超光速实验的一个新方案黄志洵（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 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，作者简介：黄志洵（1936- ），男（汉族），北京市人，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。

U n R e g i s t e r e d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。

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（c ）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[1]，证明量子纠缠态的传播速度是超光速的，即c <v <¥。

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)[2]。

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[3,4]。

2007年12月26日宋健院士在致谭暑生教授的信中写道[5]：“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c 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 (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T 。

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v 与当地声速c 的比值的Mach 数（M =/v c ），U n Re g i s t e r e d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v =1078km/h [6]，对应M =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8.8×105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22f x ¶¶+22f y ¶¶=21c 22f t ¶¶ 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2f Ñ=222f a t ¶¶ (2) 式中2Ñ=22x ¶¶+22y ¶¶+22z ¶¶，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 2y Ñ=21v 22t y¶¶ (3) 式中v =，而e 、m 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[7]。

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f 和流函数y ；当气流速度低时平面流动中视气流密度r 为常量，并以Laplace 方程描写2维流动：22x f ¶¶+22y f ¶¶=0 (4) 22x y ¶¶+22y 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r 应视为变量，可压缩流体．．．．．作平面无旋流动时的基本方程为[8] U n R e g i s t e r e d22(1)x v c -22x f ¶¶22x y v v c -2x y f ¶¶¶+22(1)y v c -22y f ¶¶=0 (6) 22(1)x v c -22x y ¶¶22x y v v c -2x y y ¶¶¶+22(1)y v c -22yy ¶¶=0 (7) 显然，若c →¥，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22(1)v c-，但并未出现“声速c 不能超过”的情况。

理想流体的可压缩流有多种解法，其中之一是扰动线化法。

参考直匀流的情况，规定来流的流速为v ¥，声速为c ¥，Mach 数为M ¥；那么位（势）垒方程经处理和线化后，在2维流动条件下可得2(1)M ¥-22x f ¶¶+22y f ¶¶=0 (8) 线化过程中限定M ¥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 ¥<1，2(1)M ¥->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 ¥>1，2(1)M ¥-<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。