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研究超光速的美籍华人学者—-张操教授
胡昌伟

今年在科学网上有一篇博文“50年磨一剑:超光速20倍”,其关注度的数据是:热度45,4460次阅读,204个评论,推荐数20。可见该文很吸引科学网读者们的眼球。它的作者就是美籍华人物理学家张操教授。
在物理学界,超光速是个既绕不开,又很难碰的问题。说它绕不开,因为有许多现象显示超光速的存在,比如已经发现有几十个类星体内部子源的视速度存在着超光速;在量子隧道效应和量子隐形传态等实验中存在着超光速;SN1987A超新星爆发后,中微子比光子早到达地球3个多小时等等。然而,大多数物理学家对超光速问题“敬而远之”,因为作为现代物理学两大基础之一的相对论认为:任何物体的运动速度或信号的传播速度都不能超过真空中的光速。因此,研究超光速是有风险的,这需要一种实事求是,大无畏的,敢于反潮流的创新精神。张操教授就有这样的精神,他的这种精神既表现在学术上,也体现在生活中。
张操教授1942年出生,1960-1965年就读于复旦大学核物理专业。在大学三年级时,他与同班女同学董蓓蕾相恋了。当时,大学生不能谈恋爱是一条不成文的潜规则,触犯这条规则是要受到惩罚的。但他俩的恋爱发自内心,真诚、纯洁,他们认为这是神圣的,就坚持了下来。
在大学毕业分配时,他俩受到了实实在在的惩罚:张操被分配到安徽,董蓓蕾被分配到北京。他们的爱情经受了七年分居两地的考验。后来,他们坚贞的爱情打动了董蓓蕾工作单位的军管会主任,是他(军人也有情!)帮助把张操的工作从安徽调到了北京。后来,他俩一起去美国讲学和工作,退休后又双双回上海定居,他俩的婚姻生活可以说是白头偕老,美满幸福。
张操大学毕业踏上工作岗位,正逢“造反有理”的文革时期,他在学术上也造了一次反。当时,学术界认为:河外星系的普遍性红移是多普勒的速度效应,即红移值越高,它们逃离地球的速度就越大。他对此提出了质疑,写了《宇宙学红移的可能解释》一文,并于1974年发表在当时国内唯一的一家物理学杂志《物理》上,并引起了一些讨论。
当时,世界上还没有个人电脑,更没有英特网。可是美国的物理学界有一个收集前沿科研信息的很好的做法,他们办了一个期刊《物理学文摘(Physics Abstract)》,它不仅收集欧美的物理学论文,也关注苏联和中国的物理学论文,有专人负责翻译。张操惊喜地发现,他的论文摘要竟出现在《物理学文摘》上。 估计翻译者是台湾人,他把张操的名字翻译成:“Tsao Chang”。 为了保持科学论文上作者名字的一致性,后来他就一直采用这个英文名字。
1980年,乘中国大地上的改革开放的春风,张操有幸得到了胡耀邦总书记的关心,作为访问学者前往美国进修了近二年。他在办理护照时填写了Tsao Chang这个名字,外交部批准了。大陆人办理出国护照时采用台湾人的英文拼法,张操或许是第一个。到美国以后,很多台湾人以为张操是从台湾去美国的,张操回答说,他是从大陆来的中国人,与台湾人是一家。
张操的第一篇英文论文发表在1979年的欧洲《物理快报》(Physics Letters)上,论文标题的中译是:“各向异性空间中的麦克斯韦方程”。其学术观点是,根据宇宙微波背景辐射的各向异性,可定义一个特殊的惯性系,从而麦克斯韦方程组可以改写成为另外一种形式。这种“定义一个特殊的惯性系”的做法,是带有反潮流性的。当时在中国打字机也很少,他用手写稿向《物理快报》投稿后,对是否能够正式发表把握不大。想不到,他很快收到了该刊物主编的回复,表示接受论文发表。该编辑部还帮助他校正英文,并替他英文打字,论文很快在3个月时间内发表了。回想起来,他很感谢那位主编,因为那篇论文的发表过程几乎是一个奇迹。不仅如此,那篇论文发表以后,就有美国教授邀请他去美国访问,这使张操走出了一条他原来没有设想过的人生道路。同在1979年,他的另外一篇英文论文“超光速研究的一个新途径”发表在英国物理期刊上,这是他对超光速研究的第一篇论文。
在张操的几篇英文论文中,他研究了Tangherlini教授在1959年提出的“推广的伽利略变换”。在这种变换的框架中,可以描述超光速运动的粒子。在美国期间,张操教授与Tangherlini教授有3次互访。大约在1981年,张操教授前去拜访时,Tangherlini教授还带他前去哈佛大学听英国物理学家霍金教授的一场讲座。
在中国与美国,张操教授曾教授过电动力学,近代物理等课程,并兼搞相对论和引力理论的研究,发表研究论文二十多篇。他个人研究的重点一直是超光速问题。在1985年初的一次国际学术会议上,他预言了中微子是超光速粒子。在2000年,他与复旦大学资深教授倪光炯合作研究了中微子超光速的量子方程。
张操教授在美期间,还研究了空间物理学。其中有几年参与了美国太空总署与斯坦福大学合作的大型实验项目:引力探测器B的误差分析。美国的“引力探测器B”卫星项目,耗资7.5亿美元,其目的是为了验证相对论性的“惯性系拖曳效应”导致的陀螺仪自转轴偏转。其角度之小,就好比是从400米远之外去看人的一根头发丝。有人质疑, 花7.5亿美元做这样一个实验值得吗? 张操教授对此有同感。他认为,所谓的科学共同体,在无形中操控了科学研究的话语权和资源分配权,他们热中于花大量人力物力去验证细微的相对论性效应,却冷落了对有前景的超光速研究的投入。
张操教授说:美国的空气好,水好,但我更喜欢中国的文化和生活习惯。2003年,他从美国亚拉巴马州大学退休,就携夫人回上海定居。在中国继续从事物理学研究,并且参加与科学有关的社会活动。他现在是上海市老科协创新委的副主任,也是上海市科普校园行专家讲师团成员。他在许多学校作过科普讲座,很受学生的欢迎。
2011年10月,张操教授的专著《物理时空理论探讨—超越相对论的尝试》由上海科学技术文献出版社出版。2012年6月,张操的科普书《穿越时间可能吗?——PK?<时间简史>》由复旦大学出版社出版,并曾经在上海书展上得到推荐。2012年12月,上海科教电影制片厂为张操拍了科教影视:《探秘时间旅行》。2013年春季,张操在上海复旦大学核科学与技术系任外聘教授。
自古以来,人们对于时间的单向性是公认的。可是,自从1905年以来,相对论的时间定义成为了物理学时间的唯一定义,从此,时间的单向性被歪曲了。在这里,超光速运动成为了禁区,但时间却可以通过“虫洞”被穿越。近几年,宣传时间始于宇宙大爆炸,时间是相对的、虚幻的,时间可以被穿越等等之类观念的大量“科普”和影视作品充斥了市场,误导着青少年。张操教授看在眼里,急在心中,为了坚持时间单向性的自然属性,发扬中华文化的优秀传统,2015年4月,张操教授与他的朋友们在山西临汾市的一所双语学校的校园内建立了“时间公理”教育石碑,上面大书:时间永远是单向流逝的。时间机器不存在,人类利用“虫洞”进行星际旅行是不可能的。
近年来,张操教授与复旦大学研究生廖康佳以及南阳理工学院樊京博士合作,研究交流电可能超光速的实验,颇有收获。他们已经在《现代物理》等学术期刊上发表了“导线中交流电场时间延迟的测定”等论文。其中指出:在特定的电路参数情况下,交变电场的速度可以大大超过光速。这个实验结果表明,狭义相对论是有局限性的,光速不是一切物质运动的极限。张操教授认为,他们的实验结果将打破延续了110年的相对论的理论教条。
张操教授以300年前的意大利科学家伽利略作为他的偶像。他说:“我感到很幸运,能够生活在互联网时代。虽然耳朵聋了,眼睛花了,但我每天可以与网友交流,阅读很多信息,还能进行科学研究。我坚信超光速是存在的。”


张操:超光速可怕吗?

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在物理学界,超光速的研究长期被看成是“旁门左道”,常常是简单地被否定、或者是轻蔑地贬低。受到这种舆论的影响,公众听到
“超光速”,心理上害怕;听到“虫洞”和“穿越”却感到好奇。
其实,“虫洞”和“穿越”远远要比“超光速”不切合实际。
在实验中,物理学家已经发现了许多超光速现象。例如,在反常介质以及光纤中,光的群速度可以超光速;近场的电磁感应速度可以超光速等等。 在1987年, SN1987A超新星爆发时既有中微子又有光子前往地球,中微子到达时间比光子到达时间早了3个多小时。由于这是天文现象,很难肯定中微子是超光速粒子。
中微子与原子的相互作用非常微弱,大部分中微子可以轻易地穿透地球。太阳内部核反应产生了大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。然而,我们一点也不用担心中微子会伤害我们的眼睛。
现在,多数物理学家认为中微子有质量。如果是这样,中微子的速度就不是光速。按照我的研究(有论文为证),中微子是超光速粒子。如果是这样,超光速的中微子就一点也不可怕。
有人说,根据相对论,如果中微子是超光速粒子,时间会发生倒演。那么,这是一种误解。
时间代表万物运动的顺序性,任何单一的物质运动都不能改变时间的的顺序性。任何物理学理论都有一定的适用范围,我们不能因为理论设置的限制,否定实验的事实。
以我们最近研究的交流电的速度为例,我们发现交变电场在金属导线内的速度不是常数,它与电路参数相关。在大多数情况下,交变电场的速度是低于光速的。 可是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。如果是这样,又有什么可怕呢?
这个实验的特点是简单和稳定,已经有多个实验室重复了这个实验。由于金属导线自身的分布电感与长度有关,所以纵向电场的时间延迟与频率以及导线长度有关。在我们的实验中,从时间延迟计算得到的交变电场速度代表导体内的电势能的能流速度,以及电信号的速度。
在交流电路的情况,电源产生的交变电动势直接把电势能和信息以纵场的形式同步地传送给电路的各个部分。这种传送能量的方式与电磁波是完全不同的。
我们的超光速实验结果与Maxwell理论以及电工学没有冲突。
在100年以前,天才的发明家特斯拉设想过,交流电速度可能是超光速的。在特斯拉的年代,技术上不可能测量交流电的速度。现在,我们很高兴地说,特斯拉的设想是正确的。
所以,自然界存在超光速运动,并不可怕。可怕的是受到教条的限制,束博了自己的思想。

参考文献
[1] Zhang, L., Zhan, L., Qian, K., et al. (2011) Superluminal propagation at negative group velocity in optical fibers based on brillouin lasing oscillation. Physical Review Letters, 107, Article ID: 093903.
[2]. 张操,廖康佳,樊京,导线中交流电场时间延迟的测定,Modern Physics 现代物理, Vol.5, 29-36,2015, http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=14804
[3] . 张操,廖康佳,“交变电场速度测量的物理原理”, 《现代物理》,Modern Physics, 2015, 5, 35-39。http://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=14949
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