论电磁学中的负波速和超前波

黄志洵l

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

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摘要：在数学发展的早期历史上，负数的发明和使用具有里程碑式的意义。在当代，如你做实验的结果是(-5)，你就不能认为它“其实就是5”，而应思索出现负值的原因，这才是科学家应有的态度。实际上，负数的应用常与矢量代数相结合。例如，从Newton的经典力学出发，速度的定义(v=dr/dt)必然意味着这个物理参数v是一个矢量，因此“负速度”表示运动方向相反，不再有别的意义。但是，波动是物质运动的特殊形式，波动力学具有独特的内容、方法和意义，其概念和内涵都和经典力学有重大区别。例如，波速度(无论相速或群速)都是标量，“负波速”并不表示运动方向反了过来，而是一种从表面上看与因果性不相符的特殊现象。无论如何，最近几十年的研究已证明，负波速不仅在理论上可行，在实验中也多次证明其存在。而且，负波速是超光速的一种特殊形态。……本文指出，具有负波速的波动是超前波。它对应电磁场与电磁波基本方程的超前解；过去的做法是抛弃超前解，这是错误的! 关于超前波，虽然早就有这一概念，但从未有人明确指出这个波是真实存在的。本文认为已有的许多负群速(NGV)实验正是超前波存在的证明。

有人用“违反因果律”作为理由，说超前波不可能存在。但是，中国科学家已经对因果性作了更深刻、更全面的解释，这对波动力学和量子光学都是重要的贡献。众所周知，在量子力学中经典的因果律已丧失其合理性和至高无上的地位。2022年的Nobel物理学奖被授予Alain Aspect等3人是很不平常的，因为Aspect的关于Bell不等式的实验完成于1982年，今天来看它仍然是一个证明Einstein的EPR论文错了、而量子力学(QM)正确的关键性实验，2022年对Aspect的授奖表明，主流物理学界已不得不承认量子纠缠确实存在，而狭义相对论(SR)中的“光速极限论”是一种错误的理论。本文深刻地阐明了负波速与超光速的关系。

2013年本文作者提出“电磁波负性运动”这一概念，指出它不仅包含三方面的内容——负波速、负折射、负GH位移；甚至扩展到负物理参数(ε<0、µ<0)的研究。这是过去的电磁理论中前所未有的概括和总结，对未来的科学发展有重要意义。本文指出，电磁波负性运动是自然界固有的一种反映对称性的物理现象。

另外，对天线的近区场，文章作了深刻分析和阐述，指出天线近场区就有负速度和超前波现象，这应引起重视。本文创造性地把消失场理论和消失波理论引入到天线近场的分析中，这在过去无人做过。此外，论文对Einstein的负速度理论作了批评：对Sommerfeld-Brillouin的经典波速理论作批判性的继承，指出其不足之处。最后，本文对时间旅行有新的见解，指出其在经典理论中的不可实现性，以及在量子理论中的价值和意义。

关键词：负波速；超前波；超光速；近区场；因果性；时间旅行

作者简介：黄志洵，男，中国传媒大学教授、博士生导师，中国科学院电子学研究所客座研究员；

email: huangzhixun75@163.com

1  引言

波动是大自然中常见的现象，例如田野中的麦浪，海洋中的海浪。当然，电磁波是非常重要的一种波。所谓物质必须具有质量，因此波本身不是物质，而是物质运动的一种外在表现形式。Newton的经典力学研究质点的运动，范围扩大到地面上的物体和宇宙中的天体。Newton力学的用途无所不在；但它并不能概括波的运动。实际上，Newton没有研究过波动。波动是一种无固定形状和确定质量的物质运动的外在形式，它不能用Newton力学作精确地描述。例如，不能在Euclid空间中找到其运动轨迹，也不能用力使之加速。在现代电磁场与电磁波的理论中，用算子理论与波函数空间来对其运动状态作描述，这与宏观物质的处理很不一样。

关于负波速，必须指出M.Born和E.Wolf ^[1]在其名著《Principles of Optics》中指出，波动的速度(相速、群速)是标量而非矢量。遗憾的是，有的物理学家对此并不清楚，一味坚持“负速度就是运动方向相反”。

“负速度”在Newton力学中表示运动方向相反，在波动力学中却不同。虽然Einstein^[2] (在1907年)、Sommerfeld^[3] (在1914年)和Brillouin^[4] (在1960年)都讨论过负速度问题，但他们的理论或有错误，或不全面；今天有必要重作论述。另外，虽然早在1945年J.Wheeler和R.Feynman^[5]即指出了Maxwell-Helmholtz波方程的超前解不应随便抛弃，但他们当时也不敢说会有单独的超前波存在。在今天，我们知道确有负速度的波，待别是，2009年N.Budko^[6]以实验发现了天线近场区的负速度，现象是在自由空间中发生的，并不依靠反常色散媒质之类的物质。

既然波动是物质运动的独特表现，目前对波速度就要有新认识。波速研究是波科学探索的一个重点和突破口。本文认为超前波存在，而负波速是超光速的一种特殊形态。对于超前波，本文将其定义为“具有负速度的波动”。

2  电磁场分析中的平面波谱法

现在我们略述天线问题求解方法与超前波之间的关系。几十年前天线振子的计算曾经引起中国科学界的重视。1969年秋天，中国与苏联的关系十分坚张，战争似乎一触即发。该年10月，中国政府针对广播通信系统的安全召开会议，检查战备工作。会议的决定之一是要求科学家解决缩小天线尺寸的问题，因为巨大的天线是难于隐蔽的。中国科学院建立了天线计算组，针对偶极天线展开数值计算研究。首先想到的是Maxwell波方程的求解。计算