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.     

对GRB090510γ-射线爆发的解读并提出一项实验建议

作者在<论随机量子空间及有关问题> (以下简称原论文)[1]中提出"光子色散说",原论文(6.9)式给出光速v随频率f或波长λ变化的色散方程:     

狭义相对论的自然推广

本文遵从下列原则把狭义相对论扩展到超光速领域:(ⅰ) 承认有超光速物质就必须承认有超光速惯性系,(ⅱ) 保留光速不变原理和相对性原理,但内容要扩充。结论:(ⅰ) 慢子(亚光速粒子)只能有正质量,快子(超光速粒子)只能有负质量,(ⅱ) 爱因斯垣质能联系定律适用于慢子,快子和光子等整个物质领域,(ⅲ) 光子也有正负质能两类。     

对暗物质和黑洞本质的探讨与分析

通过对爱因斯坦狭义相对论和广义相对论的推理以及部分的假设推理出:(1)暗物质就是以光速或超光速运动的粒子或星体.(2)黑洞就是以光速或超光速运动或旋转(自转或公转)的质量巨大的星体.(3)暗物质和黑洞的化学组成和常规物质是一样的.     

“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.     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

超光速物理学研究的若干问题

1905年Einstein说“超光速没有存在的可能”,他的理念其实只是假设或猜测。自从1962~1967年以来,超光速研究在多国(如美国、德国、意大利、中国)广泛开展。本文论述1963~2013年间超光速研究的成就和问题,其理论和实验是用经典物理或量子物理方法实施的。基于波粒二象性,科学家按照两条路线(粒子、电磁波)而展开研究。新学科“超光速物理学”的建立已成事实,其研究成果所展现的生动和丰富令人惊讶。     

以量子非局域性为基础的超光速通信

1935年Einstein根据自己对自然的理解提出了EPR论文,该文的局域性原则对应他的狭义相对论(SR)。文章坚持以超光速传送能量和信息的不可能性,否定体系分开为两个(Ⅰ和Ⅱ)之后会有一种超距作用的机制。1951年D.Bohm对EPR思维实验作了现代物理意义的陈述,称为Bohm自旋相关方案或自旋双值粒子系统,实际上启动了量子纠缠态研究,对EPR思维是一种推进。在此基础上。1965年J.Bell提出了后来称为Bell不等式的隐变量理论;而在1981年—1982年间A.Aspect做了多个精确实验,结果与Bell不等式不符,却与量子力学(QM)一致。Aspect实验在科学界引起震动,使物理学家J.Brown和P.Davies在英国广播公司(BBC)组织了一次对著名科学家的访谈。在采访J.Bell时他说,该不等式是分析EPR思维所产生的,这个思维说在EPR论文条件下不应存在超距作用,但那些条件却导致了QM所预期的奇特的相关性。Aspect实验结果是在预料之中的——QM从未错过,即使条件苛刻也不会错。这些实验无疑证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为,现在为克服理论上的困难,可以回到Lorentz和Poincarè;可以想像以太这种参考系存在,在其中事物可以比光快。Bell重复说想回到以太概念,因为从EPR论文可以看出,景象背后有某种东西比光快。EPR论文建基于SR之上,二者都否认超光速的可能性,这也就是SR与QM的根本矛盾。QM允许超光速存在,认清这一点对科学进步有重要意义。J.Bell于1990年去世,但他建立了不朽的功绩,Bell不等式成为科学史上最伟大的发现之一。几十年来所谓Bell型实验长盛不衰,双粒子奇异纠缠的距离从最早的15m多年后增大为144km,十分惊人。特别是在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为10~4c—10~7c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。可否说量子纠缠态必然引向超光速信号传送?研究表明"景象背后"的影响允许超光速通信。人们都承认实际上存在相互纠缠粒子之间的超光速信息传送是确定的事实,问题仅在于如何应用于人类相互交流和联系。EPR论文的错误对科学研究提供了深刻的教益,对量子纠缠态这种奇特物理相互作用的好奇是思考和探索的永不衰竭的原动力。量子纠缠态或许可以称为"第5种基本的物理相互作用";而所谓Bennett方案并非唯一的用量子纠缠作远距离通信的途径。     

对引力波概念的理论质疑

2016年2月11日美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布,它于2015年9月14日探测到引力波,说这是两个黑洞合并造成的,收到的波形与广义相对论(GR)的预测一致。以后又有几次宣布,例如2017年10月16日说已第5次探测到引力波,而这是由于两个中子星的合并。2017年10月3日Nobel奖委员会宣布,LIGO的3位美国科学家获得当年的Nobel物理奖。然而一直有不同国家(德国、巴西、英国、丹麦、中国)的科学家提出质疑,认为LIGO不可能探测到引力波,甚至向Nobel奖委员会发电子邮件,详述他们的反对理由。本文认为是基本的物理原理决定了引力波不能存在,从理论层面详述了该课题不可信的原因。Einstein的引力场、引力波理论的公式推导,明显地有借鉴和模仿电磁场、电磁波理论的痕迹,因此我们可以遵循电磁理论的逻辑对前者提出批评。任何人如认定引力波存在,那么他要先证明引力场是旋量场。我认为Newton万有引力定律与Coulomb静电力定律的相似已证明引力场是静态场,而引力和静电力都以超光速传播的事实进一步证明了这点。引力场既然是静态的无旋场,是不会有引力波的。我认为"引力传播速度和引力波速度都是光速"的观点是完全错误的,不仅不符合事实,而且把引力相互作用和电磁相互作用混为一谈。"引力速度"与"引力波速度"是不同的概念。很久以前许多著名科学家就知道引力传播速度比光速大很多(v_G≥c),他们普遍认为引力如以有限速度(光速c)传播,绕日运动的行星由于扭矩作用将不稳定。相对论者坚持说"引力以光速传播"是为了替SR辩护,因为该理论认为超光速没有存在的可能,然而这已被事实所否定。Einstein引力场方程是GR理论的基本方程,但它的推导有假设和拼凑的作法。引力场的物理效果被认定由Riemann空间的度规张量体现,需要知道度规场分布的规律。但由于没有可作依据的实际观测知识,推导引力场方程就用猜测性的推理。尽管引力场方程被导出,但它非常复杂且有高度非线性,实际上不可解。然而,一个无法求解的方程是对人类无用的东西,因此Einstein通过弱场近似导出引力波。这是尽力模仿电磁理论的作法。但这并不合理,连LIGO也说在有剧烈天文现象发生时才迅速地有引力波产生,这可不是弱场,与理论前提相矛盾。总之,Einstein引力场方程的非线性造成无波动解。当前西方理论物理界乱象频生,黑洞的有无、暗能量和暗物质是否存在,都在无休止地争论。在本文中我们呼吁重建经典力学的时空观,提出"牛顿仍称百世师"。Newton引力理论经过了漫长时间的考验,它对人类极为有用。因此,本文批评了Minkowski的时空一体化。此外,还批评了LIGO所采用的数值相对论方法。最终的结论是:引力波是一个无意义的概念,缺乏物理实在性且造成误导。     

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。     

虚物质(暗物质)具有8个物质相位的研究

提出了低于光速的物质为正物质、等于光速的物质为0(零)物质、超光速的物质为虚物质的概念,这些物质概念是建立新引力场理论的基础。并论证低于光速的正物质(三维空间物质)具有正引力场能,外在表现为放热(或有热辐射),有正引力场(有向心力、正引力)。等于光速的0(零)物质有0(零)引力场,也论证了超光速的虚物质(四维空间物质、暗物质)具有负引力场能,外在表现为吸热,具有反引力场(有离心力、排斥力)。论证了低于光速正物质(三维空间物质)只有1个物质正相位,超光速虚物质(暗物质、四维空间物质)具有8个物质负相位(反引力、负引力),超光速的虚物质(四维空间物质、暗物质)因为具有负引力场能,结果导致了宇称不对称现象。     

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.     

高能量场四维空间导致时间场速度变慢的研究

提出了低于光速的物质为正物质、等于光速的物质为0(零)物质、超光速的物质为虚物质的概念,这些物质概念是建立新引力场理论的基础。并论证低于光速的正物质(三维空间物质)具有正引力场能,外在表现为放热(或有热辐射),有正引力场有向心力、正引力)。等于光速的0(零)物质有0(零)引力场,也论证了超光速的虚物质(四维空间物质、暗物质)具有负引力场能,外在表现为吸热,具有反引力场(排斥力),超光速的虚物质(四维空间物质、暗物质)因为具有负引力场能,结果导致了宇称不对称现象。论证了超光速四维空间导致时间场速度变慢的机制,也论证了在高度扭曲的四维空间中一个物体可以同时出现在2个不同的时间点上,为将来研究制造出时间机器做好了理论上的准备。     

光速与观测者运动速度相关的理论分析与实验证据

本文回顾并分析了光速不变原理的由来,指出其迄今为止仍然是一个未得到实验验证的假设。同时通过对已有实验结果所作逻辑分析,表明光速是与观测者的运动有关的,因此光速不变原理是难以成立的。并进一步结合过去及近年来新的实验所提供的证据,得出了光速是可变的结论。     

《合肥工业大学学报》(自然科学版)征稿简则

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