電可以跑得比光快，這是真的嗎？
今年春節，探測到引力波的報道成為大新聞。美國的激光干涉引力波天文台（LIGO）公布了觀察到GW150914引力波信號，頻率在0.2秒內從35赫茲迅速增加到150赫茲。
LIGO的示意圖
一個世紀以前，美國科學家邁克爾遜為了遜檢驗雙程光速是否不變，設計了這個光學干涉儀，實驗結果促進愛因斯坦建立了狹義相對論。後來，邁克爾遜還做過不等臂的干涉實驗。令人興奮的是，大尺度的M-M干涉儀在現代探測引力波實驗中大顯神威。
非常有趣的是：去年我與復旦大學研究生廖康佳做過一個小尺度的電學的不等臂環路的M-M實驗。通過實驗，我們發現，在特定的電路參數條件下，交流電的速度可超光速20倍以上。當然，我們承認，在大多數情況下，交流電的速度是低於光速的。
張操
我們的實驗
當交流電源連接上導線和負載（電阻）以後，因為金屬導線中存在大量電子，在導線中的交變電場的速度是可以測定的。下面是我們實驗的示意圖。在示意圖中，我們用箭頭線的長度來表達交變電場的速度。（如果用箭頭線代表光速，長度僅僅0.3厘米）。另外，我們用時鐘指針5分鐘代表1納秒。
導線中的小人代表電子，它們跑的速度很慢，每秒不到1毫米。如果交流電源的頻率是1MHz, 那麼一個周期的時間是1微秒。上圖中畫出的是前半個周期（0.5微秒）的電場方向以及電流方向。交變電場帶動了電子，產生了電流以及電功率。
張操的實驗示意圖
實驗說明
圖中顯示了並聯的二個RL電路。
R1=R2是1M歐姆的電阻，它們是示波器的輸入阻抗。
L1以及L2不是獨立元件的電感。
它們代表由單根導線總長度的電感。
導線L1的長度為0.8米，L2的長度為6.8米。
下圖是我們在示波器上的實驗結果的一個顯示。
紅線代表短導線迴路的1M 歐姆電阻上的電壓 Vs 時間；蘭線代表長導線迴路的1M 歐姆電阻上的電壓 Vs 時間。右下角顯示時間差是 500ps = 0.5ns。它達到了示波器的精度。所以我們保守地取測量到的時間差為1納秒。
關於這個實驗中測量到的1納秒的時間差的物理原因，我們認為是由於二路導線長度不同，對應於分布電感不同。所以，交變電場的速度 v = dl/dt (長度差/時間差)，實驗結果是交變電場的速度超光速20倍。
上圖的正弦曲線代表了電壓 Vs 時間，它是由於示波器的掃描把電壓變化在水平方向展示出來。交變電場是有相位的；上圖的正弦曲線不代表交變電場是波。 因為實驗中，我們採用了單頻，交變電場的速度即使說成是相速度，那麼它也是群速度。更加重要的是，它代表了能流速度，即電功率速度。
我們實驗的出發點是電阻-電感（RL）交流電路的電壓方程，其中包含了歐姆定律。
U (t ) = I (t ) R + L dI (t )/dt
這個方程是得到大量實驗充分證明了的。它比傳輸線理論更加基礎，更加可靠。我們的實驗結果是這個 RL 交流電路的電壓方程的推論。
傳輸線理論是有條件限制的。傳輸線主要結構型式有平行雙導線、平行多導線、同軸線等。它的特點是平行雙導線的長度大於工作波長，平行雙導線之間的間距一般小於1.0厘米。在這樣的條件下，平行雙導線之間的分布電容不能忽略，從而傳輸線理論對於這樣的電路條件有效。作為傳輸線理論的推論，電壓波在阻抗不匹配的電路會出現反射等現象。對於2MHz 的交變信號，對應的工作波長是150米。
不同於傳輸線理論的電路條件，我們的實驗有如下幾個特點：
(1) 由單根漆包銅線構成迴路，單根漆包線的總長度小於10 米；
(2) 構成電路迴路的線間線間距離大於3厘米，導線間的分布電容可以忽略；
(3) 我們選用交變電信號的工作頻率小於3 MHz。工作頻率越低，效果越好。僅僅是為了容易在示波器上顯示，我們選用交變電信號的工作頻率在1~2 MHz。
(4) 在電路迴路中，1M歐姆的電阻是示波器的輸入阻抗。L1以及L2不是獨立元件的電感，它們是導線的分布電感。電感量與導線長度正相關（不是正比）。
電感的感抗代表反抗電流變化的程度。由於電感的感抗，造成了大電阻上電壓的時間延遲，而且長導線比短導線時間延遲要多些。
對於在實驗室內的小尺度電路實驗，研究電路的專家經常採用集總元件電路模型，這個電路模型是不計算導線長度的。集總元件電路模型不考慮導線長度，其實它隱含了一個假定：交變電信號在導線中的速度是無窮大。所以我們的實驗結果表明，在特定條件下交變電信號在導線中的速度超光速20倍以上，這不僅是合理的，而且也是對集總元件電路模型的改進。
在RL 交流電路的電壓方程中，包含了歐姆定律，它獨立於麥克斯韋方程組，從而與相對論沒有相關性。所以，交變電場的速度可能超光速，它不受相對論的約束。或者說，狹義相對論不適用於電路。
因為這個實驗是中國原創的實驗，又有重大的科學意義，所以，我在這裡向中國的科學界呼籲：請有條件的實驗室作為一個重要的科研項目，進行更多的條件試驗和改進，並且在理論上進一步的研究。
樊京博士在南陽理工學院的實驗室重複了我們在復旦大學的實驗。他評論說：首先要確定實驗測量的正確性，然後再討論理論解釋的正確性。不能把兩個討論混為一談。根據樊京的重複測量，他指出實驗測量沒有問題。現在示波器的時間解析度可以輕鬆達到0.5 ns (納秒)。有些人認為幾十納秒的時間差測不準，這是上個世紀的概念。
我們的實驗結果雖然是可靠的，可是還需要更加多的條件試驗以及理論討論。目前我們關注的是這個實驗效應的科學意義，還談不上應用。我們希望與電路專家和電磁學專家一起共同研究，爭取為電路理論以及物理學的發展提供新途徑。
問答時刻
問
您的主要實驗設備，與探測引力波的干涉儀，可算是「師出同門」嗎？
引力波實驗是比較兩個光信號，我們的實驗是比較兩個電信號。
張操
您的實驗，操作起來容易嗎？中小學生可以嘗試重複嗎？
這個實驗，一般需要熟悉示波器的大學生來操作。有一定電學基礎的中學生，經過培訓，應該也能完成。這個實驗成本低，易重複。
交流電若真能達到超光速，其應用價值何在？
目前還談不上如何應用。但是，對於現在的電路理論，它可能打開了另一扇窗。普遍上，人們認為電的速度永遠不可能超過光速。僅塞爾維亞裔美籍發明家尼古拉·特斯拉（即世界上第一台實用交流發電機的發明人），天才地設想過交流電的速度可能超光速。
那麼，能讓人回到過去的時間機器，就有了產生的可能了吧？
時間有多種定義。相對論里的時間定義，僅僅是時間的一種定義。我們人類虛擲光陰也好，爭分奪秒也罷，抑或是度日如年，那都是真實的時間，是時間的另一種定義。所以，即便有超光速，真實的時間依然是單向的。
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