的电场方向以及电流方向。交变电场带动了电子,产生了电流以及电功率。
下图是我们在示波器上的实验结果的一个显示。

红线代表短导线回路的1M 欧姆电阻上的电压 Vs 时间;兰线代表长导线回路的1M 欧姆电阻上的电压 Vs 时间。右下角显示时间差是 500ps = 0.5ns。它达到了示波器的精度。所以我们保守地取测量到的时间差为1纳秒。
关于这个实验中测量到的1纳秒的时间差的物理原因,我们认为是由于二路导线长度不同,对应于分布电感不同。所以,交变电场的速度 v = dl/dt (长度差/时间差),实验结果是交变电场的速度超光速20倍。
上图的正弦曲线代表了电压 Vs 时间,它是由于示波器的扫描把电压变化在水平方向展示出来。交变电场是有相位的;上图的正弦曲线不代表交变电场是波。 因为实验中,我们采用了单频,交变电场的速度即使说成是相速度,那么它也是群速度。更加重要的是,它代表了能流速度,即电功率速度。
我们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。
U (t ) = I (t ) R + L dI (t )/dt
这个方程是得到大量实验充分证明了的。它比传输线理论更加基础,更加可靠。我们的实验结果是这个 RL 交流电路的电压方程的推论。
传输线理论是有条件限制的。传输线主要结构型式有平行双导线、平行多导线、同轴线等。它的特点是平行双导线的长度大于工作波长,平行双导线之间的间距一般小于1.0厘米。在这样的条件下,平行双导线之间的分布电容不能忽略,从而传输线理论对于这样的电路条件有效。作为传输线理论的推论,电压波在阻抗不匹配的电路会出现反射等现象。对于2MHz 的交变信号,对应的工作波长是150米。
不同于传输线理论的电路条件,我们的实验有如下几个特点:
(1) 由单根漆包铜线构成回路,单根漆包线的总长度小于10 米;
(2) 构成电路回路的线间线间距离大于3厘米,导线间的分布电容可以忽略;
(3) 我们选用交变电信号的工作频率小于3 MHz。工作频率越低,效果越好。仅仅是为了容易在示波器上显示,我们选用交变电信号的工作频率在1~2 MHz。
(4) 在电路回路中,1M欧姆的电阻是示波器的输入阻抗。L1以及L2不是独立元件的电感,它们是导线的分布电感。电感量与导线长度正相关(不是正比)。
电感的感抗代表反抗电流变化的程度。由于电感的感抗,造成了大电阻上电压的时间延迟,而且长导线比短导线时间延迟要多些。
对于在实验室内的小尺度电路实验,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。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。所以我们的实验结果表明,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。
在RL 交流电路的电压方程中,包含了欧姆定律,它独立于麦克斯韦方程组,从而与相对论没有相关性。所以,交变电场的速度可能超光速,它不受相对论的约束。或者说,狭义相对论不适用于电路。
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,我在这里向中国的科学界呼吁:请有条件的实验室作为一个重要的科研项目,进行更多的条件试验和改进,并且在理论上进一步的研究。

 

参考文献
1. 张 操, 廖康佳, 樊 京,导线中交流电场时间延迟的测定,《现代物理》,Vol. 5 No. 2 ,29-34 (March 2015)
http://www.hanspub.org/journal/PaperHis.aspx?JournalID=579&IssueID=2006
2. 交变电场速度测量的物理原理,《现代物理》,Vol. 5 No. 2 ,35-39 (March 2015) 
http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=14949
3. 交流电速度可能超光速20倍—兼评郑翊等人的论文“电磁场的传播速度”, 《现代物理》,Vol. 5,No. 6, 125-132  (Nov. 2015).
http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=16335
4. “电可以跑得比光快,这是真的吗?”,上海科协主办的新民咖啡馆科普论坛报道:
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5MDM1ODIzMQ==&mid=403342774&idx=2&sn=8cf2cee31ddf86930e71e96b53fca31a&scene=1&srcid=0225ltCWtFwVNVjUPzmm9QQe#rd
5.  杨兰报道:“交流电可能超光速实验挑战了相对论”, 2016-04-22,中国科技新闻网:
http://www.zgkjxww.com/kjxw/1461723158.html

 




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