试论Tesla标量波

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

1 引言

著名发明家、电工专家Nikola Tesla (1856-1943)是东欧人，1884年来到美国，先在著名的T.Edison(1847-1931)手下工作。后来单独研究，在交流发电、磁学、无线电通信等方面做出成绩。1891年发明Tesla线圈，后又提出了标量场。……为了纪念这位曾经作出巨大贡献的科学家、发明家，在国际计量单位制(SI)中，磁通量密度、磁感应强度的单位定为特[斯拉]，用T表示——1T=1Wb/m2，意思是1韦伯(Wb)的磁通量均匀而垂直地通过1m2面积的磁通量密度，就是1特。这是SI导出单位，1960年在第11届国际计量大会(CGPM)上获得通过。……大家都知道，科学家的姓氏能用在基本的单位制中是了不起的事；然而更让人惊讶的，近年来西方国家的科学界有一种意见说，Tesla有某些卓越贡献一直被忽视了，今天有重新发掘、实验和应用的必要。在这当中特别提到标量波(scalar waves)[1，2]。那么旧事重提的意义是什么呢？2001年K.Meyl[1]说：“本文表明通常被忽略的标量波由于特殊的性质在信息和能源技术方面的实际应用是非常有趣的。通过实际的实验支持数学和物理上的推论。演示如下：(1)电能的无线传输；(2)接收机对发射机的反作用；(3)大约10个单位自由能量；(4)标量波的传输具有1.5倍光速；和(5)使用法拉第笼(Faraday cage)来屏蔽标量波无效。”而在2011年H.Mills[2]说(文章题目是“Tesla的标量场仍在聚束发射”)：“Nikola Tesla是现代化之父，他发明的无线电、交流电、感应电动机开启了文明进程。其中包括无线能量传输技术，由于产生标量波(纵向波)，他能实现超光速通信，发送信号可通过任何物质到达接收机。2011年3月24日的IEEE学术会议上(加拿大Ontario省的McMaster大学)，研究人员Steve Jackson演示和说明了标量波发射机和接收机(scalar wave transmitter and receiver)，在20呎(6.1m)外驱动了一个与接收机相联的小电扇，重现了Tesla的技术”。

这就引起了人们的兴趣。本文是笔者根据一些资料所作的评述，目的是使国内知道有这样的一种动向。当然，最好先阅读Tesla的两件专利[3，4]的原文，然后再写。然而朋友们推动笔者先作些介绍，并提出自己的评论，以供研究人员参考；我们就这样做了。笔者将在“文献[1，2]所述实验存在”的假定下尝试作一些理论上的解释。

2 关于Tesla标量波的原理和内容

Konstantin Meyl是德国研究人员，曾在1996年～2002年间就Tesla波写过几本书。他在2001年的讲座[1]中演示了5个实验，地点是在荷兰的阿姆斯特丹(Armsterdan)。如上所述2011年在加拿大又有人作演示和讲座，似乎说明一些实验具备可重复性。……Meyl说，“这里介绍不同寻常的科学：5个实验不符合教科书上的物理学。在我简短的讲座之后我会展示纵向电磁波的传输。这是一个历史性的实验，因为100年前，著名的实验物理学家Tesla和我测量到相同的波动性。能量的无线传输专利源自于他必须找出比发射机产生的能量更多的能量到达接收机，他曾谈到‘放大发射机’(magnifying transmitter)。”

上述说法是不严谨的，因为能量守恒是不能违反的物理定律。如讨论“功率”(power)就更为恰当，因为功率可以放大而能量不能放大。因此说“He find out that much more energy arrives the receiver than is taken up by the transmitter”，就令人费解。

Meyl所说的“Tesla radiation”究竟是什么？什么是Tesla标量波所依据的物理量？为弄清这点先看文献[1]怎样摆弄Maxwell方程。该文Fig.1[“波方程的矢量部分(由Maxwell方程组导出)”]的结果为

现在我们思考上述表达方式的合理性。Maxwell第一定律为

由此出发再取旋度：

但Maxwell第二定律为

代入后可得：

由矢量代数公式，上式改写为

式中ρ是体电荷密度；若空间中无体电荷(ρ=0)，没有传导电流，则有

这是电磁波(Hertz波)的基本方程；在真空中ε=ε0、μ=μ0，故有

这里并不是要求Meyl既是实验家又是电磁理论专家，而是想弄清楚Tesla辐射(Tesla波)究竟是什么，否则就不具备讨论的条件。

Mills[2]指出，通常的无线电波和光波是横波。与横波不同，标量波的振幅不上下起伏；它更像在传播方向的电势扩展振动，总之振荡不在与运动垂直的方向。“标量波的性质较为奇特，能穿透任何固体物质。例如可把发射机放在厚金属板制成的盒子里，接收机在盒外也能收到标量波。故它可穿透地球实现通信。”另外，它可以传送功率，故可驱动各种设备。总之，“标量波能做许多横波无法做的事情”。Tesla的那些专利，研究人员要学习的关键性元件是标量波系统的天线，它是薄煎饼状的扁平线圈，有初级、次级绕组。绕圈连接于球状金属谐振器，它有助于发射和接收标量波。

Mills[2]文章内有3个图，Fig.1是照片(“receiver station”)；Fig.2是照片看不清楚；Fig.3是S.Jackson演示所用的系统(标示“resonant circuit with open capacitor”)，我们转录之，见图1，图中显示在发送端、接收端各有一个大的金属环圈，即Tesla coil；从照片看它是用铜线(或空心铜管)绕制而成的，尺寸较大，呈扁平状(4匝平列)。这个coil是否制作得好或许是实验成功的关键之一。

图1 2011年3月24日用作演示的实验系统

无论Meyl对Maxwell方程组的理解正确与否，他的论述方式起码证明一点：Tesla标量波是被当作一种电磁现象而研究的；这就与Internat上的某些奇谈怪论和有的书(例如[5])的东拉西扯划清了界限。Mills[2]的文章说：“甚至NASA也对标量波给予一定的关注，D.S.Alexander[6]的文章作了评述。……有意思的是，文章讨论了Maxwell方程组是怎样特许标量波(纵向波)的。”(Interestingly，the paper also discusses how Maxwell equations specifically allowed for scalar waves)。实验技术中采用大环式线圈做发送天线、接收天线，也表明现在处理的只是一个电磁过程。故笔者对Mills的下述说法感到难以理解；他说：“这种波不是电磁的，而由纯势能组成，故光速限制对它不起作用。测量表明标量波以超光速传播，有的研究人员考虑其速度是无限大”(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)。如确实如此当然很好，但目前的根据尚不足以令人信服。以声波为例，它是纵波的事实并未使它自动获得高速度。

3 关于纵波

如所周知，横波是振动方向与传播方向垂直的波，实例如水面波、电磁Hertz波；纵波是振动方向与传播方向平行的波，实例如声波。有时二者共生共存，例如声波可能带有横波成分(但衰减快)。声波这样的纵波也称为疏密波。另外，流体(气体、液体)只传播纵波，而固体对两种波都能传播。

为了解纵波的特性，这里先对作为纵波的声波和作为横波的电磁波作比较，依托的器件是波导(waveguide)。声波在声波导中传播时有不同的模式，在各个横截面上有不同的分布。各模的传播速度不同并与频率有关(色散)，造成声信号在波导中传播时的失真。不但如此，各模有不同的截止频率(cutoff frequency)，只有高于该频率的声波才能传输，低于截频的声波会有很大衰减，称为消失波(evanescent waves)。此外，存在着一种基模(basic mode)，它没有截频，或说fc=0(c代表cutoff)，是无色散的传输。而在这种声波导(对应电技术中的TEM传输线)中，任何频率的声波都能传送[7]。

这些情况与微波技术中的波导(基本形态是矩形截面或圆截面的金属管)中的状态[8]，不仅相似，甚至几乎完全相同。这就表示作为纵波的声波，其物理表现和规律，与作为横波的电磁Hertz波，是相似的。不应把纵波传播看成是古怪的东西。当然在微波波导中的常见波型(模式)都是横波，例如TM模(横磁模)，TE模(横电模)，因此过去人们很少考虑纵波。

假定有一根柱波导沿z轴放置(z为传播方向)，波导横截面为矩形，故在取直角坐标系时xy为横截面坐标。在微波技术中人们非常熟悉的波导中的波模见表1，一般情况下只有横波(横电波TE或横磁波TM)。1946年V.Vvedensky和A.Arenberg[8]认为波导中有存在纵波的可能，并用专章作了讨论，其中表3(“矩形波导内的纵波”)给出了详尽的场分布等情况，不过未提供计算或实验得到的数量概念。我们知道波导是1936年发明的，到专著[8]出版只有10年，缺少这方面的数据是很自然的。笔者很早就研究波导并有许多著作[9-14]，但未注意纵波。现在只能说，在正常的波导传输中它不引人注目，即使存在其幅度很小。不管怎么说，在Maxwell电磁理论体系中有纵波的地位，这一点无可怀疑。表1中也列出了可能存在的纵波与经典的矩形波导波型(模式)的关系。

所有波都携带能量：例如作为横波的水面波，既有动能也有势能。波的能量从根本上说来自波源。这些情况对纵波而言也一样；但有的文献说Tesla标量波的能量“来自真空”，而且是源源不断的巨大源头，这不仅令人费解，其实是概念混乱。众所周知温度是标量，在大尺度的大气现象中可能形成温度的规则性波动，这种温度波是标量波。通常的电磁波(Hertz波)是电磁波的波动，是矢量波。标量波并无特殊之处，纵波也是如此。由于某种波是纵波、标量波就说它很特别，是不能成立的。量子真空概念、零点能概念是现代物理学中的重要内容，但用在这里并不恰当。

表1 矩形截面金属壁柱波导中的波型

但我们并不是说纵波、标量波没有值得研究的特性。文献[7]第25页的图6指出，当固体中的纵声波向界面入射(例如从玻璃射向有机玻璃)，发射横波和发射纵波的发射角不同，折射横波和折射纵波的折射角不同。实际上，一个入射波会造成两个反射波、两个折射波就是很有意思的。

4 关于Aharonov-Bohm效应[15]

图2 Aharonov-Bohm实验示意

标量场被称为“零矢量电磁场”，这是有意思的说法。有关研究从Aharonov-Bohm效应那里得到了支持，主要是认为在没有电力线、磁力线的空间(没有电磁场的空间)，也有某种物理作用存在。这确实是一个值得深思的问题。……前面我们提到“非局域性”(non-locality)，这本来是一个量子力学术语，非局域性的一个特征便是超光速性[16]。由此出发的思考表明，不能认定Tesla标量波根本不可能有超光速现象。实际上，笔者曾在多个著作中[17，18]介绍和论证了在传统的Hertz电磁波中可能出现超光速的情况——横波可以有，作为纵波的Tesla波为何不能有？但这并不是纵波带来的，而是无力空间中的自然结果。这有点像量子理论中的纠缠态(entangled states)，它也是一种非力作用；近年来由于瑞士物理学家Gisin率领的团队的工作，已由实验证明量子纠缠作用以超光速传递[19]。或许Tesla波与此类似？

5 关于近场解释与中微子解释

N.Tesla去世已有70年。对前辈科学家的思想和业绩后人应当学习和发扬，但必须建立在科学可信的基础上。文献[1]有一小节“近场解释”引起了笔者的注意，其中Meyl说：“在天线近场区已测到一些效应，一方面令人费解，这是因为他们回避通常使用的场理论；另一方面，通过我展示的标量波效应，是非常接近的。”又说：“在我的实验中，发射机位于不可思议的近区。此外，Tesla总是在近区工作”。Meyl认为一个Hertz波天线的近区场也是标量纵波场(the fields in the near zone of a Hertzian dipde are also longitudinal scalar wave fields)，他还用涡旋(vortices)对振子天线的脱离过程作解释。

Meyl的这些陈述引起了笔者的注意和兴趣，因为近年来对天线近区场的研究(限于横波)不断有新的发现。1999年W.Walker[20]用理论计算证明在近场电磁波可能以比光速大许多倍的速度传播，但在r=λ时降为光速。2009年N.Budko[21]以理论和实验证明，矢量电磁场的近场、中场电力学比简单的理解(由内向外传播)要复杂得多，在近区甚至可能出现波的反时间行进(travel back in time)，即发现了近场区存在负波速(negative wave velocity，NWV)现象。2012年樊京[22]报道了采用磁偶极子(环天线)时的实验结果，认为发现了电磁感应超光速现象。2013年黄志洵[23]把天线近区场与消失场(evanescent fields)作比较研究，结果认为天线近区场具有类消失场(evanescent fields-like或quasi-evanescent field)特性，认为这是认识近区场超光速现象的理论基础。而且提出应当重视“能量从场返回源”的问题，而不是像过去习惯的作法(仅关注从源供给场的能量的流动)。这是很复杂的，因为涉及对Wheeler-Feynman超前波(advanced waves)的理解。……上述所有情况，都可以在研究Tesla波时作为参考。

Meyl说实验已证明金属的法拉第笼(Faraday cage)不能阻碍Tesla波的传播，而且他又用中微子(neutrinos)来类比和解释。文献[1]说：“由于伴随高频振荡产生的具有粒子性质的漩涡一直改变它们极性从正到负，一般来说，它们没有电荷随时间推移。结果，它们能够几乎不受阻碍的穿透固体。具有这个性质的粒子在物理学中称为中微子。根据这个属性，在我的实验中所收集的场能量源于我们周围的中微子辐射。因为这种辐射源不论是人造的还是自然的都是一样的，都是远离接收机的，所以应用近场来解释是错误的”。这似乎是说，若发射机与接收机靠得近，Tesla波的性质可用近区场特性解释；那么距离远了怎么办？可用中微子来解释。他甚至在说在自己实验中“能量来自周围的中微子辐射”，说法大胆而根据不足。……

中微子是无处不在、但又难以捉摸的、极微小的亚原子粒子。据估计，每秒有1012个中微子穿过人体。由于它与物质几乎完全不发生相互作用(或者说它只参与弱相互作用)，不仅人们感觉不到它的存在，要对它作实验研究也很困难。中微子不带电荷，亦没有磁性，因而对它的探测不是电磁学方法；例如可以利用它与氢原子核碰撞时发生闪光的现象，用光电倍增管放大和计数。

中微子在超光速研究中扮演重要角色，因为一直有理论和实验上的预期——中微子以超光速飞行；中国科学家也发表过许多文章[24-28]。Meyl等人大概是根据Tesla波的两个性质(穿透性、超光速性)而与中微子作类比的，但所说的超光速确定方法(两个频率之比)尚不足以作为铁证；对此我们暂不评论。如果Tesla本人早在20世纪初即认为他提出的方法可以实现超光速传播和通信，那当然是非常有意思的!

6 结束语

以上内容是笔者根据正规文献(论文或书籍)而作的评述，没有引用互联网上的不署名文章。我们现在提出如下看法；首先，科学史实表明确有某个理论、某个实验或某个观点从提出到受重视经历了几十年之久的情况，但好像还没有经历百年(或百年以上)才使远见卓识“出头”的先例。其次，既然在欧洲、美国、加拿大都有人作了当众表演，而且演讲者亦非为了突出自己而是说要重视先辈(N.Tesla)的科学思想和业绩，我们现在给以关注和重视也是合乎情理的。再次，过去在电子学和信息工程发展中，只注意应用横波而忽略了纵波，确实欠妥；今后有必要研究利用纵波的可能性；因此，对Tesla波的讨论无论如何是有启发性的和有益的。最后，关于Tesla标量波以超光速传播的可能性，应当说是存在的；但其物理机制尚有待阐明，而更重要的是要有可靠、可信的实验。有的说法很值得商榷——“Tesla标量波可以做电磁横波不能做的事，它以无限大速度传播”；我们知道某些物理作用(如万有引力、量子纠缠)开始时常被认为传播速度是无限大，后来终于弄清楚是超光速传播(c

致谢：感谢与北京师范大学曹盛林教授的交流和讨论。

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