《前沿科学》2017年第1期发表了美国犹他州立大学和亚拉巴马州大学物理系客座教授张操等4位学者的论文:“交流电超光速的实验研究”。原中科院上海冶金研究所研究员胡素辉先生在该文的推荐语中写道:“张操教授的团队,经过反复实验,发现在特定的电路参数情况下,交变电场的速度超过光速20倍以上。这个实验有很多亮点,比如它显示交流电在金属导线中由相位变化来传输信息是一种宏观的非局域性效应,突破了相对论的光速是速度极限的观念。该实验已被证实是可以重复的。”
一个世纪以前,美国科学家迈克尔逊为了检验双程光速是否不变,设计了一个光学干涉仪,实验结果促进爱因斯坦建立了狭义相对论。后来,迈克尔逊还做过不等臂的干涉实验。非常有趣的是,张操教授与他的合作者在复旦大学做了一个小尺度的电学不等臂环路的类似迈克尔逊实验。通过实验他们发现,在特定的电路参数条件下,交流电的速度可超光速20倍以上。不过他们也承认,在大多数情况下,交流电的速度是低于光速的。
张操指出,这个实验有几个特定条件:一是由单根漆包铜线作为导线,构成二个不在一个平面具有不同长度的电阻—电感(RL)回路,单路漆包线的总长度小于10米。这样,有效地减少了分布电容;二是在电路回路中,1M欧姆的电阻是示波器的输入电阻。这个电阻作为交变电压信号以及电能的接收器;三是电感L1以及L2不是独立元件,它们是直导线的分布电感。电感量与导线长度正相关(不是正比)。他们选用交变电信号的工作频率小于2MHz。工作频率越低,效果越好。
实验中测量的是一长一短的两个单导线回路中大电阻上交变电压的时间差,实验结果直接由示波器显示出来。实验测量到的时间延迟小于1纳秒。如果定义交变电场的速度是长度差除以时间差,可以计算出在特定电路条件下,交流电速度大于光速20倍。这个实验结果表明,交流电在金属导线中可以超光速传输信号和电能。
张操介绍说,人类虽然天天在使用各种电器,可是对于低频电信号在导线中传播速度的研究很缺乏。他认为,交变电场在金属导线中可以超光速传输信号和能量,这种观点在物理理论中被长期忽视了。电路中的交变电场信号不是电磁横波,它是导线中每一部分的电场带动电子在进行“纵向同步震荡”。也就是说,这是一种非局域性效应。
樊京博士在南阳理工学院的实验室重复了张操在复旦大学的实验。樊京认为,首先要确定实验测量的正确性,然后再讨论理论解释的正确性。不能把两个讨论混为一谈。根据樊京的重复测量,他指出实验测量没有问题。现在示波器的时间分辨率可以轻松达到0.5 纳秒。有些人认为几十纳秒的时间差测不准,这是上世纪的概念。
张操表示,这个实验是中国原创的实验,有重大的科学意义。张操认为需要进行更多的条件试验,例如降低信号频率、增加单根导线长度等。张操和他的合作者由衷地希望能够与电路专家和电磁学专家一起共同研究,争取为电路理论以及物理学的发展提供新途径。
3月下旬,华东师范大学何积丰院士邀请张操教授作了一个科普讲座:“电可以跑得比光快?——由实验说话”,很受学生欢迎。