試論Tesla標(biāo)量波

黃志洵

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

1 引言

著名發(fā)明家、電工專家Nikola Tesla (1856-1943)是東歐人，1884年來到美國，先在著名的T.Edison(1847-1931)手下工作。后來單獨研究，在交流發(fā)電、磁學(xué)、無線電通信等方面做出成績。1891年發(fā)明Tesla線圈，后又提出了標(biāo)量場。……為了紀(jì)念這位曾經(jīng)作出巨大貢獻的科學(xué)家、發(fā)明家，在國際計量單位制(SI)中，磁通量密度、磁感應(yīng)強度的單位定為特[斯拉]，用T表示——1T=1Wb/m2，意思是1韋伯(Wb)的磁通量均勻而垂直地通過1m2面積的磁通量密度，就是1特。這是SI導(dǎo)出單位，1960年在第11屆國際計量大會(CGPM)上獲得通過。……大家都知道，科學(xué)家的姓氏能用在基本的單位制中是了不起的事；然而更讓人驚訝的，近年來西方國家的科學(xué)界有一種意見說，Tesla有某些卓越貢獻一直被忽視了，今天有重新發(fā)掘、實驗和應(yīng)用的必要。在這當(dāng)中特別提到標(biāo)量波(scalar waves)[1，2]。那么舊事重提的意義是什么呢？2001年K.Meyl[1]說：“本文表明通常被忽略的標(biāo)量波由于特殊的性質(zhì)在信息和能源技術(shù)方面的實際應(yīng)用是非常有趣的。通過實際的實驗支持數(shù)學(xué)和物理上的推論。演示如下：(1)電能的無線傳輸；(2)接收機對發(fā)射機的反作用；(3)大約10個單位自由能量；(4)標(biāo)量波的傳輸具有1.5倍光速；和(5)使用法拉第籠(Faraday cage)來屏蔽標(biāo)量波無效。”而在2011年H.Mills[2]說(文章題目是“Tesla的標(biāo)量場仍在聚束發(fā)射”)：“Nikola Tesla是現(xiàn)代化之父，他發(fā)明的無線電、交流電、感應(yīng)電動機開啟了文明進程。其中包括無線能量傳輸技術(shù)，由于產(chǎn)生標(biāo)量波(縱向波)，他能實現(xiàn)超光速通信，發(fā)送信號可通過任何物質(zhì)到達接收機。2011年3月24日的IEEE學(xué)術(shù)會議上(加拿大Ontario省的McMaster大學(xué))，研究人員Steve Jackson演示和說明了標(biāo)量波發(fā)射機和接收機(scalar wave transmitter and receiver)，在20呎(6.1m)外驅(qū)動了一個與接收機相聯(lián)的小電扇，重現(xiàn)了Tesla的技術(shù)”。

這就引起了人們的興趣。本文是筆者根據(jù)一些資料所作的評述，目的是使國內(nèi)知道有這樣的一種動向。當(dāng)然，最好先閱讀Tesla的兩件專利[3，4]的原文，然后再寫。然而朋友們推動筆者先作些介紹，并提出自己的評論，以供研究人員參考；我們就這樣做了。筆者將在“文獻[1，2]所述實驗存在”的假定下嘗試作一些理論上的解釋。

2 關(guān)于Tesla標(biāo)量波的原理和內(nèi)容

Konstantin Meyl是德國研究人員，曾在1996年～2002年間就Tesla波寫過幾本書。他在2001年的講座[1]中演示了5個實驗，地點是在荷蘭的阿姆斯特丹(Armsterdan)。如上所述2011年在加拿大又有人作演示和講座，似乎說明一些實驗具備可重復(fù)性。……Meyl說，“這里介紹不同尋常的科學(xué)：5個實驗不符合教科書上的物理學(xué)。在我簡短的講座之后我會展示縱向電磁波的傳輸。這是一個歷史性的實驗，因為100年前，著名的實驗物理學(xué)家Tesla和我測量到相同的波動性。能量的無線傳輸專利源自于他必須找出比發(fā)射機產(chǎn)生的能量更多的能量到達接收機，他曾談到‘放大發(fā)射機’(magnifying transmitter)。”

上述說法是不嚴(yán)謹?shù)模驗槟芰渴睾闶遣荒苓`反的物理定律。如討論“功率”(power)就更為恰當(dāng)，因為功率可以放大而能量不能放大。因此說“He find out that much more energy arrives the receiver than is taken up by the transmitter”，就令人費解。

Meyl所說的“Tesla radiation”究竟是什么？什么是Tesla標(biāo)量波所依據(jù)的物理量？為弄清這點先看文獻[1]怎樣擺弄Maxwell方程。該文Fig.1[“波方程的矢量部分(由Maxwell方程組導(dǎo)出)”]的結(jié)果為

現(xiàn)在我們思考上述表達方式的合理性。Maxwell第一定律為

由此出發(fā)再取旋度：

但Maxwell第二定律為

代入后可得：

由矢量代數(shù)公式，上式改寫為

式中ρ是體電荷密度；若空間中無體電荷(ρ=0)，沒有傳導(dǎo)電流，則有

這是電磁波(Hertz波)的基本方程；在真空中ε=ε0、μ=μ0，故有

這里并不是要求Meyl既是實驗家又是電磁理論專家，而是想弄清楚Tesla輻射(Tesla波)究竟是什么，否則就不具備討論的條件。

Mills[2]指出，通常的無線電波和光波是橫波。與橫波不同，標(biāo)量波的振幅不上下起伏；它更像在傳播方向的電勢擴展振動，總之振蕩不在與運動垂直的方向。“標(biāo)量波的性質(zhì)較為奇特，能穿透任何固體物質(zhì)。例如可把發(fā)射機放在厚金屬板制成的盒子里，接收機在盒外也能收到標(biāo)量波。故它可穿透地球?qū)崿F(xiàn)通信。”另外，它可以傳送功率，故可驅(qū)動各種設(shè)備。總之，“標(biāo)量波能做許多橫波無法做的事情”。Tesla的那些專利，研究人員要學(xué)習(xí)的關(guān)鍵性元件是標(biāo)量波系統(tǒng)的天線，它是薄煎餅狀的扁平線圈，有初級、次級繞組。繞圈連接于球狀金屬諧振器，它有助于發(fā)射和接收標(biāo)量波。

Mills[2]文章內(nèi)有3個圖，F(xiàn)ig.1是照片(“receiver station”)；Fig.2是照片看不清楚；Fig.3是S.Jackson演示所用的系統(tǒng)(標(biāo)示“resonant circuit with open capacitor”)，我們轉(zhuǎn)錄之，見圖1，圖中顯示在發(fā)送端、接收端各有一個大的金屬環(huán)圈，即Tesla coil；從照片看它是用銅線(或空心銅管)繞制而成的，尺寸較大，呈扁平狀(4匝平列)。這個coil是否制作得好或許是實驗成功的關(guān)鍵之一。

圖1 2011年3月24日用作演示的實驗系統(tǒng)

無論Meyl對Maxwell方程組的理解正確與否，他的論述方式起碼證明一點：Tesla標(biāo)量波是被當(dāng)作一種電磁現(xiàn)象而研究的；這就與Internat上的某些奇談怪論和有的書(例如[5])的東拉西扯劃清了界限。Mills[2]的文章說：“甚至NASA也對標(biāo)量波給予一定的關(guān)注，D.S.Alexander[6]的文章作了評述。……有意思的是，文章討論了Maxwell方程組是怎樣特許標(biāo)量波(縱向波)的。”(Interestingly，the paper also discusses how Maxwell equations specifically allowed for scalar waves)。實驗技術(shù)中采用大環(huán)式線圈做發(fā)送天線、接收天線，也表明現(xiàn)在處理的只是一個電磁過程。故筆者對Mills的下述說法感到難以理解；他說：“這種波不是電磁的，而由純勢能組成，故光速限制對它不起作用。測量表明標(biāo)量波以超光速傳播，有的研究人員考慮其速度是無限大”(These waves are claimed not to be electromagnetic，but composed of pure potential energy.Due to this，the speed of light limit does not apply to them.The propagation speed of a scalar wave has been measured as faster than light and thought by some researchers to be potentially of infinte velocity)。如確實如此當(dāng)然很好，但目前的根據(jù)尚不足以令人信服。以聲波為例，它是縱波的事實并未使它自動獲得高速度。

3 關(guān)于縱波

如所周知，橫波是振動方向與傳播方向垂直的波，實例如水面波、電磁Hertz波；縱波是振動方向與傳播方向平行的波，實例如聲波。有時二者共生共存，例如聲波可能帶有橫波成分(但衰減快)。聲波這樣的縱波也稱為疏密波。另外，流體(氣體、液體)只傳播縱波，而固體對兩種波都能傳播。

為了解縱波的特性，這里先對作為縱波的聲波和作為橫波的電磁波作比較，依托的器件是波導(dǎo)(waveguide)。聲波在聲波導(dǎo)中傳播時有不同的模式，在各個橫截面上有不同的分布。各模的傳播速度不同并與頻率有關(guān)(色散)，造成聲信號在波導(dǎo)中傳播時的失真。不但如此，各模有不同的截止頻率(cutoff frequency)，只有高于該頻率的聲波才能傳輸，低于截頻的聲波會有很大衰減，稱為消失波(evanescent waves)。此外，存在著一種基模(basic mode)，它沒有截頻，或說fc=0(c代表cutoff)，是無色散的傳輸。而在這種聲波導(dǎo)(對應(yīng)電技術(shù)中的TEM傳輸線)中，任何頻率的聲波都能傳送[7]。

這些情況與微波技術(shù)中的波導(dǎo)(基本形態(tài)是矩形截面或圓截面的金屬管)中的狀態(tài)[8]，不僅相似，甚至幾乎完全相同。這就表示作為縱波的聲波，其物理表現(xiàn)和規(guī)律，與作為橫波的電磁Hertz波，是相似的。不應(yīng)把縱波傳播看成是古怪的東西。當(dāng)然在微波波導(dǎo)中的常見波型(模式)都是橫波，例如TM模(橫磁模)，TE模(橫電模)，因此過去人們很少考慮縱波。

假定有一根柱波導(dǎo)沿z軸放置(z為傳播方向)，波導(dǎo)橫截面為矩形，故在取直角坐標(biāo)系時xy為橫截面坐標(biāo)。在微波技術(shù)中人們非常熟悉的波導(dǎo)中的波模見表1，一般情況下只有橫波(橫電波TE或橫磁波TM)。1946年V.Vvedensky和A.Arenberg[8]認為波導(dǎo)中有存在縱波的可能，并用專章作了討論，其中表3(“矩形波導(dǎo)內(nèi)的縱波”)給出了詳盡的場分布等情況，不過未提供計算或?qū)嶒灥玫降臄?shù)量概念。我們知道波導(dǎo)是1936年發(fā)明的，到專著[8]出版只有10年，缺少這方面的數(shù)據(jù)是很自然的。筆者很早就研究波導(dǎo)并有許多著作[9-14]，但未注意縱波。現(xiàn)在只能說，在正常的波導(dǎo)傳輸中它不引人注目，即使存在其幅度很小。不管怎么說，在Maxwell電磁理論體系中有縱波的地位，這一點無可懷疑。表1中也列出了可能存在的縱波與經(jīng)典的矩形波導(dǎo)波型(模式)的關(guān)系。

所有波都攜帶能量：例如作為橫波的水面波，既有動能也有勢能。波的能量從根本上說來自波源。這些情況對縱波而言也一樣；但有的文獻說Tesla標(biāo)量波的能量“來自真空”，而且是源源不斷的巨大源頭，這不僅令人費解，其實是概念混亂。眾所周知溫度是標(biāo)量，在大尺度的大氣現(xiàn)象中可能形成溫度的規(guī)則性波動，這種溫度波是標(biāo)量波。通常的電磁波(Hertz波)是電磁波的波動，是矢量波。標(biāo)量波并無特殊之處，縱波也是如此。由于某種波是縱波、標(biāo)量波就說它很特別，是不能成立的。量子真空概念、零點能概念是現(xiàn)代物理學(xué)中的重要內(nèi)容，但用在這里并不恰當(dāng)。

表1 矩形截面金屬壁柱波導(dǎo)中的波型

但我們并不是說縱波、標(biāo)量波沒有值得研究的特性。文獻[7]第25頁的圖6指出，當(dāng)固體中的縱聲波向界面入射(例如從玻璃射向有機玻璃)，發(fā)射橫波和發(fā)射縱波的發(fā)射角不同，折射橫波和折射縱波的折射角不同。實際上，一個入射波會造成兩個反射波、兩個折射波就是很有意思的。

4 關(guān)于Aharonov-Bohm效應(yīng)[15]

圖2 Aharonov-Bohm實驗示意

標(biāo)量場被稱為“零矢量電磁場”，這是有意思的說法。有關(guān)研究從Aharonov-Bohm效應(yīng)那里得到了支持，主要是認為在沒有電力線、磁力線的空間(沒有電磁場的空間)，也有某種物理作用存在。這確實是一個值得深思的問題。……前面我們提到“非局域性”(non-locality)，這本來是一個量子力學(xué)術(shù)語，非局域性的一個特征便是超光速性[16]。由此出發(fā)的思考表明，不能認定Tesla標(biāo)量波根本不可能有超光速現(xiàn)象。實際上，筆者曾在多個著作中[17，18]介紹和論證了在傳統(tǒng)的Hertz電磁波中可能出現(xiàn)超光速的情況——橫波可以有，作為縱波的Tesla波為何不能有？但這并不是縱波帶來的，而是無力空間中的自然結(jié)果。這有點像量子理論中的糾纏態(tài)(entangled states)，它也是一種非力作用；近年來由于瑞士物理學(xué)家Gisin率領(lǐng)的團隊的工作，已由實驗證明量子糾纏作用以超光速傳遞[19]。或許Tesla波與此類似？

5 關(guān)于近場解釋與中微子解釋

N.Tesla去世已有70年。對前輩科學(xué)家的思想和業(yè)績后人應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)和發(fā)揚，但必須建立在科學(xué)可信的基礎(chǔ)上。文獻[1]有一小節(jié)“近場解釋”引起了筆者的注意，其中Meyl說：“在天線近場區(qū)已測到一些效應(yīng)，一方面令人費解，這是因為他們回避通常使用的場理論；另一方面，通過我展示的標(biāo)量波效應(yīng)，是非常接近的。”又說：“在我的實驗中，發(fā)射機位于不可思議的近區(qū)。此外，Tesla總是在近區(qū)工作”。Meyl認為一個Hertz波天線的近區(qū)場也是標(biāo)量縱波場(the fields in the near zone of a Hertzian dipde are also longitudinal scalar wave fields)，他還用渦旋(vortices)對振子天線的脫離過程作解釋。

Meyl的這些陳述引起了筆者的注意和興趣，因為近年來對天線近區(qū)場的研究(限于橫波)不斷有新的發(fā)現(xiàn)。1999年W.Walker[20]用理論計算證明在近場電磁波可能以比光速大許多倍的速度傳播，但在r=λ時降為光速。2009年N.Budko[21]以理論和實驗證明，矢量電磁場的近場、中場電力學(xué)比簡單的理解(由內(nèi)向外傳播)要復(fù)雜得多，在近區(qū)甚至可能出現(xiàn)波的反時間行進(travel back in time)，即發(fā)現(xiàn)了近場區(qū)存在負波速(negative wave velocity，NWV)現(xiàn)象。2012年樊京[22]報道了采用磁偶極子(環(huán)天線)時的實驗結(jié)果，認為發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)超光速現(xiàn)象。2013年黃志洵[23]把天線近區(qū)場與消失場(evanescent fields)作比較研究，結(jié)果認為天線近區(qū)場具有類消失場(evanescent fields-like或quasi-evanescent field)特性，認為這是認識近區(qū)場超光速現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。而且提出應(yīng)當(dāng)重視“能量從場返回源”的問題，而不是像過去習(xí)慣的作法(僅關(guān)注從源供給場的能量的流動)。這是很復(fù)雜的，因為涉及對Wheeler-Feynman超前波(advanced waves)的理解。……上述所有情況，都可以在研究Tesla波時作為參考。

Meyl說實驗已證明金屬的法拉第籠(Faraday cage)不能阻礙Tesla波的傳播，而且他又用中微子(neutrinos)來類比和解釋。文獻[1]說：“由于伴隨高頻振蕩產(chǎn)生的具有粒子性質(zhì)的漩渦一直改變它們極性從正到負，一般來說，它們沒有電荷隨時間推移。結(jié)果，它們能夠幾乎不受阻礙的穿透固體。具有這個性質(zhì)的粒子在物理學(xué)中稱為中微子。根據(jù)這個屬性，在我的實驗中所收集的場能量源于我們周圍的中微子輻射。因為這種輻射源不論是人造的還是自然的都是一樣的，都是遠離接收機的，所以應(yīng)用近場來解釋是錯誤的”。這似乎是說，若發(fā)射機與接收機靠得近，Tesla波的性質(zhì)可用近區(qū)場特性解釋；那么距離遠了怎么辦？可用中微子來解釋。他甚至在說在自己實驗中“能量來自周圍的中微子輻射”，說法大膽而根據(jù)不足。……

中微子是無處不在、但又難以捉摸的、極微小的亞原子粒子。據(jù)估計，每秒有1012個中微子穿過人體。由于它與物質(zhì)幾乎完全不發(fā)生相互作用(或者說它只參與弱相互作用)，不僅人們感覺不到它的存在，要對它作實驗研究也很困難。中微子不帶電荷，亦沒有磁性，因而對它的探測不是電磁學(xué)方法；例如可以利用它與氫原子核碰撞時發(fā)生閃光的現(xiàn)象，用光電倍增管放大和計數(shù)。

中微子在超光速研究中扮演重要角色，因為一直有理論和實驗上的預(yù)期——中微子以超光速飛行；中國科學(xué)家也發(fā)表過許多文章[24-28]。Meyl等人大概是根據(jù)Tesla波的兩個性質(zhì)(穿透性、超光速性)而與中微子作類比的，但所說的超光速確定方法(兩個頻率之比)尚不足以作為鐵證；對此我們暫不評論。如果Tesla本人早在20世紀(jì)初即認為他提出的方法可以實現(xiàn)超光速傳播和通信，那當(dāng)然是非常有意思的!

6 結(jié)束語

以上內(nèi)容是筆者根據(jù)正規(guī)文獻(論文或書籍)而作的評述，沒有引用互聯(lián)網(wǎng)上的不署名文章。我們現(xiàn)在提出如下看法；首先，科學(xué)史實表明確有某個理論、某個實驗或某個觀點從提出到受重視經(jīng)歷了幾十年之久的情況，但好像還沒有經(jīng)歷百年(或百年以上)才使遠見卓識“出頭”的先例。其次，既然在歐洲、美國、加拿大都有人作了當(dāng)眾表演，而且演講者亦非為了突出自己而是說要重視先輩(N.Tesla)的科學(xué)思想和業(yè)績，我們現(xiàn)在給以關(guān)注和重視也是合乎情理的。再次，過去在電子學(xué)和信息工程發(fā)展中，只注意應(yīng)用橫波而忽略了縱波，確實欠妥；今后有必要研究利用縱波的可能性；因此，對Tesla波的討論無論如何是有啟發(fā)性的和有益的。最后，關(guān)于Tesla標(biāo)量波以超光速傳播的可能性，應(yīng)當(dāng)說是存在的；但其物理機制尚有待闡明，而更重要的是要有可靠、可信的實驗。有的說法很值得商榷——“Tesla標(biāo)量波可以做電磁橫波不能做的事，它以無限大速度傳播”；我們知道某些物理作用(如萬有引力、量子糾纏)開始時常被認為傳播速度是無限大，后來終于弄清楚是超光速傳播(c

致謝：感謝與北京師范大學(xué)曹盛林教授的交流和討論。

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