下期看什么? 光速——引起一场物理学革命的特殊速度

打开电灯开关,房间立即就被照亮。严格说来,光线并不是在电灯点亮的一瞬间就照亮了房间的每一个角落。从电灯发出的光其实要经过一段时间才会照亮整个房间。不过,光的行进速度(光速)实在快得惊人,以我们的日常感觉,整个房间就像是在电灯点亮的一瞬间就被照亮了。光以约每秒30万公里的惊人速度行进。在物理学中用符号"c"表示光速。这个符号取自拉丁语celeritas(速     

电流的速度有多快

电灯的点亮,电扇的转动,电脑的运行,所有电器的正常工作都离不开电。只要我们一按下开关,一插上插头,电路马上就可以接通,这是不是因为电流流动的速度特别快呢?A:1784年,有位叫华德生的人设计了一个实验,想测出电路中电流的速度。他用1000多米长的电线做实验,电线的一端刚一通电,另一端的人立即触电。从此,人们便有个印象,认为电流流动几乎不需要时间,自由电子在金属导线里奔跑的速度     

借助于超光速通信，给3年前的自己发送邮件

<正>光在真空中的传播速度（光速）非常快,每秒大约30万千米。那么,如果超过光速的速度,即“超光速”得以实现的话,会发生什么呢？理论上可能存在始终以超光速运动的粒子想必很多人都知道“任何物体的运动速度都不可能超过光速”这一定律吧。这是从阿尔伯特·爱因斯坦（1879～1955）创建的狭义相对论推导出的结论。根据狭义相对论,使某个物体加速时,随着其速度接近光速,其再加速时需要巨大的能量。要想将普通物体加速到超过光速,     

超光速与超光速观测效应

介绍了速度、光速、超光速的概念.如果站在固定参照系观测到的是正常影像,那么乘超光速运载工具观测到的就是回放的影像,回放速度随运载工具的速度的增加而增加.速度不会影响时间流逝速率.超光速不会导致时间回流.不存在时空隧道.     

论时光倒流与时空隧道

时间和速度一样都是相对的。当一个物体运动的越快(越接近光速),那么他的时间过的也就越慢。t'=t*sqrt(1-v~2/c~2),c为光速.根据这个方程,当运动速度到达光速时,时间就停止了.换个角度来说,如果有超光速,那么这个方程是无解的,因此我们可以猜测当超过光速时可以使时间倒流;不仅如此,如果由于无数个生命过程同轨迹地返回,必定产生时光倒流。     

浅谈梁氏变换的完备性：与梁尺峰先生商榷

梁氏变换下的非瞬时尺缩效应公式是不正确的，梁氏变换下，加速系仍然不是单一的体系，梁氏力学公式不可能是精确的公式。梁氏变换允许超光速体系存在，这又导致“信号的最大传递速度为光速”的假定失去意义。     

以接近光速的速度进行宇宙旅行时,飞船所带的燃料应该以飞船内的时间计算还是地球上的时间计算?

<正>A:你接下来问的是,接近光速从地球出发,用4年多时间到距离地球4光年的另一个星球,而在飞船上的人可能感觉15分钟就到了那个星球,飞船至少该带4年的燃料还是带15分钟的燃料?首先,这不是一个"真问题",狭义相对论涉及的是惯性系之间的关系问题,不涉及燃料以及加速的过程。常说的接近光速的旅行,也是假设宇宙飞船瞬间被加速到接近光速,然后作匀速运动,这样它才可被看作是一个惯性系,才适用狭义相对论。     

宇宙会膨胀吗?

无论在国内,还是在国际科学界,在谈到宇宙时,常提到“膨胀中的宇宙”.宇宙会膨胀吗? 随着天文学的发展,天文观测仪器的威力不断增强,可观测宇宙的范围在不断地扩大.天文学家们“根据河外星系光谱线普遍向光谱红端移动的事实,证明河外星系普遍地正在远离我们而去”,而且“远在上百亿光年外的星系的退行速度已高达光速之半”.     

空间的特性

著名的迈克尔逊-莫雷实验是20世纪最为著名的科学实验,迈克尔逊还为此获得了诺贝尔物理奖。爱因斯坦以之为基础建立了相对论。迈克尔逊——莫雷实验能证明：光速不变。光速在真空中的不变值,不管能量是多少都是v=3×108m/s,在这里特别是关于光子的概念。在能量的的传递过程中提到量子化,通俗的说就是一份一份的,在这些问题中我们都认为能量就应该是这样的,而和空间没有太大的关系。其实能量的传递应该是连续的,可为什么有量子化,就是因为空间不是连续的。我们可以通过一个例子来说明空间的这种特性：多米诺骨牌,设想一下有很多都米诺骨牌排成一条线,在一端碰一下,骨牌会一个接一个倒下去传递的速度完全由骨牌的距离和骨牌的特性有关,和最初的力量好像关系不大,所以存在光速的那个特定值而存在,但是能量在传递的过程中每一块多米诺骨牌都会起到阻挡的作用,会把能量留在空间的空隙里（暗能量）。想一想光子从太阳到地球长达500秒的传播路程,到达地球时每个光子的能量还不变。光子的能量：E=hγ,h是普朗克常数h=6.626×10^-24j/s。这种现象只有像多米诺骨牌那样的传递方式才能出现。     

光速极限问题的讨论

狭义相对论指出,真空中的光速C是一切物质运动和信号传播速度的极限速度。这一重要结论很容易被误解为光速C(以下光速均指真空中的光速)是一切速度的极限,即任何速度都不能超过光速。本文通过几种物理现象,说明在物理学中不难找到超光速的例子,以求加深对光速极限问题的认识和理解。     

重新认识光速

光速是目前我们所知运动形式中最快的一种,它在真空中的速度是每秒30万公里。人类在确认光速的过程中花费了漫长的时间,我们的先辈为此付出了艰辛的努力。     

以牛顿力学来看相对论

人们最先研究的对象常常是自己在一般生产和日常生活中所接触到的事物,这些事物常常由亿万原子组成,而且它们的速度往往远比光速为小。牛顿力学就是建立在研究体积远比原子巨大、速度远比光速线慢的物理现象的实践基础上而产生的。但是,如果物体运动的速度可以和光速相比较时,那么,应用牛顿力学的公式就会得到与实验不相符合的结果。适用于近光速领域的新力学体系,是伟大的德国学者爱因斯坦(1879—1955年)根据其他人的许多实验并在荷兰物理学家洛命兹(1853-1928年)研究的基础上体会出来的,他补充和修正了     

关于宇宙的超光速膨胀

按现代宇宙论,宇宙是在不断地膨胀。Hubble定律指出,所有星系普遍存在着退行运动,其退行速度与星系的距离成正比。目前己发现的最遥远类星体RKS2000—330,其红移Z=3.78,距离我们有100亿光年,退行速度己达光速的0.8倍。那么,能观察到的更遥远的星系,其退行速度会大到超过光速吗?本文指出,按照Alexendre Friedmann模型所作的计算表明,宇宙的膨胀速度是可以超过光速的。但是,它只是一种“表观速度”,并不与狭义相对论“光速是物质运动的极限速度”相矛盾。取均匀和各向同性的Robertson-Walker度规     

光速不变及不能超越的原因

根据洛伦兹变换公式,物体的速度若大于光速,它将飞到未来或飞回过去。但这是不可能的。因为,时间是物质的存在形式,过去是过去的物质的存在形式,未来是未来的物质的存在形式。就现在来说,过去的物质已经不存在了,而未来的物质还没有出现。物体不可能进入没有物质的地方。光速不变的原因与此基本相同。     

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.     

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.     

动作电位在有髓鞘神经纤维上传递速度的计算模型及分析

以有髓鞘神经纤维为研究对象,通过分析动作电位的传递机制,得出了可用跨膜电流的传递速度来等效动作电位的传递速度的结论.根据McNeal模型和CRRSS模型推导出跨膜电流的时间函数,最后给出了动作电位在有髓鞘神经纤维上传递速度的计算模型.在得出模型的基础上对影响模型的参数进行了详细分析.     

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。     

视超光速运动中“核固定”与视超光速的统一

在视超光速运动的相对论超光速模型[1 ] 的基础上 ,进一步给出视超光速源的核与子源的视速度方程、核与子源速率相等条件下的真实速度方程、核与子源设为光速时的视速度关系方程。然后将观测到的视速度 Vapp和由自康普顿散射机制推算的喷流与视线的夹角θ的数据代入真实速度方程 ,所得值再代入核与子源的视速度方程 ,结果表明 ,离我们而去的核表现为“固定”,而向我们而来的子源表现为超光速 ,二现象在相对超光速模型中得以统一。 [1]及本文对单一天体的运动也适用。     

用于太空技术的微波推进电磁发动机

微波推进的电磁发动机( EmDrive )技术现已获广泛认同。在推进力的反方向产生的加速、反作用力遵守Newton力学,可能产生10mN/kW至1000mN/kW的推力。基本器件是一个圆锥状的封闭谐振腔,用TE011模式。由于腔内的非均匀场分布,电磁合力F∑≠0,提供了腔体自主加速运动的推力。微波推进电磁发动机的发明人是英国工程师Roger Shawyer,它不携带燃料,推进器使用的微波能由太阳能转换而来,故适于作太空飞行。2006年6月有报道说,Shawyer用700W功率产生了88mN力;2007年5月用300W功率产生了96.1mN力。这说明早期即达到了(125~320)mN/kW水平。力虽然小,不断加速的过程有望获得非常高的速度。
　　电磁发动机可对卫星作精确控制和定位,可能用在深空对小行星或月球探测。空天飞机可完成多种任务,例如作载人的长距离亚轨道飞行。未来可能用于星际探测,只用几年即到达较近的星系。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。
　　2004年11月宋健院士指出,航天技术呼唤实验物理学家们寻找速度大于光速c的源;只要能找到这种新的源,以光速或超光速宇航的可能性就会大为增长。林金院士指出,宇航员建立了自主精确描述火箭和宇宙飞船在给定惯性系中作任意加速和减速运动的动力学过程,修正了自主惯性导航的严格理论基础,只要开发出新型的动力源,宇宙飞船航行的速度不存在上限,未来载人宇宙航行的范围理论上不存在限制。……现在已是2015年6月,两位航天专家所说言犹在耳,我们认为他们所说的新动力源已被实验物理学家开发出来,即电磁发动机;这将使人类在未来作超光速宇航可能性大为增加。
　　本文论述了电磁发动机的原理,指出它给世界带来了新希望。最后,提出了开展新研究的建议———试用椭圆锥状谐振腔,考虑采用光波导谐振腔,以及在此项目中试用超材料。当然,任何新型推进器都必须满足无需携带燃料的要求。