引力传播速度研究及有关科学问题

在Newton理论中引力速度是无限大,而在Einstein理论中引力速度是光速.广义相对论(GR)认为引力与电磁力不同,是弯曲时空的纯几何效应.但现在应思索某些不同的引力模型,例如把引力重新当作平直时空中的自然界的力的传播,从而又研究得出引力速度大于2×1010c(c是真空中光速).虽然超光速的力传播违反Einstein的狭义相对论(SR),却符合Lorentz的相对性理论(LR).……对宇航界的推进器动力学科学家而言引力是很重要的;近年来太空科学呼吁实验物理学家研究比光速更快传播的信号源.引力以超光速传播的可能将激励科学家们作进一步实验与探索.     

论有质粒子作超光速运动的可能性

狭义相对论( SR)中运动的有质粒子的长度( l)、质量( m)、能量( E或W)随速度v变化。当v增大,l减小而m和E加大。如果v=c,运动粒子的质量、能量成为无限大。故Einstein断言讨论超越光速c是无意义的。然而在实际上从未发现过物体长度随速度增加而减小。对质量而言,Newton力学中质量与速度无关;质量随速度变来自1904年的Lorentz公式m = m01- vc 2[()]-1/2,即使它适用于电子也不能像SR那样推广于一切动体,实际上缺少“Lorentz质速公式适用于中性粒子和中性物体”的实验。故所谓“光障”不一定真的存在。
　　电子并不是一个普通的动体,而是特殊的带有电荷的动体。故即使v=c,能量也不是无限大。另外,还可证明当速度v增大时动体荷电量q和受力F都减小。这就很好的解释了1901年的Kaufmann实验。类似地,分析表明1964年的Bertozi实验也不能证明光速c不可超越。
　　本文把今日的“光障”问题与过去的“声障”问题作了比较,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。在超声速飞机问世前,当飞机速度接近声速将形成气体超大密度的激波,飞机将无法穿越它。但深入的理论分析和风洞实验使科学家获悉,即使v=c(在这里c为声速),密度仅增大6倍,不是无限大;故工程师开始设计和建造超声速飞机。1947年10月14日美国空军完成了人类首次超声速飞行。……我们相信对所谓光障也会是同样的情况。
　　由于量子力学中的波粒二象性,科学家可按两条路径(粒子或波)展开研究。过去认为微观客体会呈现为粒子或波,但不会同时体现这两者。然而最新的研究却证明可在实验中又是粒子又是波。本文建议设计针对物质波的实验。由于现时有大量的群速超光速实验已获成功,可以期待超光速有质粒子(电子或质子)的存在和发现。……总之,结论是有质粒子可以作超光速运动,但有待将来的直接实验证明。     

超光速宇宙航行的可能性

Newton力学认为在宇宙中速度没有上限,而Einstein的狭义相对论(SR)却规定了上限.按照SR,高于光速的速度没有存在的可能.对带电粒子的加速表明,接近光速时质量增加很大,为了小的增速需输入很多能量.故在美国Stanford直线加速器中电子速度只能达到0.9999999c.但这仅为用电磁方法对带电粒子加速的情形.理论和实验均已证明,可以设法驱动不带电的光子,使它以超光速运动.自然界有4种基本的物理作用,在电磁作用(光作用)之外还有3种.故不能说光速c是宇宙中的速度上限.例如,"引力以光速传播"的假定就是错误的,美国天文学家已指出引力传播速度可大于2×10100c,即达6×1015 km/s以上.如果不用化学燃料推进火箭,亦摆脱电磁原理,而是以引力原理设计推进系统,人类有可能以极高速度航行,有望乘飞船到达宇宙中的任何地方.在对1962～2008年间的超光速研究作审视后,我们认为超光速是一种可实现的科学陈述.例如,物理学家建议改变邻近飞船处的空间特性以实现超光速航行.目前的地外文明探索的突出成果之一是发现了太阳系外行星Gliese-581c.它与地球相似而成为宜居星球,但距地球20.5光年(1.89×1014 km)之远.用束芯反物质火箭到该处需40年,用超空间引擎只需几秒.我们可以想象前往别的太阳系,但必须有概念新颖的火箭才能到达该处.     

“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

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).这类似于使用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.     

精细结构常数的测量和光速的变化

简述了精细结构常数（FSC）的定义和测量，介绍了J.Webb等人根据对遥远的类星体观测发现的FSC异常。他们所分析的光是宇宙早期时天体发出的光，发现那时α之值较小，故认为宇宙早期时光速值较大。介绍了P.Davies等最近提出的理论观点，认为在创世大爆炸时光速非常大，据此容易解释宇宙的大尺度均匀性；如光速可变，就必须重新审查关于时空的理论（狭义相对论SR）。为了解释Webb实验，本提出了一个新观点，即认为在宇宙的早期光子速度较快、能量较大，亦即在那时光速值（c)和Planck常数值（h)均具有高于目前标准的数据。     

光速，特殊的速度

光以约每秒30万公里的惊人速度行进。这个速度叫做“光速”，在物理学中用符号“c”表示，取自拉丁语“速度”一词“Celeritas”的首字母。     

超光速实验的一个新方案

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(v/c<5)和大超光速(v/c>104).现时的超光速研究可考虑用圆截面截止波导(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.从波动力学和渡粒二象性的观点看,"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c稍快.     

超光速研究的40年——回顾与展望

自美国物理学家O.M.Bilanuik和E.C.Sudarshan（1962年）以及G.Feinberg(1967年)的开创性工作以来，在美国、欧洲和中国都对超光速展开了研究。根据A.Einstein于1905年发表的原始论文，超光速没有存在的可能，但其1907年的论文对“信号传播不能超光速”却不很肯定。文章把速度问题分解为若干类、项，并提出“广义信息速度”定义以利于对众多速度概念的讨论。在反思了40年来（1962—2003年）的超光速研究以后，得出结论认为“超过真空中光速c”是一种可实现的科学陈述。     

再评欧洲OPERA中微子超光速实验

物理学有一个著名法则是任何东西不能以超过真空中光速c的速度传播。但在2011年9月22日,在意大利完成的一项实验提供了中微子以超光速(vc)运动的证据。相对于真空中光速,实验和计算显示中微子早到了[60.7±6.9(统计)±7.4(系统)]ns,亦即(v-c)/c=[2.48±0.28(统计)±0.30(系统)]×10-5。这表明中微子速度v=299799911m/s。研究人员对CERN与检测器间约730km的测量精度达20cm,相应时差的测量精度达10ns;而测量工作的置信度水平达6σ。这是真正了不起的实验。美国的MINOS项目已经准备作更精确测量以校对这一结果。如MINOS证实了OPERA发现,这结果的意义重大。但也有物理学家表示怀疑。如该结果错了,我们也不能完全抹杀这一实验的意义。超光速研究将继续进行。     

精细结构常数的测量和光速的变化

简述了精细结构常数(FSC)的定义和测量,介绍了J.Webb等人根据对遥远的类星体观测发现的FSC异常.他们所分析的光是宇宙早期时天体发出的光,发现那时α之值较小,故认为宇宙早期时光速值较大.介绍了P.Davies等于最近提出的理论观点,认为在创世大爆炸时光速非常大,据此容易解释宇宙的大尺度均匀性;如光速可变,就必须重新审查关于时空的理论(狭义相对论SR).为了解释Webb实验,本文提出了一个新观点,即认为在宇宙的早期光子速度较快、能量较大,亦即在那时光速值(c)和Planck常数值(h)均具有高于目前标准值的数据.