科学网

 找回密码
  注册

tag 标签: 超光速

相关帖子

版块 作者 回复/查看 最后发表

没有相关内容

相关日志

[转载]超搞笑的评论---霍金对“超光速中微子”的淡定评价!
fanjing1 2011-9-26 08:44
科学网的不少博主评论了这条消息。其中最为有趣的是下面的文章: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=455154do=blogid=490267 倒不是文章本身有多精彩,只是后面的楼主们的评论太妙了。谁说中国人没有创造力? 弱弱的问一下各位研究现代物理的大侠,能量无穷大是必须抛弃的解吗?
个人分类: 个人随笔|3060 次阅读|0 个评论
说说“超光速”中微子实验中的测量问题
热度 2 liwei999 2011-9-26 08:36
说说“超光速”中微子实验中的测量问题 作者: mirror (*) 日期: 09/25/2011 10:16:33 “超光速”中微子实验中的测量问题 说得很精彩。作为一个实验结果,“中微子早到了60ns”的主张也没有什么不可以的。测量不同地点的时间间隔的精度,还是很可信、可靠的。毕竟地球上,人类有个标准时间体系,一个脉冲在这里发出的时刻与在另一处收到脉冲时刻之间的差,就是测量精度。作为一个特殊的测量体系,人们在月球上安装了反射板,可以测量一个激光脉冲发出去再返回来的时间间隔。利用这个间隔和光速,可以算出这个时刻地球与月亮之间的距离。因为是 在原地 发射和接收,可以到达很高的测量精度。 意大利的OPERA中微子实验的脉冲发射点与接收点的直线间隔是720km。光速c要走2.4ms。因此,“中微子早到了60ns”就意味着:1)比速度c快了2.5e-5,2)直线间隔是720km短了2.5e-5。但是意大利实验组主张的直线间隔的精度是3e-7,这在镜某的常识看来,是精度过高了。依曹老师在“在大亚湾反应堆中微子实验中,同样需要测量从反应堆到探测器的直线距离,要求精确到几厘米。我们请高能所加速器中心的测量小组在现场进行了长达几个月的测量”的结果,他们在核电厂区内几公里范围内测量精度到了0.5厘米。变换成相对精度,还不到1e-6(1ppm)。在大气中长度测量相对精度1ppm是个坎儿,一般很难跨越。 在地球上测量更长的720km的直线间隔,能比在几公里范围内测量结果还好,简直是不可思议。 这里面的根本问题不单是测量技术,还有个测量对象的问题。 地球这个“物体”有没有3e-7的稳定(恒定)性呢?镜某认为没有。因为地球表面有潮汐现象,这个力导致的地壳变形可以达到3e-8~1e-7的量级。 如果720km的直线间隔的测量精度达到了3e-7,应该可以隐约看到一天两次的潮汐引起的距离变化。 论文中图7 给出的地震后距离的变化只是表明测量的 感度 ,不能表明绝对距离的精度。这是两个问题。 如果说720km的直线间隔的测量精度有3e-5(30ppm),那么这是个比较正常的精密测量的结果,相当于测量一个1m长的钢轨达到30微米绝对精度。即便是这类的测量工作,在一般的实验室里恐怕也是做不出来的。对30mm的物体做3微米的精度的测量,就比较简单了。 曾经有人问过镜某中国的领土面积,并且上升到了“爱国”与否的档次。镜某告诉那个“热心的”爱国者:先去测量一下恋人的乳房吧,看看能得到几位有效数字。恐怕恋人的乳房也不是那么好测吧?可见通过测量领土面积“爱国”也不那么容易呢。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
个人分类: 镜子大全|2783 次阅读|2 个评论
所谓“中微子超光速”错在哪里?!如何才对?!
热度 1 可变系时空多线矢主人 2011-9-25 20:39
所谓“中微子超光速”错在哪里?!如何才对?! 最近,广泛报道:意大利的中微子实验( OPERA )“发现了超光速的中微子”。 Nature 、 Science 等重要的科学新闻网站 也 报 道了这一新闻。( http://www.nature.com/news/2011/110922/full/news.2011.554.html http://news.sciencemag.org/sciencenow/2011/09/neutrinos-travel-faster-than-lig.html?ref=hp http://www.livescience.com/16183-faster-speed-light-physics-breakthrough.html ) 意大利的中微子实验是采用乳胶径迹装置的(中微子)振荡项目( O scillation P roject with E mulsion-t R acking A pparatus (简称: OPERA ))已将正式的论文挂到了 arXiv.org 的预印本库。 做该实验的意大利 Gran Sasso 国家实验室。位于地下 1400 米 ,以多个深地实验闻名于世。 OPERA 实验是将位于瑞士与法国边境的 CERN 通过高能质子打靶产生缪中微子束流,对准 730 公里 外的 Gran Sasso ,采用乳胶照相,确凿无疑地探测,传到那里产生的陶中微子的振荡。 测量原理非常简单:测量距离和时间,算出速度! 距离是通过 GPS 测量的,误差是 20 厘米 。这 20 厘米 的误差还不是来自从瑞士到意大利的 730 公里 ,而是主要来自从进入地下实验室的高速公路隧道门口的 GPS 基准到探测器的 10 公里 。 时间也是通过 GPS 和“铯原子钟”测量,精度是 2.3 纳秒。 由这样测得的距离除以时间,算出的速度,科学家们发现:中微子在飞行 730 公里 后,所用的时间比光速还快了 60 纳秒( 10 -9 秒)。 实验的误差约为 10 纳秒。一般来说,粒子物理中的新现象达到 4 倍标准偏差即可确认,而这个结果达到了 6 倍,即可能性为 99.9999998% 。 因而科学家们认为:测量结果表明, OPERA 观测到的中微子,其飞行速度比光速快 10 万分之 2.48 。 但是,自从爱因斯坦 1905 年发表狭义相对论起,一百多年来没有人撼动过:“一切粒子的速度都不可能超过真空中光速”的原理。 即使 OPERA 实验发表了 6 倍标准偏差的结果, OPERA 实验的发言人自己也说:宣称相对论错误太早了。我们发现了一个奇怪的结果,我们不能解释它,因此必须公布,请同行来审议。我们必须得说点什么。我们不能把它扫到地毯下面,那样,才是不诚实的。 那么, OPERA 实验得出的“ 中微子超光速 ”结果是错了吗? 它究竟错在哪里?! 我们知道:狭义相对论只是因为 著名的迈克尔逊实验发现,高速(其速度与光速相比不可忽略)粒子不符合“伽利略变换”,表明: “在任何惯性牵引运动参考系,真空中 3 维空间光速不随参考系的运动而改变”。 进而 对光子和高速粒子的大量实验,也都表明:对于高速 运动 粒子“伽利略变换”已不适用。 对此,经典力学已无法解释。 为了解释迈克尔逊实验发现的光子不符合“伽利略变换”的事实, 洛仑兹沿用“以太”的观点,仍按经典力学的伽利略变换,而提出所谓“长度收缩、时钟变慢”,而能适应相应的观测结果。即:仍按伽利略变换,由两个 3 维空间正交坐标系,仅以沿 X ,以恒速 V ,牵引运动 t 、 t’ 时间,并设长度收缩, 又已知真空中光速为常数 c, 的条件 下, 而得到的 3 维矢量在此两坐标系的变换。 而且,也相应地有时钟变慢的结果。 它符合了“ V=c 时, 迈克尔逊 实验观测不到光程差”的结果,而且,表明:当 Vc ,才蜕化为伽利略变换。 这样, 就得到: 洛仑兹变换,而能 解释迈克尔逊实验的结果 。 但是,对于所谓“以太”,却始终无法证实它的客观存在。 而所谓“长度收缩、时钟变慢”又带来例如:所谓孪生子等等佯 谬或 悖论,即:设有孪生兄弟两人,如果哥哥以一定速度运动, 弚弚 在原地静止,那么,按 时钟变慢的论点,哥哥所在的系统会因时间慢于 弚弚 所在的系统,当哥哥回到原地与 弚弚 再会合时,岂不是反而会出现比 弚弚 年龄更小了的不合实际的 悖论吗? 因而,不能自圆其说。 爱因斯坦 打破经典力学“绝对时间”的错误观点,采用欧基里得 4 维时空的闵可夫斯基矢量表达客体的时空位置,即由 4 个彼此线性无关的 ( 对于正交系,为彼此正交的 ) 轴矢组成的轴矢系,表达时空位置矢量,其中,“ 时间”不仅是 3 维空间位置矢量各分量坐标的一个重要参变量,而且是与 3 个空间轴 彼此线性无关的 ( 对于正交系,为彼此正交的 ) 另一轴矢(时轴矢)的主角,“时轴”分量的模长由 ic(3)t 表达 (i 是虚数符,即 -1 的平方根, c(3) 是相应牵引运动参考系中的真空中 3 维空间光速, t 是时间 ) 。不同的牵引运动轴矢坐标系间的变换是“洛仑兹变换”, 才圆满地解决了这个问题。 才导致 狭义相对论的诞生。 经典力学只是其低速(其速度与光速相比可以忽略)的近似。 其实,按狭义 相对论,“不带 ’ 号”与“带 ’ 号”的两个牵引系间,分别以同一时空位置矢在两系, r, r’ ,和时空牵引位置矢 , r* ,的“时轴分量”和“ 3 维空间轴分量” ict ; r(3) , ict’ ; r’(3) , ict* ; r*(3) , 表达的变换应为下式: ict’=ictict*/r*-r(3)r*(3)/r*, r’(3)=ictr* (3)/r*+ r(3)ict*/r*, (1) 只是对于惯性的 牵引运动系,才可用时空牵引速度矢 , v* ,取代 时空牵引位置矢 r*, 而有: ict’=ictic/v*-r(3)v*(3)/v*, r’(3)=ictv* (3)/v*+ r(3)ic/v*, (2) 而 同一时空速度矢在两系 , v,v’ , 和时空牵引速度矢 , v* , 的“时轴分量”和“ 3 维空间轴分量”应分别表达为: ic; r(3)/dt, ic; dr’(3)/dt’, ic; ic; d r(3)*/dt* 。 只是对于惯性的 牵引运动系,两系 间 速度的相应变换才可以简化表达为: ic=ictic/v*-r(3)v*(3)/v*, v’(3)=ictv* (3)/v*+r(3)ic/v*, (3) 由于 中微子在 3 维空间的速度接近 光速,在 两系间的变换应按上式。因而: OPERA 实验由 GPS 测量的距离, 730 公里,实际是 的 r*(3) 的变量,它既不是 “不带 ’ 号”系的 r(3) 的变量 ,也不是的 r’(3) 的变量。由 GPS 和“铯原子钟”测量的时间 变量 实际只是在“带 ’ 号”系观测点观测到的 t’ 的变量,它既不是 “不带 ’ 号”系的 t 的变量 ,也不是的 t* 的变量。 因而,根本不能用它们相除求得 在两系 , 和时空牵引的任何速度矢 , v,v’,v*, 或它们的 3 维空间轴分量 。 对这样同在地球上两处的两系,牵引运动是惯性的。 由 (2) 式可见:如果将 t’ 的变量误用为 t* 的变量,就会得出算大相应速度的错误结果。 OPERA 实验的科学家们用这样测量的距离和时间,计算接近 光速的中微子速度就是这样用经典力学处理 狭义 相对论的问题,而 实际上犯了“张冠李戴”的错误。 这种条件下, 中微子的速度应可:按 (2) 式分别测得两系位置矢各分量的变量;或 按 (3) 式分别测得两系速度矢各分量,才能正确决定。
个人分类: 物理|4489 次阅读|2 个评论
霍金对“超光速中微子”的淡定评价!
热度 13 QFL 2011-9-25 14:50
霍金对“超光速中微子”的淡定评价!
最近, Nature 爆料一篇文章“ Particles break light-speed limit ”,主要内容是介绍意大利研究人员发现中微子的速度可能会超过光速,尽管意大利的研究者们自己也对结果很谨慎,而没把话说得太满;例如,此实验的发言人就表示说,宣称相对论错误太早了,由于不能解释,所以公布请同行审议。 不过,这条科技新闻仍引起了爆炸性的轰动效应。对此实验结果,物理界(包括科学网上)的大、中、小的牛牛们都感到很兴奋,纷纷献身说法,但具体的见解却很纷纭。 不过, 超巨牛的 斯蒂芬 · 威廉 · 霍金 ( Stephen William Hawking )的反应似乎很淡定,只是很简短地评价说: “ It is premature to comment on this. Further experiments and clarifications are needed . ” ( http://www.reuters.com/article/2011/09/23/science-light-idUSL5E7KN33E20110923 ). 博主认为 : 抛开霍金的如雷般的名声不说,他对此事的冷静反应,确实很令人欣赏,这似乎才是科学的态度 。尽管不能排除意大利研究人员们在实验中出错的可能性,但无论如何,这个由二百多优秀科学家们所协力完成的实验,必然是经过他们的反复推敲与论证 ; 另外,也不能排除诡异的中微子可能具有一些未为人知的特殊的性质,从而使其具有超光速的可能性;所以, 任何简单地猜测、赞同或否定人家的实验结果,都似乎是一种很武断的行为 。 图片来自网络,仅欣赏使用。
个人分类: 科学园地|5817 次阅读|11 个评论
OPERA 中微子实验超光速的论文
热度 1 aejj 2011-9-25 13:57
这篇论文是2011年9月22日公布的。实验进行了三年。在这个试验中发现的中微子的平均速度比光速快60纳秒。如果这个结果是正确的,那么将是一个革命性的发现。实验结果已经经过了精确和极为小心的检验和验算。正因为如此他们把这个结果公之于众,论文的结尾刻意回避了对这个结果的任何可能的理解和诠释。 原文标题:Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam 摘要:The OPERA neutrino experiment at the underground Gran Sasso Laboratory has measured the velocity of neutrinos from the CERN CNGS beam over a baseline of about 730 km with much higher accuracy than previous studies conducted with accelerator neutrinos. The measurement is based on high-statistics data taken by OPERA in the years 2009, 2010 and 2011. Dedicated upgrades of the CNGS timing system and of the OPERA detector, as well as a high precision geodesy campaign for the measurement of the neutrino baseline, allowed reaching comparable systematic and statistical accuracies. An early arrival time of CNGS muon neutrinos with respect to the one computed assuming the speed of light in vacuum of (60.7 \pm 6.9 (stat.) \pm 7.4 (sys.)) ns was measured. This anomaly corresponds to a relative difference of the muon neutrino velocity with respect to the speed of light (v-c)/c = (2.48 \pm 0.28 (stat.) \pm 0.30 (sys.)) \times 10-5. 全文下载地址(英文): http://static.arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf
个人分类: 学问|5379 次阅读|1 个评论
欧洲核子研究中心的超光速中微子不是在开放的空间中运行的
热度 2 chqx 2011-9-24 16:23
欧洲核子研究中心的超光速中微子不是在开放的空间中运行的 陈其翔 据凤凰网资讯 科学家发现超光速粒子 或颠覆爱因斯坦狭义相对论2011年09月24日 04:06 来源:新京报 作者:金煜 : "欧洲核子研究中心23日宣布,科研人员在让中微子进行近光速运动时,其到达时间比预计的早了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒),这可能意味着这些中微子是以比光速快60纳秒的速度运行。根据爱因斯坦狭义相对论,光速是宇宙速度的极限,没有任何物质可以超越光速。如果此次研究结果被验证为真,意味着奠定了现代物理学的基础将遭到严重挑战。此次研究的中微子束源自位于日内瓦的欧洲核子研究中心,接收方则是意大利罗马附近的意大利国立核物理研究所。粒子束的发射方和接收方之间有着730公里的距离,研究者让粒子束以近光速运行,并通过其最后运行的时间和距离来判断中微子的速度。中微子束在两地之间的地下管道中穿梭。"(摘录) 一语道破了玄机,因为爱因斯坦狭义相对论要求,光速是在开阔的真空中测定的。这并非故意设置苛刻的条件,因为光在介质中,在光纤中,电磁波在波导中,速度会偏离光速。这个条件是一块试金石,屡屡识破了那些,隔一段时间就闹一起的闹剧。
个人分类: 物理学|1774 次阅读|2 个评论
对发现超光速现象的猜想
热度 1 lxj6309 2011-9-24 10:55
最新消息: 一些欧洲科学家在实验中发现,中微子速度超过光速 。我的观点是:发现超光速现象是迟早的事。这是因为,相对论是建立在既定的观测原理上的,其中最重要的理论基础是麦克斯韦方程组,即电磁理论。如果观测机制发生变化,比如依靠纯引力效应或纯弱作用进行观测,则结果就可能不同。或者假定中微子是超光速的,人们充分掌握了中微子的作用原理,那么,采用中微子作为观测介质,结果就可能不同。至于,当前意大利等欧洲科学家的观测结果是否可靠,可能还得等待进一步验证。
个人分类: 物理学及其他|3061 次阅读|2 个评论
撼动现代物理学的根基:超光速的中微子
热度 36 caojun 2011-9-23 22:34
撼动现代物理学的根基:超光速的中微子
几天前,一则小道消息开始传播,说意大利的中微子实验OPERA发现了超光速的中微子。昨天Nature、Science等重要的科学新闻网站 报 道了这一新闻。今天OPERA实验将正式的论文挂到了arXiv.org的预印本库 。 在中微子飞行730公里后,科学家发现它所用的时间比光速还快了60纳秒(10 -9 秒),实验的误差约为10纳秒。一般来说,粒子物理中的新现象达到4倍标准偏差即可确认,而这个结果达到了6倍,即可能性为99.9999998%。测量结果表明,OPERA观测到的中微子,其飞行速度比光速快10万分之2.48。 发表这一“ 戏剧 ”性结果的OPERA实验,全称是 O scillation P roject with E mulsion-t R acking A pparatus(采用乳胶径迹装置的(中微子)振荡项目),位于意大利Gran Sasso国家实验室。这个实验室位于地下1400米,以多个深地实验闻名于世。OPERA实验探测来自欧洲核子研究中心CERN的中微子,其物理目标是直接寻找从缪中微子到陶中微子的振荡。位于瑞士与法国边境的CERN通过高能质子打靶产生缪中微子束流,对准730公里外的Gran Sasso。为了留下陶中微子出现的确凿无疑的证据,实验采用了复古的核探测技术:乳胶照相。 不过“超光速”这个副产品的测量原理非常简单:测量距离,测量时间,算出速度!实验的难点在于精确地测准距离和时间。距离是通过GPS测量的,误差是20厘米。这20厘米的误差还不是来自从瑞士到意大利的730公里,而是主要来自从进入地下实验室的高速公路隧道门口的GPS基准到探测器的10公里。时间也是通过GPS和铯原子钟测量,精度是2.3纳秒。 略微懂点物理学的都知道,如果这个结果是对的,科学将面临怎样翻天覆地的变化。自从爱因斯坦1905年建立相对论起,一百多年来没有人撼动过光速不变原理。科幻小说里的超光速旅行、时间机器回到过去,难道都要实现了吗? 实际上,2007年,美国的MINOS实验也发表了一个“中微子超光速”的结果 , 大小与OPERA还算吻合,但只有1.7倍标准偏差。但是也有否定的证据。日本T2K实验的人就不相信这个结果。我们观测到的SN1987A超新星中微子,如果超光速的话,就不会只比光早到半小时,而会早到数年。不过它们的中微子能量很不一样。 OPERA分开测量了两种能量的中微子: 13.9 GeV: (v-c)/c = (2.16 ± 0.76 ± 0.30) x 10 -5 42.9 GeV: (v-c)/c = (2.74 ± 0.74 ± 0.30) x 10 -5 MINOS实验的中微子是3 GeV: 3 GeV: (v-c)/c = (5.1 ± 2.9) x 10 -5 超新星中微子的能量要低1千倍,只有几到几十个MeV。根据SN1987A的测量结果,可以得到|v-c|/c 2x 10 -9 。 即使OPERA发表了6倍标准偏差的结果,相信粒子能够超光速的人仍然极少。OPERA实验的发言人自己说:宣称相对论错误太早了。我们发现了一个奇怪的结果,我们不能解释它,因此必须公布,请同行来审议。我们必须得说点什么。我们不能把它扫到地毯下面,这才是不诚实的。 也许相对论没有错,而是中微子具有什么魔幻性质。当然,也很有可能OPERA实验的误差估计不对。毕竟精确估计中微子束团产生和到达的时间、精确测量距离,达到这么高的精度,都是非常困难的。 现在,瑞士时间2011.09.23 16:00,欧洲核子研究中心正在直播关于OPERA新结果的报告视频: http://webcast.web.cern.ch/webcast/ http://www.nature.com/news/2011/110922/full/news.2011.554.html http://news.sciencemag.org/sciencenow/2011/09/neutrinos-travel-faster-than-lig.html?ref=hp http://www.livescience.com/16183-faster-speed-light-physics-breakthrough.html http://static.arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf http://arxiv.org/abs/0706.0437
个人分类: 我的物理|26998 次阅读|56 个评论
祝黄志洵教授七十五寿辰
热度 4 yangxintie 2011-5-24 08:05
祝融高座对群峰, 黄卷青灯吟月腾, 志在九天握鲲鹏, 洵律百炼紫石英; 教得花木盛龙凤, 授业师道纳芬芳. 七年烧烟炼丹青, 五载铸剑微波红, 寿岁乐在超光行, 辰钟响处真理明。 从电子部长孙俊仁先生委托黄志洵教授和科学院电子研究所等科研院所成立波速问题专家组到现在已经十几个年头了,这是一条风雨路,也是一条披荆斩棘的路,黄老师不仅在理论上有所建树,在同仁信息交流的帮助下,在我国第一个做出了群速度超光速实验,祝愿他健康幸福!
个人分类: 发明和创新|273 次阅读|8 个评论
为超光速电子加速器向加速器的建设者和使用者们紧急求援
yangxintie 2010-11-29 00:06
其实这个问题并不新,也不是我最先提出的,50年前,两弹元勋,擅长偏微分方程边值问题的中科院数学所所长秦元勋老先生就提出过这个问题,超过光速以后能量会回反相变化。比秦元勋提出此原理更早的是把爱因斯坦推介到神坛上的索末菲,他一直认为,在达到光速以后,减小能量反而能够进一步增加速度.秦元勋因为是在文革前后提出此问题,不合时宜,以后有些人对他有异议,文革过去都十几年,秦元勋老先生的书北京出不来,只能在2000年到贵州出版社出版,立即洛阳纸贵,在王府井买了几天就脱销了,我买了两本,都被同道的朋友借去了,借的人又把书借给别人,反正是我再也看不到了,听说秦元勋老先生还在美国一个小镇上打太极拳,追索过去,还是没有找到,那位知道下落请别忘了告诉我。 我的博客中也介绍了黄志洵教授的文章,文章讲了加速器如何加速到超光速的问题,然而这仅仅是原理上的探讨。 关于束流的反向调制主要是从过去的冷却(减小截面)变成反方向,(逐渐扩大截面),另一方面我们现在电子加速器虽然没有美国,欧洲的高但是我们也能够接近到4个9,达到0.9999倍光速,我觉得这就够了,根据量子涨落,那么肯定就有超出去的,我们只有从宏观上把调制的方向反过来,才能使得超出去的这一部分得到更大加速。另外最后得到的结果不能从现有检测手段来得到时,是否可以考虑用相位和焦点偏移统计的结果来说明,如果在磁场作用下,速度变高,同时质量变小,那么离心力产生的作用显然比仅仅速度变小而质量也变小的粒子作用显著,那么从束流的成像是否可以得到一些线索?如果考虑到超过光速电子持续很小范围,也就是它的双曲物理性质运动区间很小,那么方程的解就必定有间断,这个间断就导致束流中间一下电子会以激烈的方式跳回更低的速度范围,中间放出一份能量,这份能量以光子或者其它什么形式出现,过去我们是否都以噪声来解读这些现象?如果不把他当噪声看,我们的加速器能不能设计的更"坏"一些?让这些原来想避免的情况出现的更多,噪声更高一些,如果仔细察那些“坏结果”,它的能量守恒按照双曲规律而不是椭圆规律那是否也可以说明已经有超光速电子存在? 希望多找一些一些搞加速器的商量这些关于束流,焦点,截面控制等细节,其实这些大多是工程技术,也不算物理理论,最近,原来电子所后来在传媒大学搞超光速的黄志洵教授把这一套方法写了一篇文章在前沿科学发表,并且提出了用截止波导的办法来给电子加速。 还有没有别的办法,在加速器高值加速段以后反向调制,降低Q值,甚至负Q值,如何来做,希望细节上给于指点。 或者,谁在欧洲、美洲又熟悉的朋友能够帮助解决此问题,介绍一些可以联系的对象。 黄志洵在前沿科学上的关于超光速电子加速器的文章见下文: http://www.sciencenet.cn/upload/blog/file/2010/11/20101127232858843266.doc
个人分类: 中国的脊梁|994 次阅读|11 个评论
电子加速器加速电子能不能超过光速?寻找加速器研究者的帮助
yangxintie 2010-11-27 18:30
下面介绍黄志洵教授在前沿科学发表的一篇文章,他提议建立一个讨论小组,讨论如何在加速器上改进的问题,详细可以进一步看他的原文,见附件。 在北京的北京基础科学发展论坛讨论过此问题,我们每两年在一起讨论一次,也有北大核物理系的XXX教授,清华大学电子工程系主任XXX,北师大XXX等教授参加,及航天部XX研究员参加讨论,大家都没有反对意见,还提出了一些补充意见,关于束流的反向调制主要是从过去的冷却(减小截面)变成反方向,(逐渐扩大截面),另一方面我们现在电子加速器虽然没有美国,欧洲的高但是我们也能够接近到4个9,达到0.9999倍光速,我觉得这就够了,根据量子涨落,那么肯定就有超出去的,我们只有从宏观上把调制的方向反过来,才能使得超出去的这一部分得到更大加速。 另外最后得到的结果不能从现有检测手段来得到时,是否可以考虑用相位和焦点偏移统计的结果来说明,如果在磁场作用下,速度变高,同时质量变小,那么离心力产生的作用显然比仅仅速度变小而质量也变小的粒子作用显著,那么从束流的成像是否可以得到一些线索? 如果考虑到超过光速电子持续很小范围,也就是它的双曲物理性质运动区间很小,那么方程的解就必定有间断,这个间断就导致束流中间一下电子会以激烈的方式跳回更低的速度范围,中间放出一份能量,这份能量以光子或者其它什么形式出现,过去我们是否都以噪声来解读这些现象?如果不把他当噪声看,我们的加速器能不能设计的更坏一些?让这些原来想避免的情况出现的更多,噪声更高一些,如果仔细察那些坏结果,它的能量守恒按照双曲规律而不是椭圆规律那是否也可以说明已经有超光速电子存在? 这个理论推导在香山会议上介绍过,大家都没有疑义,在西安交大还在数学物理研究所和教授们一起讨论过,他们都严格的问了每一步过程,另外这些推导来自力学,我也请教过空气动力学一些前辈,他们都很支持,还有XXX院士看了也没有疑义,电子所原来在基金委的xxx教授也对此很支持,西电原学术委员会主任XX副校长看了也很支持,但是好些人说现在一个新理论要出来必须在实验上作出和原有理论不一样的结果来,陕西省科委的一个副主任就说:你别听他们的,洛伦兹、爱因斯坦他们树立理论的时候谁做过试验,他们这是强人所难!所以尽管这些理论探讨很招风,很多国内外名刊都不能发表,我也不着急,进一步完善证明叙述,另一方面也想着如何扩大应用,在实验上有所突破。 其实西安这里很多人都在闷着做这方面的事情,导航20所陶慧君他们用原子钟铯流转方向的办法测红移。航天部林金他们在陕西天文台发信号经卫星转乌鲁木齐再返回来测量地球自转影响,所得结果和爱因斯坦给的公式矛盾。宋健说,关于GPS 能否检验收缩因子的存在这个问题,至今使研制GPS 的人头痛。航天部门林金教授已多年研究此问题,目前还介入指导中国的GPS 研制 可惜我们对加速器太不熟悉了,过去去过北京高能所,但是那里面始终对不上口,找不到合适的人商量,很想找一些搞加速器的商量这些关于束流,焦点,截面控制等细节,其实这些大多是工程技术,也不算物理理论,最近,原来电子所后来在传媒大学搞超光速的黄志洵教授把这一套方法写了一篇文章在前沿科学发表,并且提出了用截止波导的办法来给电子加速。 裴元吉教授原来说三个月拿出方案,但是三年后他说还比较难,牵涉到降低Q值和增加灵敏度,现在已经过去八年了。他也一直很忙,每个月在北京来跑项目,他说他实际上顾不上花很多时间来办这件事情。我对这事情实际也不着急。等着,总有一天,瓜熟蒂落。 我们现在寻找的是如何在现在我们了解的电子加速器里面,把给电子加速输运的能量都小于或等于光速,变成稍微大于光速的,在不做过大改动情况下改变加速器本身的原因带来的限制。附件附上原来电子所研究员黄志洵的文章,他和电子所的宋文淼教授都支持我的想法,黄志洵教授还把这个问题更详细的阐述了一下。这就是他的文章,我们只贴出了一小部分,原谅为了省时间,里面的公式使用了matlab里面的写法,祥细文章十几页,见附件。 题目:电子加速器超光速新方案 黄志洵 * (中国传媒大学信息工程学院,北京 100024 ) 摘要: 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/C5 )和大超光速( V/C10 4 )。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。从波动力学和波粒二象性的观点看,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 稍快。 关键词: 超声速;超光速;量子超光速性;直线加速器;截止波导;奇异电子 1 引言 超光速研究的意义可从几方面说明。首先,现在的航天、宇航活动(太阳系内的飞行叫航天 space flight ,飞出太阳系的飞行叫宇航 astronautic )中,宇宙之大使人们觉得光速( )实在是太慢了。例如 2003 年 1 月美国航天局( NASA )与 1972 年发射的《先驱者 -10 》探测器(迄今唯一飞出太阳系的人造物体)联系的时间竟然长达 11h ,传达指令和通信不能及时完成。相对论不仅认为物体的运动速度不能超光速,信号传播也不能超光速;但在量子理论中却无此限制。 2008 年 8 月 14 日《 Nature 》发表了瑞士科学家的实验结果 ,证明量子纠缠态的传播速度是超光速的,即 C V 无穷 。我们认为这项研究很重要。为了把信号速度、信息速度、物理作用速度联合起来研究, 2004 年笔者提出了一个新概念广义信息速度 (GIV) 。 其次,航天专家已开始思考人类以超光速作宇宙航行的可能性 。 2007 年 12 月 26 日宋健院士在致谭暑生教授的信中写道 :说光速不能超过使航天人很不安。有人讲:逛遍太阳系后我们无事可做了,怎么宇航?如果宇宙中没有其他传播速度大于 VC 的相互作用,讲尺缩、时长也许成立。如果今后发现有,那么以 C 去推论宇宙属性就会动摇。 SR 没有提出可信的理由禁止飞船越过光障。从逻辑推理看,尺缩、时长、质增都是视现象。 再次, 2010 年 2 月美国国防部导弹防御局的大飞机携带的高能激光器击落了一枚飞行中的弹道导弹,实现了以光速 C 摧毁几百公里外的动态目标,是一个武器光速化的典型事例。这就使我们联想到未来出现 超光速武器系统 的可能性,虽然今天看来如同科幻小说。 最后,超光速研究将促进波动力学和粒子物理学的发展,特别是可能导致新学科(近光速力学、超光速力学)的建立,从而开启新物理学的大门。 但是,作为脚踏实地的科学家,我们还是要从基础性的研究工作做起;这就是写作本文的初衷。 2 突破声障带来的启示 第一架超声速飞机成功实现超声速飞行是在距今 63 年前( 1947 年),这表示人类建造的飞行器突破了声障( sonic barrier )。假如声障至今还未突破,物理学家会不会认为仅为几百 m/s 的声速是运动速度的上限?这样讲显得荒唐可笑,但从逻辑上讲并非不可能发生。现在有必要回顾突破声障的历史,看看对今天的超光速研究(即以突破光障 light barrier 为目标的努力)带来怎样的启示。 如所周知,声波是微弱扰动波的一种。在不可压缩流体中,微弱扰动的传播速度是无限大;这是因为这种流体可视为刚体,扰动传播不需要时间。实际的气体是弹性介质,是可压缩流体,传播速度是有限值。为了便于作比较研究,规定声速为 C ,则有 C=sqrt(hRT) (1) 由于h 、R 的变化区间不大,决定音速大小的主要因素是空气的温度 。例如在海平面、T =288K 时,C =341m/s ;而在高空(距地表 10km )、T =223K 时,C =300m/s 。故声速不是常数,在不同高度并不相同。作为气流速度 与当地声速 的比值的 Mach 数(M =V/C ),相同的M 值并不表示相同的V 值。 所谓突破声障是指飞机实现超声速(M 1 )飞行,这是在 1947 年 10 月 14 日,当时美国 X-1 火箭动力研究机达到速度 =1078km/h ,对应 =1.105 。 1954 年 2 月 28 日,美国 F-104 战斗机原型机试飞,达到声速的 2 倍(M =2 )。 真空中光速C =299792458m/s ,约为 341m/s 的 8.8 10 5 倍。如此之大的差距,再加上真空中光速C 是基本物理常数之一(声速却不是常数),把两个领域(声学、光学)的事情放到一起,似乎没有可比性。但波动力学的发展却告诉我们相反的结论 。 1759 年 L.Euler 首次得到了 2 维波方程,是对矩形或圆形鼓膜振动的分析;以f (x,y,z,t ) 代表膜位移,C 是由膜材料和张力决定的常数,他得到: diff(f,x,x)+diff(f,y,y)=1/c^2*diff(f,t,t) (此处公式采用maple写法,diff代表微分) 在他的论文(论声音的传播)中进一步分析得到了 3 维波方程 lapulace(f) =a^2*diff(f,t,t) (2) 式中laplace =diff(,x,x)+diff(,y,y)+diff(,z,z). 而f 是振动(力学振动或声学振动)变量。故从一开始波方程( wave equations )就是横跨力学、声学而发展的,对数学家而言声学和力学的边界是模糊的。由于光的电磁波本质,声学与光学的关系,可理解为声学与电磁学的关系。从 Maxwell 方程组出发得到的波方程为 lapulace(psi) =1/a^2*diff(psi,t,t) (3) 式中a =1/sqrt(epsilon*mu) ,而epsilon,mu 是波传播媒质的宏观参数。 (3) 式与 (2) 式的一致性说明,波动过程有统一的规律存在 。因此,尽管声波的传播速度与光波的传播速度数值上相差巨大,但从数学上和物理上对突破声障和突破光障作比较研究仍是可能的和有意义的。在以后的论述中我们将不断把空气动力学方程与电磁学方程作比较。 静电场是最基本的场;任何静电荷产生的电场的旋度为零,静电场是无旋场。在体电荷密度为零的区域电位函数满足 Laplace 方程。在空气动力学中,研究流体运动时使用两个基本函数,即位(势)函数 和流函数 ;当气流速度低时平面流动中视气流密度 为常量,并以 Laplace 方程描写 2 维流动 diff(phi,x,x)+diff(phi,y,y)=0 (4) diff(psi,x,x)+diff(psi,y,y)=0 (5) 这是 不可压 的无旋流方程,它们是 2 阶的线性微分方程。如气流速度增大,到一定程度 应视为变量, 可压缩流体 作平面无旋流动时的基本方程为 (1-Vx^2/C^2)*diff(phi,x,x)-2VxVy/C^2diff(phi,x,y)+(1-Vy^2/C^2)diff(phi,,y,y)=0 (6) (1-Vx^2/C^2)*diff(psi,x,x)-2VxVy/C^2diff(psi,x,y)+(1-Vy^2/C^2)diff(psi,,y,y)=0 (7) 显然,若C infinit ,方程退化为较简单的 Laplace 方程,此即不可压流体的情形。我们注意到, 虽然出现了因子(1-V^2/C^2) ,但并未出现声速C 不能超过的情况。 (1-M^2)diff(phi,x,x)+diff(phi,y,y) (8) 线化过程中限定 不能太大,即不是高超声速流;亦不能是跨声速流。我们注意到,在亚声速流场上,M 1,(1-M^2) 0 ,方程是椭圆型的;其性质与不可压流的 Laplace 方程基本一样。然而对超声速流场而言,M 1,1-M^2 0 ,方程成为双曲型的,情况有很大变化。总之,描写亚声速、超声速的运动方程是不同类型的。而对描写跨声速流动的运动方程而言,是混合型、非线性方程,求解析解十分困难。这样就出现了计算流体力学,它与我们熟悉的计算电磁学十分相似,所用的方法(如有限元法、有限差分法)也是相同的。 所谓声障是指飞行器的速度曾长时间在亚音速(M 1 )的水平上徘徊,以声速(M =1 )飞行的企图遇到了实实在在的困难。早期的飞机速度慢,按不可压缩流体处理空气动力学问题便可满足要求。当M 0.4 ,可压缩效应渐显,接近声速(M 1 )时机头前空气密度急剧增大。当M =1 ,流体中的扰动相对于飞机已不传播,而是集中形成波面;机头与前面空气相遇时强烈压缩, 密度剧增 形成无形的墙( 激波 ),造成的阻力称为波阻。它消耗发动机功率约 75% ,带来很大困难。这时需要发展近声速空气动力学和超声速空气动力学。 20 世纪 20 年代、 30 年代都有关于跨声速流动的理论研究,决定性的进展却是在 40 年代。 1945 年美国科学家提出了后掠翼理论,对克服激波影响的效果是把飞机速度提高到 近声速 。克服声障的努力是科学家、工程师、设计师协力进行的,从理论研究到超声速飞行成功,科学界与航空工程界联合攻关仅用了约 20 年时间。可以说是还没有来得及争论不休,突破声障就成功了!很明显,所谓突破包含两个方面能否突破和如何突破。回顾历史,在这两方面突破声障的过程都给我们深刻的启示,留下了宝贵的经验。在空气动力学中,可压缩流体的速度势的波方程,经过线性化和无量纲化的形式为 (1-b^2)diff(phi,x,x)+diff(phi,y,y) =diff(phi,t,t) (9) 这里我们用符号b 取代符号M ,是为了把相对论与空气动力学作比较。上式表示,从本质上讲波动力学的基本操作是对微分方程的辨识和求解。钱学森( 1911-2009 )和 T.von Krmn ( 1881-1963 )一起,在 20 世纪 30 年代最早提出了高超声速流的概念,为飞机克服热障、声障提供了理论依据。他们的理论应用于 高亚声速 飞机的设计;实际上是在亚声速区域内把小扰动理论向非线性有所推进,虽然不能用于超声速问题的计算,但避免了奇点在 = 时不会出现无限大质量密度。这叫虚拟气体的切线方法,实际上是一种非线性可压缩流的形式。它在今天仍有参考价值。 电子加速器超光速新方案
个人分类: 物理前沿|852 次阅读|1 个评论
切伦科夫辐射
liuxiaod 2010-9-2 10:45
1934年,切伦科夫发现高能电子在进入水或其他媒质中后会发出蓝光,不同于荧光,随后弗兰克和塔姆对这一现象做了理论分析,他们在1958年共同获得Nobel Prize. 切伦科夫辐射是带电粒子运动速度超过媒质中光速时的电磁冲击波,它类似超音速飞机在越过音速时的音锥,如图所示: 我们可以做一个假设,如果电子在真空中的速度超过光速,那么电子在真空中也会发射切伦科夫辐射,由于发射切伦科夫辐射电子损失能量,速度减慢到略低于光速但非常接近光速。当然这里假设电子速度已经超过光速,这种情况在相对论中是不存在的,不过没有关系,我们现在仅仅在做一个假设,不妨想的远一点,大胆猜想,小心求证即可。 现在我们来考虑上面设想的切伦科夫辐射的逆过程,即时间反演过程,如果一个速度略小于光速且非常接近光速的电子受到逆向的切伦科夫辐射,那么按着时间反演过程推论,这个电子将获得加速度,使速度超过光速。 切伦科夫辐射有极化,相干的特征,我们可以用激光模拟逆向切伦科夫辐射,但是在技术上有很大的难度。 当然这个只是猜想,很可能不会发生,我们做的仅仅是一个假设的思想实验。
个人分类: 生活点滴|301 次阅读|2 个评论
超光速——量子纠缠与事物刚性
accsys 2010-1-21 11:32
维基百科有一段对量子纠缠的描述:具有量子纠缠现象的各个成员系统,例如两颗以相反方向、同样速率等速运动的电子为例,即使一颗行至太阳边,一颗行至冥王星边,如此遥远的距离下,它们仍保有特别的关联性(correlation);亦即当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。如此现象导致了鬼魅似的远距作用(spooky action-at-a-distance)之猜疑,仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般,似与狭义相对论中所谓的局域性相违背。这也是当初阿尔伯特爱因斯坦与同僚玻理斯波多斯基、纳森罗森于1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论来质疑量子力学完备性的理由。 量子纠缠现象是速度的问题吗?就目前报道的各种量子纠缠的实验来看,这显然不是量子运动速度的问题。那是什么?事物的刚性! 刚性同空间和时间一样,应该说是事物的根本属性。我们能够区分不同的事物,从属性上来讲,那是事物刚性的体现。刚性表达的是一种结构不变的属性,这种结构既可以体现在空间上,也可以体现在时间上,但与它们变化无关。虽然宇宙在瞬间千变万化,但我们仍然能够区分出宇宙间不同的事物,这种区分的基础是事物具有刚性特征。可以说,没有刚性,我们就无法认识这个世界。 刚性使事物内部具有高度的一致性,是事物内部一致性的体现。例如,一个物体在移动时,其各个部分都在同时移动。再如,相互纠缠的量子,虽然它们距离很远,一个改变颜色,其他的也同时改变。由此可见,刚性所反映的既不是时间问题,也不是空间问题,而是事物内部的一致性问题。相互纠缠量子组成的事物不因空间变化而存在,因而在刚性之下的变化,不需要通过信息传递过程,即不需要时间。 事物的刚性会随着事物的产生而产生,会随着事物的消亡而消亡。事物虽然在空间和时间的概念之下存在,但刚性却不为时间和空间所左右。对量子纠缠类的事物观察,如果以为是信息传递的问题,必然会得出超光速的结论。 刚性与速度无关。这是一种遐想。 2010-1-21
个人分类: 科技畅想|5964 次阅读|4 个评论
下一个爱因斯坦何时出现?
热度 4 gaoshan1900 2010-1-2 18:04
我和郭光灿院士合著的科普新书《 爱因斯坦的幽灵 - 量子纠缠之谜 》已由北京理工大学出版社出版。这里我摘录该书的跋与大家分享。 2035年5月的一天早晨,爱因斯坦二世像往常一样准时来到普林斯顿高等研究院的办公室。他来普林斯顿小镇快两年了,已经熟悉并开始喜欢这个恬静的室外桃园。办公桌上放着他刚刚发表在《物理评论快报》上的论文。他拿起来看了看,脸上露出孩子般顽皮的微笑他终于揭开了量子纠缠之谜,并找到了通往量子实在的道路。 也许这不只是科幻小说里的情节,也许下一个爱因斯坦真的会在不久的将来揭开量子纠缠之谜,并发现量子实在的真实图像。爱因斯坦于1935年最早让人们注意到量子纠缠,然而,这个小精灵却使人们探寻实在的巨轮越来越远离他所留恋的经典之岸,它最终会驶向何方呢? 历史也许会告诉未来。20世纪初,物理学家面临两大难题。第一个难题涉及光波的粒子性质。由于波动需要媒介,而被认为用来传播光波的媒介以太在实验上并未发现,从而暗示光将具有某种粒子属性;第二个难题涉及物质的波动性质。利用原子和分子的粒子性质所导出的气体比热无法与实验测量结果相一致,从而说明物质又必然具有某种波动性质。 第一个难题暴露出了19世纪两大基础理论牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论之间的深刻矛盾。这一矛盾促使爱因斯坦创立了狭义相对论(1905),并试探性地提出光量子假说,然而相对论并未彻底解决这一难题。由于相对论的成功,场作为与粒子相对立的新的物质存在形式渐渐被人们普遍接受,并成为爱因斯坦试图建立统一场论并完善量子力学的根本基础。但是,量子场论的发展却再一次证明了场与粒子的统一性。必须承认,人们的所有努力仍未最终解决光究竟是怎样一种物质存在形式的问题。 对于第二个难题,历史上它导致了量子理论的诞生,也正是爱因斯坦第一个清晰地认识到这一困难与物质的波动性有关(1909)。爱因斯坦的认识引导德布罗意大胆提出了物质波思想,并最终导致薛定谔发现了量子理论的波动力学形式。然而,尽管人们普遍认为量子理论的数学形式体系已被牢固地建立起来,但关于它的物理意义问题却一直争论不休。这本质上仍然涉及如何理解物质的粒子性质和波动性质的统一。 在科学已迈入21世纪的今天,我们竟面临相似的困境。一方面,20世纪初人们所遇到的两大难题的核心波粒二象性仍然没有被真正理解,它的神秘仍在困扰着我们;另一方面,令人回味的是,上世纪初人们为了解决牛顿力学与麦克斯韦电磁场理论之间的矛盾而创立了新的基础理论相对论和量子力学,然而,在本世纪初,人们却发现这两个理论之间同样存在着根本的矛盾;量子力学的非定域性与相对论的定域性之间的不相容问题甚至被称为20世纪末物理学晴空中的又一朵乌云。实际上,我们今天面临着更大的困难。原因在于,一方面,大多数物理学家在思想上对这种困难局面并未形成清晰的认识,并且大量新解释的出现也使这一观念上的困难变得更加错综复杂;另一方面,随着人类探索自然的不断深入,实验技术越来越落后于理论研究,它现在还无法指示我们如何去协调和统一相对论与量子力学。 无疑,我们需要新的爱因斯坦,需要找回那个有思想、有活力、藐视一切权威的毛头小伙子。为此,我们首先要超越爱因斯坦。在他提出光量子、建立相对论后一百年的今天,如果人们还无法超越他最初的思想,甚至不敢谈论超越这件事,那不是表明爱因斯坦的伟大,而是说明人类的渺小。超越是科学发展的必经之路!让我们还是引用爱因斯坦自己的话吧,他在1949年曾说过,我感到在我的工作中没有任何一个概念会很牢固地站得住的,我也不能肯定我所走的道路一般是正确的。而对于相对论,爱因斯坦则认为,它肯定会被一个新的理论所取代,。。。我相信深化理论的进程是没有止境的。 从经验和现实方面来看,爱因斯坦是难以超越的。基于他的思想所建立的相对论和量子理论已经得到了极其精确的实验验证。例如,量子场论的预言与实验结果已经吻合到小数点后的第13位,甚至更多。尤其是,至今还没有一个确定的经验事实与这些理论的预测相违背。这意味着没有任何经验启示引导我们去超越爱因斯坦,而那些超越他的新思想也几乎无法得到实验的检验。相比之下,爱因斯坦最初产生他伟大思想的时代则充满了不断发现的新经验。它们要求并引导人们对物理学的基础进行变革,而新的思想也很容易得到实验的检验。 更为严重的是,新经验的缺乏导致了大多数物理学家对今天的困难局面缺乏清晰的认识。他们越来越趋向于保守和实用,而忽略对思想本原的探求。他们不理解光速为何不变(它涉及相对论的基础),也不清楚量子是否坍缩以及如何坍缩(它涉及量子理论的基础),并且对这种不理解习以为常,甚至视而不见。正如爱因斯坦所言,今天,在原则问题上居统治地位的仍然是教条式的顽固。一个直接后果是,大量研究经费投入到更加实用的研究领域,而这些领域是在现有理论适用范围之内的。这些研究并不能指示人们如何超越爱因斯坦,如何发展目前的基础理论,反而更增加了他的权威性,增加了人们的保守性。在这些领域内的研究者会得到更多的回报,获得更多的权威性,反过来他们便更加维护现有理论,而他们的保守看法甚至也成为了主流学术期刊的审稿标准。在这样的学术环境中,超越爱因斯坦的新思想很难发表,即使偶尔发表也无人问津。相比之下,爱因斯坦是十分幸运的。当时的学术氛围比较宽松,学术期刊的编委和审稿人思想都比较开明。要知道,他的相对论文章连一篇文献都没有引用,而在今天这样的文章能够发表是不可想象的。 然而,从思想本身来说,爱因斯坦又是容易超越的。他的工作主要基于几个原理和假设,而这些假设都源于当时人们所获得的经验事实。只要理解了这几个假设,便迈出了超越爱因斯坦的第一步;下一步是根据新的经验,并从逻辑上分析如何发展他的这些思想。这些思想并不是基本的,它们或者有更深刻的逻辑基础,或者存在一定的局限性,而爱因斯坦并未认识到这些基础和局限性。一旦发现它们,我们便超越了爱因斯坦,并为物理学建立了更坚实的根基。 我们知道,爱因斯坦一生主要有三个伟大思想,那就是光量子假说(26岁),狭义相对论(26岁)和广义相对论(36岁)。在最具革命性的光量子假说中,爱因斯坦当时并未理解普朗克发现的黑体辐射公式,甚至认为它是错误的,而只是片面地坚持光的粒子解释。直到1909年,他才认识到光的波粒二象性。尽管爱因斯坦一生的大部分时间都在思索神秘的量子,但是他仍然未能理解光量子。爱因斯坦晚年坦言承认,整整50年有意识的思考仍没有使我更接近光量子是什么这个问题的答案;在狭义相对论中,爱因斯坦巧妙地将光速不变假设与相对性原理调和起来,并因此发现了时空的相对性。然而,这两个原理更多地是来自经验的启示,爱因斯坦并未进一步分析它们的逻辑基础。他不关心光速为何不变,也不确定相对性原理是否存在局限性;在他一生中最快乐的思想 广义相对论中,爱因斯坦注意到了惯性质量与引力质量等效的深远含义,并因此将相对性原理成功推广到任意参照系,从而解释了引力现象。然而,爱因斯坦只是简单地假设了惯性力与引力的等效性,但作为广义相对论基础的这种等效性并未得到进一步解释。此外,广义相对论仍然是一个经典理论,它没有考虑量子效应。爱因斯坦后半生致力于建立统一场论,其主要意图也是要寻求量子与引力的结合。遗憾的是,他并没有成功。可以说,尽管爱因斯坦的三个主要思想对物理学的发展产生了巨大的影响,然而它们的逻辑基础仍然没有建立起来。爱因斯坦没有理解它们,今天的人们也未能真正理解。 此外,爱因斯坦的思想中还存在很多经典偏见。正如爱因斯坦自己所言,他不是一个革命者。爱因斯坦是在经典理论的熏陶下成长起来的,他的相对论也是对经典理论的完善和发展。因此,他不可避免地对经典观念有一种深深的眷恋。例如,爱因斯坦最早注意到随机性在量子层次上的出现(1916),但却仍然固执地维护经典的因果性信念。他最著名的一句话就是上帝不掷骰子;爱因斯坦也最早注意到量子非定域性的存在(1927),然而他却将其斥为幽灵般的超距作用,而始终笃信定域性假设。另一方面,从科学研究方法上看,爱因斯坦的思想求索还不够深入。他过多地局限于在经验的层面上研究,在经验的启示下探索,而没有对经验启示进行更深入的逻辑探求。例如,爱因斯坦将光速不变假设作为建立狭义相对论的基础,但他却没有进一步追问光速为何不变。这也是导致他始终抱有经典偏见的主要原因之一。 我们相信,无论实在世界多么陌生,多么怪异,多么远离我们的常识,它却是逻辑所能及的。因此,在缺乏新经验事实的情况下,我们只有对已有经验进行更深入的逻辑剖析,对现有思想进行更深入的逻辑审查。这需要牛顿所说的耐烦思考的能力。这些新的逻辑分析将会帮助我们从思想上超越爱因斯坦。此外,在这样的探索过程中,还必须始终怀有一种爱因斯坦所说的宇宙宗教感情。在分析一个重要的经验现象时,在探查一个关键的逻辑论证时,如果没有一种真正的思想融入,没有一种莫名的冲动和激情,没有一种极度兴奋的精神震颤,是不会有思想上的新发现、新突破的。这样的思索过程可能会持续很久,直到一点灵感火花的闪烁,直到一个全新思想的突现。这是科学发现的必经之路! 最后,我们衷心祝愿这本小书会激励新的爱因斯坦去揭开量子纠缠之谜,去完成物理学的伟大统一。
个人分类: 人生感悟|8261 次阅读|13 个评论
超光速存在吗?(转载)
iwesun 2009-12-3 00:59
2009 年 11 月 20 日 15:20 作者: 硕硕 http://blog.chinaacc.com/zshuo/blog/20091120-358544.html 按: 李铭 : 有个问题请教大家:群速度的物理意义到底是什么? 陈学雷 :学过大学物理的人都知道波传播的速度有群速度和相速度之分,相速度超过光速是司空见惯的。即使是群速度,也不等于信息传播速度,在一些具有反常色散的介质中也已经实现了波群速度超过光速。 马红孺 :群速度在色散不大时,可以代表能量传播的速度。当色散很大时,群速度基本上就没有什么物理意义了;在反常色散区域,以及吸收很大时,群速度基本上也没有什么物理意义。 在图像上,如果一个脉冲在传播过程中形状和大小基本上不变,那么这个脉冲的传播速度就是群速度;否则,如果脉冲的大小和形状在传播过程中发生很大变化,群速度就没有意义了,如果此时非要谈群速度的话,那这个群速度和信号速度,能量传播的速度都没有什么关系。 我记得 Jackson 的电动力学和 Stratton 的电磁理论中均对此有深入讨论。 李铭 :云平讲的这个实验好像是美国的王立军做的。据说他在介质中实现了 300 多倍光速的群速度。 我查了一下,确有此事,但按我的理解就如 马红孺 说的,这个 负群速 ,只具有数学含义了,根本不具有物理含义了。 2000 年 7 月,由于英国《自然》( Nature,2000,406:277 )杂志发表了一篇关于超光速实验的论文,引起了人们对超光速倒底是否存在的讨论。其实对在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速 c ,科学家们早有研究,而 Nature 中报道的这个实验就是实现了这种想法。但是这并非是人们想象的那种所谓违反因果律(或者相对论)的超光速,为了说明这个问题,让我们看一看由华人科学家王力军所做的这个实验。 光脉冲是由不同频率、振幅、相位的光波组成的波包,光脉冲的每个成分的速度称为相速度,波包峰的速度称为群速度。在真空中二者是相同的,但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质。 折射率的关系: vg=c/ng , ng=n+ (dn/d ) 显然在一定的情况下(如反常色散很强的介质)可以出现负的群速度,此时,光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短,其差 T=(L/v)-(L/c) 达到绝对值足够大时就可以观察到超光速现象,即光脉冲峰值进入介质以前,在另一边已经有脉冲峰出射了(由王力军原文译)。 那么这种超光速是不是违背因果率呢?我们仔细考查王的实验就会发现,出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的,但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了(如图),因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象,而不是像媒体炒作的那样发现了什么超光速,负的群速度在这里就不能理解为光的速度了,它也不是能量传输的速度。当然,这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的,这其中包含了量子干涉的效应,涉及到对光的本质的认识,揭开蒙在超光速实验头上的面纱,仍然是科学家们奋斗的目标。 很多人在了解了这个实验后就会想到能否用这种超光速效应来传递信息,在王的实验中,超光速的脉冲不能携带有用的信息,因此也就无从谈起信息的超光速传递,同样能量的超光速传输也是不行的。 与超光速实验具有相同轰动效应的是另一种超光速现象 quantumteleportation 即量子超空间传输(或量子隐形传态),这个奇妙的现象因其与量子信息传递及量子计算机的实现有密切联系而引起人们的关注。所谓超空间,就是量子态的传输不是在我们通常的空间进行,因此就不会受光速极限的制约,瞬时地使量子态从甲地传输到乙地(实际上是甲地粒子的量子态信息被提取瞬时地在乙地粒子上再现),这种量子信息的传递是不需要时间的,是真正意义的超光速(也可理解为超距作用)。在量子超空间传输的过程中,遵循量子不可克隆定律,通过量子纠缠态使甲乙粒子发生关联,量子态的确定通过量子测量来进行,因此当甲粒子的量子态被探测后甲乙两粒子瞬时塌缩到各自的本征态,这时乙粒子的态就包含了甲粒子的信息。这种信息的传递是超光速的。 但是,如果一位观测者想要马上知道传送的信息是什么,这是不可能的,因为此时粒子乙仍处于量子叠加态,对它的测量不能得到完全的信息,我们必须知道对甲粒子采取了什么测量,所以不得不通过现实的信息传送方式(如电话,网络等)告诉乙地的测量者甲粒子此时的状态。最终,我们获得信息的速度还是不能超过光速!量子超空间传输的实验已在 1997 年实现了(见 Nature,390,575.1997 )。 以上两个超光速的方案目前还只处于理论探讨和实验阶段,离实用还有很远的距离,而且这两个问题都涉及到物理学的本质,实验现象及其解释都在争论之中。
个人分类: 网文荟萃|1403 次阅读|10 个评论
宋健:质疑爱因斯坦 呼唤创新 人民日报海外版
yangxintie 2009-8-20 09:37
宋健:质疑爱因斯坦 呼唤创新 人民日报海外版 2004年12月28日下午,离宋健院士73岁寿辰只差几个小时,我们叩开了他那间满墙遍桌堆着书籍的办公室。隆冬里难得一见的明媚阳光泻进窗台,宋健依然像过去担任中国科技界主帅时那样神情灿烂,满面红光。你近来好吗?报社情况怎么样?他那关切的目光透过宽大的眼镜注视着我,一席朋友似的交谈便在无拘无束的氛围中展开。 他大胆质疑爱因斯坦,呼唤青年科学家敢于创新记者近日方知,早在20世纪八十年代末,宋健根据人类历史发展的经验教训,在党中央重要会议上,率先建议在我国推行领导干部限期任职制度。因此,1998年,他愉快地卸去了国务委员兼国家科委主任的政府要职,2003年,又毫不犹豫地离开了全国政协副主席与中国工程院院长的重要岗位,但他仍然一如既往心系国家科技事业及民众福祉。即将公布的《国家中长期科技发展规划》,正由科技部组织全国近400名老中青科技精英联手编制,宋健作为专家顾问组召集人,已在其中倾注了许多心血。一谈到这部正被中央及各界高度重视的规划,他激情豪放的性格便显露无遗。 过去我们科技工作的重点是什么?无非是要消除贫困,解决老百姓吃饭穿衣等基本生活问题。现在完全不同。2004年,我国财政收入可以超过2.5万亿人民币,外贸进出口达到1.1万亿美元,人均国民生产总值超过了1000美元这个坎。2005年大学计划招生470万,人才供应比较充足。我国已经具有向科技强国、工业大国及现代化社会前进的基础与条件,在这个时候制定的《国家中长期科技发展规划》,涉及农业、能源、人口等重大问题,与党的十六大确立的经济与社会发展目标紧密结合,对于今后10至20年我国的科技进步与人民生活的改善,意义十分重大。 记者眼前不禁浮现出十多年前,宋健登高一呼实施星火计划、火炬计划,各地城乡奋起响应的那种热气腾腾的场面。 科技兴则国兴、让科技的恩惠撒满人间,从他口中不断吐出的这些至理名言,曾经感召了多少怦怦跳动的报国之心? 宋健说:过去的科技发展规划,总是立足于赶超世界先进水平。而这一次的规划,重在创新,其基本思想是鼓励年轻一代科技工作者,独立自主发展包括基础研究在内的科学技术,争取尽快实现中国的工业化与信息化。 当今科学创新的机会很多,我们应当号召全国科技工作者继承人类积累的科学知识,不受书本的束缚,敢于并善于创新,根据新的试验和实践,提出与以往不同的概念、理论、方法与定律。 说到这里,宋健讲了一个上月举行的第242次香山科学会议上,他与一批航天科学家一起向青年科学家呼唤发扬创新精神的事。整整100年前,爱因斯坦在他发表的那篇震惊世界科学界的关于狭义相对论的论文中,曾经提出过一句名言:不可能存在任何大于光速的运动。当今的科学界将此称为光障。然而,宋健说,这个外推至今并没有任何直接试验的证明。近年来航天技术的发展,已经促使科学家们细察和反思:为什么飞船不能超过光速呢?目前飞船的最高速度为每秒16公里,即使再提高两个数量级,达到每秒3000公里,往返离太阳系最近的另一个类似太阳的半人马座比邻星,起码需要400年!宋健等航天科学家们心里清楚,火箭发动机喷气速度必须接近或超过每秒30万公里的光速,人类才有可能在3至5年内完成这段4.2光年的宇宙往返旅程,否则就永远只能在太阳附近打转转。未来的宇宙航行中欲突破光障,必须进行更精密的科学实验,检验科学假说的适用范围。人们把希望寄托在正在进行的国际热核试验堆及其后的核聚变火箭发动机。 每晚10时至次日凌晨2时,是他的读书时间 宋健把一篇自己在香山会议上宣读的题为《航天、宇航和光障》的科学报告递到记者手里。您最近又在撰写什么大作?一本书,介绍宇航、航天事业对于物理、天文、生物等基础学科的影响以及相互之间的关系,全书约50万字,准备拿到大学给本科生与研究生讲课,现在第二稿还差最后一章。他的宽大的办公桌上,堆满了中文的、英文的与俄文的参考书籍,飘逸出淡淡的芬芳。他在看书学习上的那种痴迷与惊人的毅力,记者早有所闻。数十年来即使如今年届古稀,每晚10时他必要坐到桌旁,掌灯读书,直至次日凌晨2时方休。他涉猎极广,当年留苏时对数学、力学、控制论就如醉如痴且造诣极深。1984年调任国家科委主任,仍然恒兀不辍。自习地质整整花了3年,钻透生物亦用去3载。天文、化学、现代物理、信息技术、宇宙学等等都在他的兴趣范围之内。甚至历史、法学、古典文学等等社会科学知识,他也不时渴饮。诸如司马迁的《史记》、屈原的《天问》,还有德国数学家莱伯利斯论《易经》的英文专著等等经史子集,他都读了个遍。边读书边作笔记,是他迅速扩充自己信息库的诀窍。他在考察参观途中,总是随身揣着一个小本与一支笔,听到看到有意思的信息,随手记录下来。身边工作人员对他知识的极其渊博感叹不已。宋健读书时代便通晓俄文,46岁上开始业余自学英语,5年后英文读、说、听、写样样精通。多次会见外宾,翻译对于专业词汇反应迟钝,他干脆改用英语直接交流,现场气氛顿时融融。他身边一位工作人员说,一次他去北戴河休假,发现宋健每天捧着一本英语专业书籍硬读,前几页许多单词上都被他用红笔标出来了。你看看这第一页生词有多少?再往后,我发现还是那些词,最后它们都成了老朋友啦。 广泛而深邃地汲取知识,令这位导弹专家与控制论专家触类旁通,目光四射,高屋建瓴。进入新的世纪,由他发起的夏商周断代工程研究,把中华文明史纪年上推800年。当他发现有的外国自由作家浪漫的偏颇观点在国内已有市场,如认为今后社会生产主要不是物质生产。他担心我们的社会将会由此脱离人间烟火而虚幻至丹书符箓,迷入歧途,便为振兴制造业撰文并奔走呼号,终于使得许多人认识到了制造业是工业化与现代化建设中的发动机和动力源。 我们都必须向大自然抢时间,活得久一些,多做点事 哀人生之须臾,羡长江之无穷。我们都必须向大自然抢时间,活得久一些,多做点事。宋健多年前赠给友人的这句肺腑之言,他其实仍然时常萦怀于胸。不久前欧美同学会请他去给海外学人讲讲话,他竟然由此萌发念头孜孜撰就了一篇长达万余字的《百年接力留学潮》,把整整10代海外学子的不同境遇揭示得酣畅淋漓。 谈及今天依然负笈海外的学子们,他就像自己当年西去留学那样激情满怀:那些至今散布世界各地的学子,不管在什么地方学习、工作与谋生,事业上获得怎样的成功,故土的炊烟对他们始终是亲切的,有吸引力的。他们肯定会用各种办法,帮助祖国大地上的人民,发展经济,文明进步,过上体面的生活。正是基于上述信念,早在20世纪八十年代中后期,宋健就与国家科委一些人士共同提出了对留学生实行来去自由、欢迎回国新政策的建议,终于被有关各方所接纳,并在海外学子及社会各界中反响甚佳。其后留学事业健康发展,应该说与此有很大关系。傍晚的余晖把整间办公室染成一片玫瑰红。面对这位谈兴不减的前辈,记者想起了他说过的一句话:大自然安排我们出生在这片土地上,为她的富强而战斗是天赋人责。他还会继续奋进,因为他总能给自己找到无穷无尽的用武之地。(稿件来源:《人民日报海外版》,作者:孔晓宁)
个人分类: 物理前沿|1172 次阅读|6 个评论
突破光障借鉴流体力学 在香山科学会议的报告
yangxintie 2009-6-27 18:14
气动学科发展道路上有五个方面遇到的问题和相对论是相同的。 1/2 二.从实验的基础上允许对相对论进行什么样的高阶修正? 实 践是检验真理的最高标准,相对论已经被物理试验间接证明在空间上有(v/c)两阶的精度。但是确实的尺缩和时延至今还有待进一步实验验证.所以无论从试验角度,还是理论角度,相对论都可以被看成更广泛的某种学说的近似。这种新的理论偏离相对论理论的空间就应当是实验数据准确度所允许的范围。下面要说明的是空气动力学方法可用于这样的试探。比如,回路声速干涉条纹也是在二阶精度的测量中可以看成是不随来流速度变化而移动的。笔者为此作了数值试验。 采用如下的回路声干涉的反射模型, 初始声波由波源1发出, 流动介质相对音速的比例为 b=0.2 ; b =0.5 ; 等不同数值。采用线化的小扰动方程,通过 数值试验计算出 两个声源 1 经过如图的反射后声波产生干涉条纹位置。从而观察他们是否得到和麦克尔荪莫雷试验相同的结果。如果数值试验的条纹也不移动,那么麦克尔荪试验就有一个新结论。以传播介质是固体为前提得到的流体介质也不存在的思考方法是不对的。 详图见后所附论文全文 等效反射波源 2 声源 1 为了便于和实验进行对比 , 采用声源频率为 n=3.40 千赫 , 反射声波用等效反射源发出的声波来代替。两声源相距为 x0 =2 米距离 , 声速取海平面标准大气条件。本文实际所作的计算作了简化,其效果是一样的, 下面是计算的干涉条纹结果: 详图见后所附论文全文 b =0.2 时的干涉条纹模拟结果 ; b =0.5 时的干涉条纹模拟结果 干涉条纹位置比较 从图中明显看出条纹没有移动 , 声的回路干涉条纹也是不随介质的流动速度变化的 . 此原因是可压缩性效应抵消了携带声信号的移动效应。除此以外,德国工程师 Norbert Feist 也在高速移动车辆上作了多普勒测速仪试验 . 得到的干涉条文同样是不移动的。目前正在西北工业大学翼型中心和准备进行实际的声波干涉条纹受风速影响试验,进一步验证声波传播中有麦克尔荪莫雷试验一样的原理。而从回路声速试验得到的声速协变不变原理的精度和迄今为止光学试验的空间精度一样都是二阶。这种试验结果的精度还说明,无论对声波还是光波的罗伦兹变换在空间上从二阶以上进行修正都不和现有实验结果矛盾的。 因为相对论可以从电磁场方程的协变不变原理得出,所以从电磁场方程和介质方程的关系就可以分析出相对论在介质力学里面所占的地位。电磁学一共四个方程,其中三个都是麦克斯韦尔( Maxwell) 利用连续介质力学的规律得到的。第四个方程被他以假设的名义造出来。一个世纪来,不少学者探索进一步完善电磁场方程的数学描述, 如对于各向异性电磁材料有关常数作张量描述,或者位移电流密度描述增添一些新的内容以便兼容出现的复杂性等等。 另一方面也有人重新利用流体力学推导和电磁场方程。这个过程很漫长,直到50年代还都停留在猜想的基础上,以后从无粘的欧拉方程有些证明,俄罗斯罗蒙洛索夫大学的Dmitrieyv 教授也作了类似工作。 Paul A.Murad 90 年末把电磁场方程改写成类似流体力学的小扰动方程,实现 b 1 的有解描述。我国的廖铭声虽然在粘性项作用比较小的条件下,用稍欠严谨的方式从粘性流体方程推导出Maxwell方程,但是他用钱学森形式的非线性可压缩变换来解释相对论。并且以此定义了广义相对论线元。严格的推导1998 年由美国的Haralambos Marmanis 给出。他从欧拉方程, 不可压NS方程及湍流方程出类似 Maxwell方程的表达形式。笔者进一步推导了当流体具有粘弹性的松弛和滞后作用时,甚至对非牛顿流体,采用波尔兹曼叠加原理表示应力应变率张量关系情况下,此时流体同样有Maxwell方程组的表达形式。结果归纳如下,详细情况见附录: Maxwell方程组 连续介质力学方程组 ▽ E =      ▽ F 1 = -▽ 2 f n E / t = C 2 ▽╳ B - I    F 1 / t = V 2 ▽╳ w - j B / t = -▽╳ E w / t = -▽╳ F 1 ▽ B = 0 ▽ w = 0 其中, 对 Maxwell方程组来说 E,B,I , r 表示电场,磁场,位移电流,电荷这些熟知的量。对连续介质力学方程组来说 w 是漩涡强度 , F 1,是力,它包括引力 F 和压力 P ,惯性力,哥氏力以及粘性力 m , 等力的和 。 f 表示势函数 , j 是类似位移电流的复合项 , 表示为: F 1 = - F +( w ╳ V )+1/▽P-1/▽(▽ V )-1/▽{ m } J = ▽ ( V w ) V-V ( ▽ 2 f ) + 2( F 1 ▽ ) V + w ▽ ( f+ V 2 ) 上面的结果其物理意义非常明显,漩涡强度和磁场强度对应,力场和电场相对应。所以后面的方程组也有很多学者把它看成引力方程。 上面的两个方程都是在相对介质不动的坐标系得到的。然而在相对介质运动的坐标系中,就会产生一个矛盾。焦点在于: 电动力学方程是协变不变的,相对运动速度比较大的情况下需要进行罗仑兹变换,而连续介质方程是守恒型的,相对运动速度比较大的情况下的初步计算结果的得出需要进行可压缩变换 。这就引出了罗伦兹变换和可压缩变换之间关系的问题。观察他们的共同点是我们认识到洛仑兹变换实际是可压缩性的一个表象。 很多人察觉到了两者之间的共同点。 物理专家认为协变不变原理是最优美的最完善的。他们甚至利用这些经典的原理和推迟势理论来计算亚超的空气动力学问题,作为一种和空气动力学简化的线性算法,已经作为自然科学基金继续进行了这方面的研究,取得了结果。 但也有人致力于改进电磁场方程,比如Proca,他在位移电流和力项上面添加一些和质量有关的非线性源项。以便使得光子静止质量为零的矛盾得到解释。尽管这是Proca的猜想。但是也说明电磁场方程也在向非线性发展。如果想从物质论找到依靠,可以从从上面右边的表达式来分析。因为这里面不仅包含了和proca相似的项,也包含了更多的兼容其他理论的空间。由于 Proca 把自己的修正局限在协变不变的范围内,所以这种修正还很不到位。从 F 1和 J 的表达式来比较Proca的猜想,可以发现Proca磁场方程比介质方程少了很多项。从上述最后两个式子找出贡献最大的因素来。对电磁场方程进行补充,proca改进方程的空间还很充裕。 坡音庭矢量,在电磁场里面代表着能量的流动,这种流动没有伴随的物质运动发生。但是从右面介质运动方程的角度来看,漩涡强度和力矢量的叉乘就同样代表着能量的流动。尽管在燃烧中人们最近才刚刚了解到热量流动的方向是和涡强与加速度叉乘积所决定的,但是这样表达竟然和电磁场的波音亭矢量相似,还是头一次发现。联系起来看,反过来就提出了电磁场的物质流动背景问题。 3.既然经典物理理论可以推导出气动力的近似结果,为什么不可以把这个问题翻过来做?从空气动力学发展一套可以代替推迟势,加相对论的复杂系统理论。笔者和西北工业大学的罗时均,张仲寅,乔志德,徐明初等一批空气动力学工作者以及陈国瑞,胡征(西电),黄志洵(北广),宋文淼(科学院电子所)等电磁学研究者探讨后认为:反问题也并不是没有意义: 首先,推迟势加相对论只能近似简化算亚,超气动问题,对于空气动力学这种复杂系统来说,对于在跨音速时表现得非常强的可压缩非线性,前述算法显得苍白无力。同时他还不能很好兼容复杂系统常有的粘性,稳定,转捩和湍流,以及非牛顿流体的滞后,驰豫这些性质。尽管低速湍流雷诺应力张量也可以写成协变不变形式。但是马赫数高了就矛盾突出。一些复杂的多方程模型难于兼容,所以从空气动力学角度,顶多能把把不可压流加相对论为基础的理论系统看成一种近似计算的方法。 就推迟势加相对论算法来说,本身还存在一些空气动力学发展早期线化的困难。早期空气动力学和相对论一样,存在着第一节所论述过的五点问题。以后的二次大战后空气动力学理论进一步发展,成为一个复杂的非线性系统,非线性被挖掘的淋漓尽致。然而相对论和推迟势的描述还留在线性的阶段。 如何进行反问题的探索呢?为了简化难度,最简单的办法是展开罗伦兹变换,寻求把罗伦兹变换加上非常微小的高阶修正以后,看它是否可以变成空气动力学的某一种变换。答案应当是肯定的,比如 利用计算机推理可以很容易证明, 只需要在时间变换的时延因子 sqrt (1- b ^ 2 ) 加上高阶修正量 -1/2* b ^2+1/8* b ^4+1/16* b ^6+5/128* b ^8-O( b ^10) , 该时延因子就会变成 (1- b ^ 2 ) , 这样就 罗伦兹变换修改为前面提到的拟罗伦兹变换,公式3。虽然它只和罗伦兹变换有高阶差别,但是它却是一个严格的空气动力学变换。 从实践检验的角度出发,对相对论时间延长的检验都没有超过2阶,所以罗伦兹变换和上述种空气动力学变换都满足至今为止的实验基础。这个变换的意义在于通过它得到的并不是时空的转变,而是方程系数的变化,变出了一个有物质流动意义的新方程 小扰动方程 ! 或者干脆修改洛仑兹的尺缩假设,给真空赋予由底层流动着的物质组成的属性。这种真空物质特性有很多,但是最简单的近似描述应当是我们现在已知的一些物质属性。这样就直接回到罗伦兹本来假设的方程 小扰动方程 ! 如此就容许从光的波动方程和迄今为止的实验验证基础来选择一些新的空气动力学变换,让他既和罗伦兹变换等效和兼容。又能避免超光速区无法过渡的奇点困难。 作为第一步可以在二阶精度误差允许的范围内把小扰动方程变成中扰动方程: 该方程实际对应了一个新的变换卡门钱学森变换,此变换被秦元勋和廖铭声先生用在改进的相对论变换中。 进一步还可以在二阶精度误差允许的范围内改变为大扰动方程,: 进一步修正成类似全速势方程形式, 最后可以引入欧拉方程以及原汁原味的可压缩流体动力方程组,现有这些方程和原来的不可压方程加相对论变换的区别都在 b 的二阶精度以内。 高阶差别也是我们关心的,它不但改变了 b = 1 处的奇点成为平滑过渡以及使得超过波速计算更为准确,更重要的是这些微量的差别 恰恰可以作为我们以后对相对性原理证伪实验的出发点 。 四.把相对论作为一种简化的线性近似算法,进一步完成在理论深化和实验验证方面的探索 在物质场方程中用这种高阶修正后的变换代替罗伦兹变换,从空气动力学的观点来看意味着也把一种不可压缩的场变换成为可压缩的场。它当然不会是完全协变不变的,因此和罗伦兹变换不会全等,但是它们之间在尺缩上面是没有三阶以上误差,而在时间延迟方面的误差是 b 的二阶量.至今在相对论时间延迟的验证中还没有直接的方法来验证出这个差别。所以这种可压缩的线化小扰动方程在空间方面的描述和相对论的场描述将没有区别。也就是说, 这种理论上的延拓有着他的实验基础。 历史上曾经提出过五种和相对论平行的假设,唯一剩下来还不能够被实验所否定掉就是物质相互流动和运动的假设。可以证明它和相对论仅在时间上相差高阶无穷小量。 笔者认为相对论其所以被实验结果所接受,正是因为物质的场都有可压缩特性。把前述相对论的卡门钱学森方式的非线性延拓本质上包含了能量守恒: C 2 这一项意味着一个更低一个层次的物质运动所组成的场的能量。 C 0 2 这一项意味着总能量。所以也有许多资料从热力学角度出发来考虑此问题,宗旨都是一致的。 r C 0 2 = r C 2 + r V 2 = (p+G0/+ V 2 现阶段,上述两种理论都与现有的实验结果相容,谁更正确,待于进一步的实验。 上面已经论述,电磁现象和连续介质理论从数学模型结构上说是一致的,得到的波动方程从数学模型上看也应当是相同的。所以表面上看起来相差很远两个领域的效应,却有很深刻的内在联系。利用这种交叉的共同性质,不把协变不变性看成一个终极的物理准则, 放开现有描述的局限性 , 寻求更广义的兼容性质_压缩性,如此构造电磁和相对论现象的新描述方式,使其兼容(并不偏离)协变不变原理的实验结果,可以得到两点明显的进步。 1。光子具有微小的质量,越过光速的线性数学描述上的奇点消失。代之以有界的非线性数学描述 2。超过光速变化规律和索末菲,秦元勋,曹瑞林,张操的描述相同 。 不产生复数。一旦把罗伦兹变换看成一定精度下近似计算所需要的中间函数,那么在超光速范围仍然可以得到类似的变换来代替现在很多学者延拓了的超光速罗伦兹变换,拿廖铭声的延拓罗伦兹变换来说, 进一步也可以得到引力场的广义相对论线元: d s 2 = a 0 2 dt 2 -dx 2 -dy 2 -dz 2 =(c 2 - 2G 1 M/r)dt 2 -dx 2 -dy 2 -dz 2 =(1 - 2G 1 M/r 0 /c 2 ) c 2 dt 2 -dx 2 -dy 2 -dz 2 很明显,这样描述的广义相对论线元和质能定律就可以自动变号而不用引进负能量和虚质量。他和秦元勋教授提出的超光速延拓变换殊途同归。都属于椭圆空间和双曲空间可以自动变号的变换,对这些变换一样可以进行高阶修正,使用新得到的变换作用在波动方程(1)之上,仍然得到方程(2)。然而此时的波动方程会由于 1- b ^2 0 而变成双曲型。代表了超光速的波动传播是在光锥里面进行的事实。这个事实将和它所代表的相对论线元和质能关系式都会自动调整正负号自动关联起来,这一点在曹盛林教授和张操教授的论证里面用不同的数学方法描述,本质都是一样的。 人们从从衰变产生中微子非零质量试验结果的测量得到 , 他的上限是 250ev, 而 H 2 b - 衰变测量的结果表明质量和能量的关系在接近 18.568ev 时有个非线性的变化 . 按照旧的相对论 需要引入负能量虚质量来描述它。按照秦元勋和曹瑞林,张操等发展的理论可以不用负能量和虚质量解释实验,但是粒子是如何越过光速时的奇点仍是个疑团。在新的兼容理论中就可以用空气动力学跨波速时的复杂系统非线性作用来解释。按照兼容理论,简化以后是全速势方程,再简化则是大扰动方扯,小扰动方程,最后才简化成线化方程,此时才达到明显和相对论兼容的最后一站。逐本索源,则前述的表达都是在实验精度允许的条件下和相对论兼容的。它们可以给出物质的复杂系统行为越过波速时的非线性细节。 2002年美国宇航科学院标志性的几个结果之一是在宇宙空间站特殊情况下燃烧结果是量子化的,火焰跳跃出现,蛇行前进,在这方面表面张力起了主导作用。频率,波长和密度,速度,有如同德布罗意波那样的反比关系。虽然还没有人给他起类似普朗克常数的名字。还没有人把这些和俄罗斯Dimitief教授从流体力学到孤波到非线性薛定鄂方程的一系列推导联系起来。所以说,空气动力学还在不断吸收和融合量子力学和现代物理的新结果,并不妨碍他和其他学科的进一步融合以及深化数学描述。 总而言之,一旦把相对论看成可以进行高阶修正的一种数学变换的算法,那么强非线性修正后的变换就和真正的可压缩流体介质方程的一种近似处理方法兼容了起来。相对论被物质论所兼容后形成的新系统将给量子力学也提供兼容的空间。 五.用复杂系统的椭圆双曲非线性过度区的分析指导突破光障的实验 1〉北京广播学院黄志洵教授多年前他就提出了利用量子的隧道效应来实现超光速.现在又进行了超光速测量的实验.所有这些实验正是光波通过势垒减小能量时出现的。按照新的强非线性系统角度看来,正是方程的系数 1- b ^2 在这个地方变了一个号,或者说相对论线元在这个地方改变了表达式。如此就可以理解为什么经过减质和消能以后速度反而会加快。 2〉以上理论,正好印证了中微子在加速器中进一步加速时出现的质量反常变化.这也和超光速理论的奠基者 A . Sommerfeld 提出的理论正好相同,有趣的是,该学者不仅是理论物理的先驱, 也是个流体力学的大师。 3〉特别要提到的是,一旦采用按照新的强非线性系统,亚超的过渡将没有奇点。从压光速到超光速将不是不可超越的。这一点为我们设计新的实验提供了理论基础。甚至对于加速器的设计和测量的理念都带来很大的变化。现在的高能加速器,在接近光速时,一味增大加速器的粒子能量来增加它的速度,现在中国的加速器电子可以达到0.9999倍光速,美国加速器可以达到0.99999999倍光速,还是超不过光速,在新的观点看来,就是由于过去所有加速器设计一味只追求加大能量,缩小粒子束截面,这正如拉瓦尔工程师以前的一味增加压力和缩小口径流管喉道一样,单调变化是无法使得物质超过波的传播速度的。单方向增加粒子的能量和质量只能使得粒子束接近光速,达到光速,永远超不过光速。这种复杂系统,在变化达到极值时,系统就可能有两个变化方向,一条按照原来变化方向按椭圆方程的系统退回到亚波速状态去,另一个变化方向属于双曲系统,要沿着反向的变化才能进入超波速状态。所以想要超过光速,就要考虑系统在此时由椭圆转化为双曲方程的特点,在加速到波速时的情况下,反相去减小能量,从而得到一些减小能量的粒子,他们才有可能是真正的超光速粒子。 4〉 按照新的观点,很有必要重新检查我们的加速器实验结果,重点在于搜获哪些加速到波速以后能量变低的粒子相位提前的事件。很可能我们的高能加速器里面已经产生过了这样的超光速粒子的事件。然而过去多少年来,按照经典理论,那些事件,会被我们看成给试验工作带来困难的异常事件,为了防止他们的产生,加速器设计用了很多方法来限制束流,使他们尽可能同步。能谱尽可能集中,这些加速器常用的调整方法实际限制了超子的生成。尽管这样,如果会有些这样的异常发生,这些事件将得不到理论解释。只能按照误差把他们处理掉。然而过去所谓的这些坏结果正是我们梦寐以求的超子。由此看来,改装加速器也势在必行,在近似达到光速后原来用来限制束流,增加能量,使之尽可能同步的手段,在实验设计上可以翻过来进行。改为消减能量,扩大能谱的差异 , 以便得到尽可能多的原来认识上的坏结果 ___ 超子。 中科大和上海高能所的加速器设计者对此方案很感兴趣,国家合肥加速器实验室学术委员会主任裴元吉教授已经在此方面进行了考虑,认为可以通过加速器的特殊检测设计,减低Q值,增强时间的检验精度,让这些过去被埋没的超光速粒子落入特别设计好的的相空间.这样,那些沿着亚光速路径变化的粒子质量会增大,相空间会滞后,而那些超子却质量减小,相位超前。通过相位和质量就可以检测出超子存在.这就使得突破光障的理想不仅在光波实验上得到成功,也在电子,介子等重粒子上得到突破。 5〉至于如何在接近等于光速时给粒子消能,这个问题我还想求教各位电磁场和量子力学的专家。在现阶段我国加速器还不能产生并加速反粒子,所以利用反粒子的负能量的想法还暂时提不上日程。求教大家,是否可以用截止波导为加速器中的电子提供合适位垒来消除能量.另外,用局域化的异常微波对电子消能起多大的作用,特别是这种加速器中的粒子接近金属壁面时产生的电磁异常现象.它将带来多少对粒子运动消能作用?以及结果如何检测? 这些都是在这次会议上希望向各位求教的地方。 相对论不是终极理论,它从线化走向强非线性描述可以从空气动力学得到借鉴。即就数学描述上还会有出入。强非线性系统可以从椭圆形无奇点过渡到双曲型的规律也可以为我们突破光障的实验得到入门的线索 。笔者认为空气动力学的非线性处理方法可以作为一种借鉴,空气动力学也不是终极理论,它也有内在矛盾,作为物质特性的很多方面,如湍流,弥散,自组织,以及超导和凝聚态等在它的理论范畴还远没有所谓逻辑完备的描述,但是不妨碍我们交叉借鉴它们并通过实验检验它,学科的边界会越来越模糊,最后使这些理论都会进一步发展。 Abstract An approximate Small disturbance method of conservative equation of fluid mechanics can be written in the form of extensional invariability. And the metric invariant of extensional relativity in Compressible fluid mechanics could also be writing. To be mindful is the magnitude of error is not great than the error of accuracy of experiment of verification of relativity effect. This answers the question: How a metafluid can be used to develop the theory of relativity, make it again back to Galileo space, and this is only with very small modification. And the result can be used to make the experiment of super light. Keyword: compressible fluid, relativity, covariant invariability, extensional relativity. 参考文献 1.Books: Liao M.S.Invariable Fluid Theory, Shanghai Technology Press,1993 2.Books: Zhang yuanzhong,Experimental Basis of special relativity China, Guo Fang Press China 1979. 3.Books: Zheng quan, Conflict to relative theory , Hangkong Press China JSBN7-80045-038-2 4.Paul A.Murad, AIAA Paper 99-0562 5.Paul A.Murad, AIAA Paper 99-2606 6 .廖铭声,流体不变论, ,上海科技出版社,1993 7. 杨新铁,麦克斯韦尔方程和连续介质方程的一致性, 力学2000,北京2000年8月25日 8.粒子超(广义)非线性速度,时间的相对不对称效应和随体动力学公式数学力学学报 杨文熊 9.高速粒子的质量守恒性 数学力学学报 杨文熊 10. Yang Xintie;Mingxiao, The Application of Aerodynamic Method in the development of relativity, 2001.May 12 IWCCPA Nanjing,China 11. Yang Xintie;Mingxiao ,Lorentz time-space relation is only a transform from incompress flow to compress flow, 2001.May 21-24 IWCCPA Nanjing,China ; 南航学报,国际版, 2001 。 11 。 12. Haralambos Mamanis, Analogy between Navier -Stokes equations and Maxwell s equations: Application to turbulence, Journal: Physics of Fluids, Vol(10) 6,june 1998; pp1428-1437. 13.杨新铁,赵双任,加速器中超光速粒子试验和检测方法探讨, 中国秋季物理大会2003-9-17,合肥; ,北京广播学院学报(自然科学版),2003,11(增刊): 14.杨新铁,用数值计算验证可压缩流动存在类似的协变不变原理的回路声速不变原理, 中国秋季物理大会2003-9-17,合肥 15.黄志洵。超光速研究新进展 。北京:国防工业出版社,2002 16.黄志洵EPR思维研究中的若干问题 ,北京广播学院学报(自然科学版),2003,11(增刊)27-39 17.黄志洵。超光速研究的量子力学基础 ,中国工程科学,2004,第6卷第4期:14-25 18.杨新铁, 可压缩流体的协变不变原理和广义相对论线元 ,北京广播学院学报(自然科学版),2003,11(增刊): 附录一: 无粘情况下 , 不可压流体介质方程和电磁场方程的等价关系推导 : 欧拉方程的动量方程表达如下 V/ t= - w V - ▽ (P/ + V V/2) 1 F 1 称作兰姆矢量 , 如果流动是沿着同心园的环流 , 那么兰姆矢量表示的力就是离心力 . 下面我们就来设法证明兰姆矢量和涡矢量构成四个和电磁场完全对等的方程组 . 为简单起见 , 用 F 1 代表兰姆矢量 , 用 f 代表压力和速度的势函数 , 这里 F 1 和 f 都 是 x 和 t 的函数 , 其中 F 1 = w V, ▽ f = P/ + V V/2 于是有 : V/ t= F 1 - ▽ f 2 对方程 1 求旋度 , 得到涡强的方程 : w / t= ▽ F 1 3 另一方面 , 由连续方程得到 : ▽ V= 0 4 再对连续方程再求旋度 , 就有 : ▽ w = 0 5 方程 2 又可以写成 : F 1 =- V/ t - ▽ f 6 对上式两边取散度 ▽ F 1 =- ▽ V/ t - ▽▽ f 进一步可以写成 : ▽ F 1 = - ▽ 2 f 所以 , 兰姆矢量的散度就表示了伯努里能量方程的一种起伏 , 如果把 - ▽ 2 f 这样的量定义成类似电荷一样的量 n 的话 , 从 5 和 7 式就得到了兰姆矢量和涡矢量的散度都类似于磁场和电场的散度的等价方程 : ▽ F 1 = n 7 前面还有从方程 3 得到了涡的时间变化等于兰姆矢量的环量的类似于电场变化等于磁场环量的类似表达式 . 这样我们就已经有了电磁场和介质场的三个等价表达式 , 略去繁杂的证明还可以求的最后一个表达式即兰姆矢量对时间的导数的表达式 : 定义介质流动矢量 j : j = ▽ ( V w) V-V ( ▽ 2 f ) + 2( F 1 ▽ ) V+ w ▽ ( f+ V 2 ) 8 这样 , 可以写出第四个方程 : F 1 / t = V 2 ▽ w - j 9 于是欧拉方程就和电磁场方程一一就如下所列 , 完全对应了起来 . 微观 Maxwell 方程组 连续介质力学方程组 ▽ E = 4 p      ▽ F 1 = - ▽ 2 w n E/ t = C 2 ▽╳ B - 4 p I    F 1 / t = V 2 ▽╳ w - j B/ t = - ▽╳ E 8 w / t = - ▽╳ F 1 ▽ B = 0 ▽ w = 0 在微观 Maxwell 方程组中 , E, B, C , , I , 分别表示微观电场强度 , 磁场强度 , 光速 , 和位移电流 . 从上两方程组的数学描述中可以很明显的看出 , 电场和涡场等价 , 而磁场和拉姆矢量的力场等价 . 这里表面上不同的就是连续介质方程的位移电流这一项的表达式有所不同 , 然而实质上不同的是前者满足协变不变条件 , 它是在洛伦兹时空成立的 , 后者只是在伽利略时空成立 , 就自然提出洛伦兹时空变换是怎样和连续介质方程相联系的问题 . 这个联系需要在介质方程里面来寻找 . 另一方面 , 和介质方程等价 , 发展新的电磁场方程就有两个可以考虑的方向 : 一是可压缩性 , 二是粘性 . 让我们首先来考虑粘性介质场和电磁场的相似性 , 然后在进一步探讨洛伦兹时空变换在介质方程扮演什么角色的问题 . 也就是说至今被理论物理界所津津乐道的协变不变性 , 度规不变性到底实质是什么 ? 由于粘弹性的非牛顿流体有更一般的意义 , 所以我们首先来讨论它 . 附录 二 采用波尔兹曼叠加原理和粘弹模型後的力和涡的关系 1. 牛顿流体和非牛顿流体的应力应变关系 牛顿流体应力可表达式为 : t =m r/ t r/ t=V   10 其中 t 为应力 , m 为常数, g 为应 变 , 上面的点表示对时间求导数 , 对时间求导以后就成了应变率。在这个假设中,缺乏我们所需要的应力和应变本身的非线性关系 , 没有考虑到弹性和松弛的影响 . 近年来非牛顿流体得到了长足的发展 , 使得我们可以考虑 , 如何考虑选用一种简单又不是普遍性的非牛顿流体应力应变关系 , 并采用波尔兹曼叠加原理来构造应力和应变的关系 , 波尔兹曼叠加原理用于应力松弛表达可简单表述如下 :1) 应变是全部应力历史的函数 ,2) 各个应变对应力的贡献是独立的 , 总应力是各个应变贡献的线性加和 . 若应变史是随时间连续变化的 , 则 详见后所附论文全文 对上式分部积分得 详见后所附论文全文 式中 G(t-t~) 为松弛模量 ,M(t-t~) 为记忆函数 , 它表示了一切线性粘弹性流体的力学性质 . 如果考虑的是麦克斯韦尔流体这样的非牛顿流体 , 在简单剪切流中 , 其微分型本构方程为 : t +l 2 t / t =m r / t 11 其中 t 为应变张量元素, l2 是粘性系数和弹性模量的比 . 它代表流体内部应变的积累效应 . 所谓积累效应是指 , 在流动的每一个微应变距离上产生的微应力贡献都是要经过衰减的 , 然后叠加上新产生的应力 . 最后总的效应应当是这些不同位置上产生的应力又经过松驰衰减后的总和 . 对于稳定流动 , 从长时间平均的角度上来看 , 它会又回到牛顿流体的同构关系。解如上的微分方程 , 引入初始条件 t=- , t=0, 则可得 : 12 本来动量方程就可以写成可以写成如下形式 , 该形式和前述的欧拉方程唯一的不同在于多了粘形项 : V/ t+ ▽ (V V/2)+ w V = F-1/ ▽ P+ 1/ ▽ { t } 13 其中 t 是个应力张量 , 考虑 F= ▽ f1,f1 是彻体力的位势 , 且 F 1 = w V 上式在不可压情况下可以写成 : V/ t= F 1 - ▽ (- f1+ V V/2+ P / ) +1/ ▽ { t } 14 对上式取旋度以后仍然有 : w / t= ▽ F 1 15 为了求 F 1 的散度方程 , 可以把动量方程式 21 改写成下面形式 F 1 = V/ t - ▽ (- f1+ V V/2+ P / ) +1/ ▽ { t } 16 于是有 ▽ F 1 = - ▽ ( f ) + ▽ { ▽ { t / }} 17 其中 f = - f1+ V V/2+ P / 表示 , 而 f1 的散度值等于所在点的质量密度 (12) 式的 t 也可以写成 : t = m r/ t - l 2 t / t = m - l 2 t / t 18 其中 是应变率张量 , 用并失 : 来表示就是 : = ▽ :V 所以有 : ▽ = ▽ 2 V ; 以及 : ▽▽ = ▽▽ 2 V=0. 从而 ▽ t = - ▽ l2 d t /dt; 于是 (17) 可以写成 ▽ F 1 = - ▽ ( f ) - ▽ { l2 / d t /dt } 令 F 4 = { l2 / d t /dt } 19 则 : ▽ ( F 1 + F 4 ) = - ▽ ( f ) 20 F 4 表示出了流体中应力加速度产生的附加应力 . 再考虑到由于连续方程得还保持原样 , 所以它的旋度还是为零 . 方程 5 仍能够成立 , 即 ▽ w=0. 这样 前面方程 就构成了粘弹情况下的三个类似电磁场的方程 . 为了寻找最后一个 形式为 F 1 / t = 的方程 . 先把动量方程 16 对时间求导数 : F 1 / t = 2 V/ t 2 - ▽ ( f / t) +1/ ▽ { t / t} 21 让我们来分析上式左边头两项代表无粘流对兰姆矢量发展的贡献 , 他们的表现也仅仅出现在无粘的表达部分中 . 而第三项可以看成式它的粘性修正 . 这样我们可以首先如前 9 式所述写出兰姆矢量无粘情况下对时间导数 , 然后再补上上式中最后一项的贡献 . 为得 2 到上式右边最后一项 ( 粘性项时间导数 ), 首先改写 t 的表达式成为 : t / t = m/l 2 - 1/ l 2 t = z - l 3 t 其中 z = m /l 2 . l 3 = 1 / / l 2 把 的 表达式展开可得 : { t / t} = m( v i / x j + v j / x i ]- l 3 t 所以 F 1 / t 表达式 (21) 右边最后一项变为 : 1/ ▽ { t / t} = 1/ ▽ { z - 1/ ▽ } = ▽ z( v i / x j + v j / x i ) e i e j - ▽ =2 - z ▽ 2 {V}=- z - ▽ ?? = z ▽ w - l 3 ▽ 把上面这部分粘性对 F 1 / t 的贡献带入式 (21) 最后一项 , 并且考虑其余项刚好构成无粘部分的式 14. 合起来得到 F 1 / t = V 2 ▽ w - j + z ▽ w - l 3 ▽ 整理上式得 : F 1 / t = (V 2 +z) ▽ w - j 其中 j = j- 8 l 3 ▽ = ▽ ( V w) V-V ( ▽ 2 f ) + 2( F 1 ▽ ) V+ w ▽ ( f+ V 2 ) - l 3 ▽ 29 这个公式的物理意义是引力和流体内各种内力的时间变化率和涡强度的旋度成正比 附录三。 可压缩流体也有广义的协变不变原 理 和相对论线元 改变流体力学的守恒方程组,忽略高阶小量,可以把它写成协变不变的形式,这在廖铭声的 ' 流体不变论 ' 一书里面已有论述 . 新的守恒方程其实是不可压缩流动的不同描述,不同点在于加上了新的罗伦兹变换: t = b (t'+(V o /a o 2 ) x') , x = b (x' + V o t') , y = y' , z = z' 其中 b =1/sqrt(1-V o 2 /a o 2 ) 流 体方程在新的时空下的表达形式如下: 连续方程: r / t + ▽ (Q)=0 其中 r 是密度 , Q 是单位体积中的动量 Q = r . V 动量方程: Q/ t+ ▽ (R)=0 R 是应力张量 , R=QV-A-P , A 是质量力张量 A= , P 是表面力张量 能量方程: E/ t+ ▽ (H)=J E 是内能 , H 是焓 H = E V-P V-k ▽ T , T 为温度 , k 是导热系数,而 J= r Q 加上了罗伦兹变换以后,这一套数学描述是协变不变的。这里必须说明,实际上,表面力张量里面的摩擦力张量,质量力张量并不满足协变不变原理,但是考虑忽略他们的影响的情况下或者无粘流动,那么上面的表达式还是近似成立的。 和严格的相对论不同,这里的 a o 2 = (p o + G o )/ r o 这样,我们不仅有狭义相对论的质速关系: r = r _ o / (1-V 2 /a o 2 ). 进一步也可以得到广义相对论的线元 : d s 2 = a 0 2 dt 2 -dx 2 -dy 2 -dz 2 =(c 2 - 2G 1 M/r)dt 2 -dx 2 -dy 2 -dz 2 =(1 - 2G 1 M/r 0 /c 2 ) c 2 dt 2 -dx 2 -dy 2 -dz 2 其所以可压缩流体力学里面也有近似的协变不变原理,都来自于介质具有可压缩性 . 可压缩性刚好产生了 1-??2 的修正因子。为说明这个情况,从定常的可压缩连续性方程开始: ▽ ( r V)= 0. 把散度分别作用在速度和密度项上除以 r 得到 ▽ V + V ▽ r/r = 0 显然 , 这里第二项就是压缩性的影响。由波努里定律有 dP + r V dV = 0 有 dP =- r VdV=C 2 d r 。 密度变化为 d r = -( r /2C 2 )dV 2 引入速度势後密度变化两个分量为 连 续方程中对密度求散度那部分为: 整个连续方程化成: 只考虑 x 向来流并线化得: 和不可压缩的方程相比可知压缩性的影响在于 1- b 2 。这说明,表面上看起来相差很远两个领域的效应,却有很深刻的内在联系。由于我们考虑的都是 v/c 的相对速度,采用了无量纲形式,而数学模型保持了相同的结构。所以速度绝对大小并不重要。更突现了罗伦兹变换是可压缩效应的表象 , 它是用不可压缩流动来得到可压缩流场结果的一种中间变换。 详请见后所附论文全文:敬请点击下载: 突破光障借鉴流体力学全文 三.从理论上看空气动力学的压缩性和电磁场论的协变不变原理的关系。 一.力学发展的早期遇到的困难和探讨超光速问题遇到的困难相类似。 1904年,洛伦兹经过26年在电子学方面的探讨的发表了著名的变换公式,以及质量与速度的关系式,并指出光速是物体相对于以太运动速度的极限,然而洛伦兹不知道,他给出来的那个光传播方程竟然是一个空气动力学里面的小扰动方程,可惜的是他采取了(固体材料)以太尺缩的办法来解释这个方程的含义,因而没有被科学界所接受,科学家们经过几十年的争论接受了静止系下面的方程加相对论变换的理论体系,然而洛伦兹至死把相对论变换以他的名字命名而感到遗憾。 如果洛伦兹活着的话,他就会看到,原来流体力学本身就有一种小扰动近似处理方法,其近似处理的步骤竟然和相对论是一致的,他不但可以写成协变不变的形式,并且可以写出广义相对论线元。误差量级不大于现有对相对论效应验证试验的精度。所以该方法不但可以用来对相对论进行高阶修正,而且还可用来指导突破光障的实验。 20世纪60年代,在国外掀起了第一个超光速研究的热潮。1967年,美国物理学家 G . Feinberg 发表超光速粒子的可能性论文,以后我国秦元勋,张操,倪光炯,曹盛林,黄志洵,杨文熊等教授分别给出了不同的数学描述。与此平行,Bohm在Aspect实验后从量子力学角度也提出新的理念,即把相对论看成更广泛的某种学说的近似,以便在更深层次发现超光速。以上探索有两个特点。即强调实验所显示的物质性和数学方法上的非线性,有趣的是,这些特点和在空气动力学的发展早期也遇到的类似问题有很强的联系, 联系起来看, 数学规律就浮出水面。 在讨论相对论时一谈到空气动力学,总有人从常识出发认为光波速度非常高而声速较低,前者属于牛顿力学范畴而后者是高速情况下的改进,两种现象本质不同,无可比性。为了避免这方面的思维定势,最好研究无量纲方程。这样在数学模型上就只考虑相对量(无量纲量)的组合,如果这些相对量的公式是一致的,那么它们的深层的物理意义就是一样的。 1〉气动力学发展的早期,流速较低,根据波努力定律产生压力变化小,从而密度变化也小,所以流体可以被近似看作是不可压缩的,其速度势,流函数都满足拉普拉斯协调方程,波动满足达朗贝尔方程。这显然是一种声速被看成无穷大的数学描述。它满足协变不变原理。 2〉低速下密度也有质能关系,按此近似的描述一样可以算出负能量和虚质量: 低速度下流体密度的变化较小,小马赫数下进行线性简化的小扰动理论应运而生。马赫数代表流速v相对音速C的比, M =v/C = b 。文中把马赫数用也用 b 表示,以便兼容物理书用 b 表示速度和光速C的比的提法。 早期只研究了亚音速情况下流动的性质,按照小扰动理论,对于缩口管道流动来说,如果把相对静止时的质量密度看成是 r 静 。那么相对速度为 b 时的质量密度就增长为: r 动 = r 静 /(1- b ^2) 1/2 ,这个关系和质能关系完全一样。如果 b =1 ,密度就会成为无穷大.此处为奇点。早期试验无非也就是提高压力和缩小出口截面积以提高出口流速。但是试验发现出口的密度随之也提高,几乎吸收掉所有能量,所以速度总也超不过音速。另外,从这个理论公式看,如果有跨过音速区域,就会算出负能量和虚质量,空气动力学也用虚特征线来进行数学处理。幸亏这些没有导致人们认为超过光速的物理实际也是虚数。原因是有个名叫拉瓦尔的工程师作了个意想不到的实验。 3〉空气动力学的结论和相对论超光速延拓变换式是一样的。 拉瓦尔把不断缩小的喷管后面又接上了一段截面扩大的扩张管,再做实验,他发现只要压力足够大,在扩大截面部分出现的竟然是超音速流动。拉瓦尔的贡献在于两点:用事实证明原来公式那个质量无穷大只是数学式子上的一个无穷大,搞工程的人只要不被那个数学式子挡住路,就可以产生超音速。同时也说明实际的变化是非线性的。在音速点发生了从量到质的变化,后面变化正好反了过来,此后压力越低,密度越小,能量越少,速度反而越高。超音速密度随相对速度变化规律简化后可以写为 1/( b ^2-1) 1/2 。 4〉罗伦兹在麦克尔荪莫雷实验后提出来的光波方程可实际是空气动力学方程。 该微分方程组是一个强非线性的复杂系统,但是二战前的计算还是建立在线化的基础上,经过线性简化的可压缩流( b0) 速度势的波动方程无量纲形式为: (1) 值得注意的是,那时罗伦兹以太波方程也是这个方程,由于没有从空气动力学出发,又添加了一个以太象钢杆一样缩短的假设,这在理论上当然站不住脚,没多久就被科学界否定了,以致洛仑兹非常苦恼,到死也不承认以他名字命名的时空变换。后来尽管流体力学缓慢发展又推导了这个方程,但相对论已经确立了他的主流地位,无人问荆这个被否定了的往事。 有趣的是飞行器的设计师至今还用相对论变换来求解此类方程。具体的方法是首先计算或者测量相对运动速度为零( b=0) 的不动坐标系的那个方程: (2) 得到计算结果或者实验结果后。通过一个几何外形的尺缩变换: 就可以得到相对运动速度不为零( b0) 的坐标系的可压缩方程(1)的计算结果。看起来好像这个运动坐标系的物体外形发生了尺缩一样。然后把流经表面的流体微元内部的能量也就是压力系数,按照相对论的质能关系进行计算。这个办法至今还在低亚音速飞行器设计中使用。 如一个静止在机场上的观察者,看到空中一个飞机以相对速度为 b 的方式开过来,为了从他的静止坐标系得到对面飞机在运动坐标系的结果,就可以把自己周围的静止飞机尺寸和绕流能量(压力)测量一下,然后用尺缩变换估算相对他速度为 b 的飞机的尺寸和绕流的情况,至于代表能量的物理量则采用和质能关系来计算。其所以如此,主要是求解过程使用了 变量代换。该代换导致了一个类似辅助线,辅助空间一样的中间变量。尽管运动坐标飞行器的时空实际没有发生变化,但是为了得到可压缩流动的近似结果,却可以看成它是坐在机场上静止系的那个人按照相对论这个虚拟的辅助时空算出来的一个结果。显然,作为一种算法,也能得到正确结果。 从近似计算角度看,罗伦兹变换也是可以应用的。美国的夏皮罗教授在早期的著作里面提到过。可以利用计算机推理把所有这些数学变换群寻找出来,就会发现除了前述的普朗特,戈劳沃,罗伦兹等变换以外,还有张超教授在时间变量上的变换等很多变换,作者通过计算机找出来的一个有相对论效果的变换如下所示: (3) 它和罗伦兹变换在空间上是完全一致的,只在时间上只有二阶以上的差别。对于稳定流动,时间的变化项都会忽略,所以在这种情况下罗伦兹变换仍然可以应用于气动近似计算。 5. 秦元勋,廖铭声等很多人提出洛仑兹变换非线性修正和卡门钱学森定律不谋而合。 针对在 b =1 时有奇点的弱点。 钱学森和冯卡门从亚音速那边把小扰动理论向非线性 推进了一步,他利用一种虚拟气体的假设,得到了一种新的 尺缩变换,和旧的尺缩变换唯一不同之处,在于 采用 总音速 C 0 代替了变换中的音速 C 0 。总音速实际是热力学能量守恒的表达式,它的定义为: C 0 2 = C 2 + V 2 ,乘上密度就是能量守恒公式。速度达到音速 C ,但是总会比 C 0 小。所以求出来的跨过音速时的质量密度就不会达到无穷大。反过来算,气体微团在音速时有有限能量 , 静止下来它的能量和质量也不会为零。尽管这个公式连跨音速那个范围都不能算, 但是可以算高亚音速,这在那个年代时很了不起的事情。只要飞行器设计师们知道 b 1 情况下应当采取双曲型变换来计算,他们就可以绕开原来那个过不去的带奇点的数学式子,制造飞行器并进行超音速飞行试验,终于47年试飞突破音障,理论此后得到突飞猛进发展,音障成为一个历史话题。 近年来物理学进展很快,光波在隧穿时通过势垒,此后也是失去能量反而继续加速;中微子产生时发现了质量和能量的亏损,张超和倪光炯等认为这也是描述继续加速的粒子。所有这些现象,都说明现代物理和空气动力学曾经遇到的困难十分相似。秦元勋,张超,曹盛林,黄志洵和当年的空气动力学家一样,干脆把突破光速后的1- b ^2改成 b ^2-1,这实际是把 空间变换从椭圆结构变成了双曲结构,解决了超过光速后的质能关系问题。但是在V=C的地方,质量还有一个无穷大存在,这就是所谓的光障,如何通过这个奇点还是个迷。 廖铭声把钱学森的以 C 。 代替 C 的方法应用到相对论,并做了在质能定律方面的应用,这一点和物理界在 70 年代由秦元勋教授对超子讨论时提出的观点很类似。那时朱重远有一个反驳,认为此公式只能运用在邻近光速附近,超过 C 也只能持续很少范围,膨胀到 C 。速度就不能继续加大 。朱重远的反驳是有道理的 .空气动力学刚好有相类似的理论,那就是在跨过音速阶段的一种虚拟气体质量的计算方法,该方法系钱学森和冯卡门所发明 ,他们巧妙的利用虚拟的切线气体性质把亚音速的气体流动关系引申到接近于音速的情况下。代替一般能量密度关系,新方法引用了一个总音速 C 。来代替音速, C 。 代表系统各个层次全部能量的总和。超过它代表违反能量守恒定律。不能超过它无限膨胀是对的。但是 C 。 - C 可并不是一个小数字。只要 V 比比 C 大许多倍, C 。就可以比 C 大许多倍。该方法里面假设那条切线是按照亚音速作的,尽管临近音速有效,但是却不能适用于超音速情况,在流体力学里面硬套也会得到很奇怪的结果。所以超音速区域的计算需要其他的类似反演的简化手段。 综合以上五点相同,归纳出一个 要害问题:虚质量的含义到底是什么?在代数问题求解中间,如果一个双曲问题,非要把它局限在椭圆型方程组来解决,自然引入虚数答案。在流体力学里面,出现了超音速区域,但是还是用亚音速的方程来计算,一样出现复数,复数特征线的算法,为了给这一部分流动一个实际的含义,空气动力学家引入了虚拟气体,虚拟密度。现在轮到引力理论了,引力学家们孜孜不倦的引入负能量和虚质量,引入复特征线定义的空间算法,难道不是一条相似的路线吗。所以说,明明是一个强非线性的问题,非要把它简化成小扰动线性方程来解决,就会出现了无穷大,这就是所谓1/( b ^2-1) ^(1/2)的 奇点问题。每当一个物理理论得到巨大突破的时候,数学上新方法的借鉴是不可缺少的。这方面结果还很少。望数学家能够说明闽科夫斯基空间也不过就是平直空间无粘可压缩性速度势方程的一种近似。 比如,就前述小扰动方程来说,数学处理的方法是多样的:第一种办法是把压缩性的影响表现在方程的系数上,而第二种办法是把压缩性影响表现在中间变换函数上,称之为时空变换,这就可以引入闵克夫斯基空间和黎曼几何来进行进一步的分析。第三种办法是用推迟势并且叠加非齐次强迫源项来近似处理,也有人在做。 既然在小扰动的线化描述中不同方法已经走到了一起,说明了相对论和压缩性线化描述本质上的一致 于是自然会问,相对论表述有没有强非线性描述?相对论表述可不可以改成强非线性描述?空气动力学的强非线性表达方法甚至是数值的表达方法那么一个活生生的例子摆在那里,能不能借鉴? 要跨出这一步,首先需要容许理论物理学家容许给相对论添加一些更高阶的非线性的修正,使得它描述的物理现象既能够满足迄今为止的所有试验。又能够和现代介质力学的简化结果相兼容。这等于把相对论先拉到物质论的套里面。只要试验结果的精度容许,再把相对论的数学描述往介质论的强非线性表达上拉。让它成为一种和介质论融合的理论。这种理论并不是简单的以太论的复活,而是综合了近一个世纪来现代力学和物理学新发展和有关相对论和量子力学实验结果的崭新理论。他仍然等待着凝聚态等新理论的补充和进一步发展。 作为抛砖引玉。作者从非线性角度考虑秦元勋 和廖铭声无意中使用的卡门钱学森定理。并考虑相对论本身也兼容在超光速区使用反演的描述方法。结合二者,作者从空气动力学出发来补充朱重远对秦元勋的质疑。即在近超光速区,相对论变换的压缩因子修正为 (1-v 2 /c 0 2 ) 1/2 ,这样近似的质能关系就可以写成宋健院士在香山会议上所提到的那种形式: m=m 0 / (1-v 2 /c 0 2 )
个人分类: 物理前沿|2297 次阅读|13 个评论
必需有充分事实肯定之关键!
可变系时空多线矢主人 2009-4-14 13:10
必需有充分事实肯定之关键! 最新一期的《自然》杂志上刊载了,由普林斯顿大学的物理学家王利军、亚历山大库兹米奇及阿瑟道格鲁等三位科学家最新的研究成果: 他们发射1束激光穿过铯气室,结果发现,当这个激光光波的尾巴还没完全进入铯气室前,波的前段就已经从另一端钻出来。 因而认为:激光光波在铯气室前进的距离是同一时间在真空中所能穿越距离的310倍,而推测:可能是铯原子改变了光的性质,所以这个激光光波才比真空中的光速快。 并据此而认为:至少在这种实验室环境下,光速是可以再往前推进的。 王利军还表示:我们的研究显示,没有什么东西能比光速快的观念是错误的。 在此,他们应只是计及:   = / ; / 。 这只能说明: / / ,或: / / , 应只是:与所选 、 与 、 ,相互间的关系, 若此观测 结果,确是观测到:这激光的单个波长的尾巴还没完全进入铯气室前,该波长的前段就已经从另一端钻出来。并且 确是所选 的 310倍,才 能得出: 激光光波在铯气室前进的距离是同一时间在真空中所能穿越距离的310倍。 但是,所谓光的波长只是大量光子的统计表现,怎么能确定实验所观测到的确是:这激光的单个波长的尾巴还没完全进入铯气室前,该波长的前段就已经从另一端钻出来的呢? 如果不能肯定这个关键结果, 怎么就能得出: 这个激光在铯气室的光速比真空中的光速快呢?
个人分类: 物理|3610 次阅读|0 个评论

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-4-28 12:39

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部