速度研究的科学意义

黄志洵l

（中国传媒大学信息工程学院，北京100024）

摘要：科学技术的发展史其实就是不断改进和提高速度的历史，因为更高速度表示可以用更少时间克服更大距离。本文突出了在航天时代加快航天器速度的迫切需要。指出近年来多国科学家进行的超光速研究极大地促进了对速度问题的探索。

波动是物质运动的独特表现形式，目前对波速度要有新认识。波速研究是波科学探索的一个重点和突破口。本文认为超前波存在，而负波速是超光速的一种特殊形态。我们对波科学中的群速公式作重新推导和阐述，证明2000年的WKD负群速实验并非“在计算上有错误”，指出这个问题也关系到对超前波和因果性的理解。

关键词：速度；超光速；负波速；超前波

1  引言

速度是联系时间与空间的物理量。更高速度表示为克服同样距离人类所花费的时间代价更小，故高速度是科学发展和社会进步的标志。奥运会的口号“更高、更快、更强”，这“更快”主要体现在一些竞赛项目里，例如赛跑、竞走、游泳。现在跑百米的最好成绩是9.63s，这意味着平均速度=10.38m/s。跑马拉松的最好记录是2小时1分，即121min=7260s，而距离是42km；故平均速度21km/h=5.8m/s。……交通运输领域当然追求高速度，例如中国高铁达到=350km/h。2018年有报道说，中国研究团队对高速飞机作风洞测试，该飞机从北京飞到纽约只用2h。不久前美国太空探索技术公司宣布说，他们有一个用火箭实施城际旅行的构想，目标是从一地到另一地所需时间不超过1h。

上述速度数据给我们有益的启示，例如知道世界上最好的马拉松运动员的成绩，其平均速度是最好短跑运动员平均速度的54%；中国高铁的速度是马拉松冠军跑出的平均速度的17倍；等等。本文将提供自然界、航天技术中的许多有意思的数据。

速度研究涉及一些理论问题。例如，速度定义以Newton力学为基础，是一个宏观概念；那么该定义是否可以用来描写微观粒子（如电子、质子、光子、中微子）的运动？人们发现，实际情况是照常使用，那么这是否与Heisenberg测不准关系式（不确定性原理）产生矛盾？又如，波动速度（velocity of waves）的概念与物体速度有何区别，为什么前者中的“负速度”并不一定表示“运动方向相反”？再如，对物理相互作用的速度应如何认识？量子纠缠态的超光速传播速度又说明了什么？如此等等。……虽然笔者于2017年发表过一篇文章“对速度的研究和讨论”^[1]，但还有再作论述的必要。

本文首先讨论自然界的各种速度和人为干预后高速度的数据和变化，突出叙述在今天这个大航天时代的人类努力及成就。讨论的次序为：宏观物质速度，微观粒子速度，波动速度。我们对著名的WKD实验的理论计算再作分析，并延伸到与因果律（因果性causality）的有关讨论。限于篇幅，本文省略了对物理作用速度和量子纠缠态传播速度的叙述，虽然那是非常令人感兴趣的领域。

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