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。     

电流的传递时间为零,那么电子的运动超光速了吗？

正A:电流的传递并非不需要时间,实际上,它的传播速度就是光速。在生活中,我们感觉电流的传播不需要时间—按下开关的一瞬间,灯就亮了,这是因为电流传递的速度(光速)高达30万千米/秒,家中导线的长度没法让人察觉出延迟。假如从地球控制远在月球轨道上的电灯,延迟就会达到约1.3秒;如果电灯远在火星,延迟更是会达到几分钟到二十几分钟。不过,电流传递的速度并不是电子运动的速度。要弄清楚这个问题,我们应该先理解什么是电流。     

相对论歪曲了光速不变原理——论光、声在多普勒效应中的表现差异

光速理论像把测量时空尺,是支撑天体物理学和相对论的支柱,不可有半点瑕疵。探索光运动特征,寻找光速(C)的参考系,揭红移奥秘,推导求光源退行速(V)公式。计算不同运动、不同距离(D)的天体光在地球空间的通过速度(BC)为宗旨。探索得之:光是直接以"加速度"的形式从运动的源中"发射"出的。光速,就是光离开源的不变速,是源速基础上的速。光在以源为C的参考系扩散时,就在不知不觉中延续了源的空间速。光的波长不因星系退行而拉伸。所谓红移,是因退行抵消了与退行等量的光在地球空间通过时的速度所造成的波延长的"假象"。不同运动星系光不以相同速从银河系通过。光、声在多普勒效应中表现并不"完全相同"、不存在与源运动无关的光在空间绝对速——C。     

探索C的参考系,揭开宇宙之谜——红移

现行理论认为:光速(C)就是光在真空中的速:光与声在多普勒效应中表现完全相同.不管光源与检测者在空间如何快速运动,测得速度都完全相同(这是不妥的).本文宗旨:探索光运动特征及确立光速C的数值参考系,揭"红移"奥秘,推导与哈勃定律相吻合的天体退行速(V)公式. 本文探索发现:光是从运动的源内"直接发射"出的,C的数值是由"加速度"决定的,是在源速基础上朝不同方向的加速,光也就永远以源为C数值参考系扩散开来,形成对称的、无限扩大的"大光球"(场)与源是不可分割并同步运动的,所以光在空间速度就得叠加于源速之上,光也就在毫无感觉的情况下延续了源的惯性速,避免了朝源后方的流向.这是光极其重要的运动特性.所以在传播中各向波长和离源速度都不因源的运动和星系分散而改变.因为星系都在匀速分散,所以,相对地球不同退行速天体光不以相同速从地球空间通过,银河系的光也不以相同速穿越沿途千万重相互分散的星系,穿越速度必随被穿越星系的退行速递增而递减."红移"现象是遥远天体光在我处通过速度被退行的源拖着同步下降效应.     

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.     

Q&A

<正>Q:光速永远是最快的吗?引力之类的是否会让光减速?A:根据相对论,没有任何物体或信息的运动速度可以超过真空中的光速。物体的引力只会改变空间的"形状",不会使得光传播的速度改变,它仍然以最高速度和最短路径通过空间。当背景光源发出的光在星系、星系团及黑洞之类具有较强引力的天体附近经过时,光线会像通过透镜一样发生弯曲,产生可以观测到的引力透镜效应。但是通常情况下,光并不是在真空而是在介质中传播的,此时光传播的速度就不再是真空中的光速,而是和介质的折射率有关的一个小于真空光速的速度了。     

无源媒质中电磁波的异常传播

目前人们的研究兴趣是改变光脉冲的群速度,产生光停、慢光、快光(超光速的光).按照物理理论,反常色散媒质中可能出现“快光”,而它就称为“快光媒质”.已有许多产生快光的实验,这就开辟了被称为“色散技术”的研究前景.例如,科学界对群速超过真空中光速c的信号传播感到好奇.而在另一方面,以群速vg行进的短波脉冲、微波脉冲、光脉冲,如vg比无限大还大,就称为负群速(NGV)传播.这时发生如下现象:输入脉冲峰到达被测物(DUT)之前,DUT输出端已呈现脉冲峰的身影.这虽与直观经验不符,但都是实验发现.当某种材料中光的群速为负,这就是NGV媒质.虽然NGV时常出现在增益系统中,无源系统也不断发现NGV现象;后者可由同轴电缆、波导、微带线、光纤而构成.实验中如加大失配即可加大群时延,进而获得NGV.若n为媒质有效折射率,则获得NGV的条件是{f/n dn/df}＞1.虽然许多实验证明了群速超光速现象存在,科学界仍感困惑.2001年证明了关系式(-v)e=|T|2vg((-v)平均能速,T系统传输系数),故当vg很大(vg＞c|T|-2)时能速将比光速大.有关研究带来了令人兴奋的可能性.Brillouin的信号速度定义存在问题,数学意义超越物理意义.我们的反驳是,最重要之点在于传播中不失真的波群(波包).由此出发的理论分析证明,众多NGV研究者已观察到的超光速传播其实就是实现了超光速通信.……超光速群速传播和负群速波传播,这两者各有其用途.科学家们把这与多个领域(如光通信、光场压缩态、量子纠缠)相联系,并得出结论说,高效、低耗的快光的潜在应用是广阔的.     

发明哈哈乐

晚上回到家，在漆黑的房间里，常常要寻找半天才能找到电灯开关。为此，我设计了一种新型的自动开关，回到家后，一打开房门，电灯即自动点亮。有了它，当你外出时再也不用担心忘了关灯，因为它每隔一段时间会探测一下房内是否有人，如果没有，它便会自动切断电源。浙江嵊州市逸夫小学 黄锦阳自动开关大头:白天外出回来打开房门，电灯也会点亮吗？隐形眼镜的镜片是无色透明的，戴在眼中不容易被看出，可是如果一不小心掉在地上，就很难找到了。我想发明一种镜片颜色会随温度而改变的隐形眼镜，把它放入眼睛里时是无色透明的，一旦离开人体…     

秦汉时期汉画像的图形特征

秦汉美术并不是一道闪电，仅只一瞬间照亮天地光明就随之消失。刚好相反，秦汉美术一直光被后世，影响深远。正如秦汉在中国社会的发展史上是一个重要的转折时期，秦汉在中国美术的发展史上，也是一个重要的转折时期。     

Q:什么是光的全反射现象?声波有全反射么?

正(读者:罗浩宇)A:光在两种不同的介质中传播速度一般不一样快,在其中光速较快的介质叫光疏介质,在其中光速较慢的介质叫光密介质。当光线从光密介质射向光疏介质时,如果入射的角度超过某一临界角,折射光线将完全消失,全部的光线都被反射,这种现象叫做全反射。比如光在水中传播的速度就大概只有在空气中传播速度的3/4,因此当光线从水底射向空气,并且入射角(入射光线与入射表面法线的夹角)超过48.8°时,光线将全部被反射回水里。声音也是一种波,也存在全反射现象。     

V=C*Z/(1+Z)揭开光速之谜

现行理论认为：光速（C）就是光在真空中的速;光与声在多普勒效应中表现完全相同。认为不管光源与检测者在空间如何快速运动,测得速度都完全相同（这是两个混淆）。本文宗旨：探索光运动特征及确立光速C的数值参考系,揭“红移”奥秘,推导与哈勃定律相吻合的天体退行速（V）公式。 光是从运动的源内以“电荷加速度”形式直接发射出的,C的数值是由“加速度”决定的,光速就是光在源速基础上的速,不能错成是在“虚无空间”的速。按“相对”原理,光速,只指光在源的电磁场中的速度。因为每个星系的光都视自己的潦是“静止在宇宙正中”,所以光也就永远以源为C数值参考系以C速扩散开采,形成对称的大光球。因为无限扩大的“大光球”（场）与源是不可分割并同步运动的,所以光在空间速度就得叠加于源速之上,光也就在毫无感觉的情况下延续了源的惯性速度,这是光极其重要的运动特性。所以在传播申各向波长和离源速度都不因源的运动和星系分散而改变。因为星系都在匀速分散,所以,相对地球不同退行速天体光不以相同速从地球空间通过（通过速度=C—V）,银河系的光也不以相同速穿越沿途千万重相五分散的星系,穿越速度必随距离递增而递减,显示“红移量”逐渐上升,直至“先予倒流”。     

波速合成原理

速度合成原理——观测速度=载体速度+运动速度。波速合成原理——观测速度=介质速度+波速。速度合成原理对位移速度和波动速度均适用,计算结果表明光只可能是介质波,不可能是物质波,以太必定存在,同时证明光速不变原理的"光速与参照系无关"错误。     

科学家称光速可能比先前认为的慢

针对光速的挑战总是源源不断。美国马里兰大学物理学家詹姆斯·弗兰森,日前在物理学权威期刊《新物理学》上发表的一篇文章,在物理学界引起了轩然大波。他声称,光速在真空中传播的速度或许比人们以往认为的要慢一些,并找到了支持这一理论的证据。如果得到证实,目前的物理学将被彻底颠覆,许多著名理论将被改写。广义相对论认为,光在真空中以每秒299792458米的速度传播。     

“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.     

V=C＊Z／（1＋Z）揭开光速之谜

现行理论认为：光速（C）就是光在真空中的速Ⅲ;光与声在多普勒效应中表现完全相同[2]。认为不管光源与检测者在空间如何快速运动,测得速度都完全相同[3]（这是两个混淆）。本文宗旨：探索光运动特征及确立光速C的数值参考系,揭“红移”奥秘,推导与哈勃定律相吻合的天体退行速（V）公式。光是从运动的源内以“电荷加速度”形式直接发射出的,C的数值是由“加速度”决定的,光速就是光在泺速基础上的速,不能错成是在“虚无空间”的速。按“相对”原理,光速,只指光在源的电磁场中的速度。因为每个星系的光都视自已的源是“静止在宇宙正中”,所以光也就永远以源为C数值参考系以C速扩散开来,形成对称的大光球。因为无限扩大的“大光球”（场）与源是不可分割并同步运动的[4],所以光在空间速度就得叠加于源速之上,光也就在毫无感觉的情况下延续了源的惯性速度,这是光极其重要的运动特性。所以在传播中各向波长和离源速度都不因源的运动和星系分散而改变。因为星系都在匀速分散,所以,相对地球不同退行速天体光不以相同速从地球空间通过（通过速度=C—V）,银河系的光也不以相同速穿越沿途千万重相互分散的星系,穿越速度必随距离递增而递减,显示“红移量”逐渐上升,直至“光子倒流”。     

超光速研究的量子力学基础

量子力学为超光速的研究带来了希望与可能。为检验EPR论文所做的实验显示,景象背后有某种东西比光进行得更快。量子隧道效应对超光速研究有重大意义,有关理论和实验研究都证明,人为地使一个光子或一个脉冲以超光速行进是绝对能做到的事;预期把等离子体用作位（势）垒时也会发现超光速现象;建议用实验研究物质波粒子（如电子）通过位（势）垒时将会发生的情况。     

Raman——Nath衍射与光拍测速

<正> 光速 C 是最基本的物理量之一。对光速测量的每一突破都对光学以至整个物理学的深入发展产生了巨大的推动作用。因此,精密测量光的速度在物理学中是一个十分重要的课题。光拍测速是光学发展的必然结果。在实验室的条件下,它的精度是很高的。现就其物理机理作一深入的探讨。     

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.     

电灯照进北京之夜

电灯第一次照进北京的夜晚,地点是在西苑,也就是现在中南海怀仁堂附近。1888年底,购自丹麦的,价值6000两白银的发电设备在西苑电公所的机房内嗡嗡作响,第一盏电灯随即照亮了仪鸾殿外的夜空。时年53岁的慈禧走出仪鸾殿观灯,发出"电灯真亮啊"的感叹。     

光速c：颠覆经典物理学的常数

相对论和量子力学是整个现代物理学的根基，它们分别依赖于两个基本常数：光速c和普朗克常数h。或许，光速c被命名为爱因斯坦常数更合适，因为是爱因斯坦赋予了这个最无神秘色彩的物理学基本常数一些神奇的意义，使得光成为人类探索微观世界和宇宙奥秘的最有力探针。本期“特别策划”，讲述的就是与光和光速有关的科学故事。