爱华网第２ ０卷 ， 第 ２期
２ ０ １ ３ 年 ４月
中 国传 媒 大 学 学 报 自然 科学 版
Ｖｏ １ ． ２ ０， Ｎｏ ． ２
Ａｐ ｒ， ２ ０１ ３
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｃ Ｏ ＭＭＵ Ｎ Ｉ Ｃ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ Ｏ Ｆ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ（ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ａ Ｎ Ｄ Ｔ Ｅ Ｃ ＨＮ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ）
自由空 间 中天 线 近 区场 的类 消 失 态超 光 速 现 象
黄志洵
（ 中国传媒大学 信息工程学院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ４ ）
摘要 ： 近年 来不 断有报道说 ， 自由空 间中在近场条件 下 电磁 波可 以超 光速行进 。 实验 中也 观测 到 自由空间 中的 负 波速现 象。本 文用类消失态原理和超前 波理论 对 此作 出解释 。通 过 比较 和鉴 别 ， 研 究了消失 场与 天线近 场的特 性 。因此我们得到 了一种统一的认 识和理解 ， 它涵盖 了近 场超 光速 性、 消失 态电磁 现 象、 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方程超前 解、 负波
速。
关键 词 ： 天线近 场； 类消失 态场 ； 超 前波 ； 超光速性 ； 负波速 中图分类号 ： Ｏ ４ １ ２ 文献标识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３— ４ ７ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２— ０ ０ ０ ７—１ ２
Ｔｈｅ Ｅｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎｔ ． ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｌｉ ｋｅ Ｓ ｕ ｐｅ ｒ ｌ ｕｍ ｉ ｎ ａ ｌ Ｐｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎ ｏ ｎ
ｏ ｆ Ｎｅ ａ ｒ ． ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｉ ｎ ’ ｒ ｅ ｅ￣ ｉ ｐａｃ ｅ
ＨＵ ＡＮＧ Ｚ ｈ ｉ ． ｘ ｕ ｎ
（ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ， Ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ２ ４ ）
●
１ｎ
—
Ａｂｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ： Ｒｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｌ ｙ， ｉ ｔ ｈａ ｓ ｂｅ ｅ ｎ ｒ ｅ ｐ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｎ ｅ ａ ｒ — ｉｅ ｆ ｌ ｄ ＥＭ— ｗａ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｖ ｅ ｌ ａ ｔ ｗｈａ ｔ ａ ｐ ｐ ｅ ａ ｒ ｓ ｔ ｏ ｂ ｅ ｓ ｕ ｐｅ ｒ ｌ ｕｍｉ －
ｎ ａ ｌ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｎ ｆ ｒ ｅ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ． Ａｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ， ｅ ｘ ｐｅ ｉｍ ｅ ｒ ｎ ｔ ａ ｌ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ｎ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｗａ ｓ
ｐ ｒ ｅ ｓ
ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ａ ｔ ｐ ｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎ ｏ ｎ ｉ ｓ ｅ ｘ ｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ － ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｉ ｋ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ
ｔ ｈｅ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｗａ ｖ ｅ ｓ ． Ｏｎ ｌ ｙ ｂ ｙ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｉｎ ｒ ｇ ｃ ａ ｎ ｏ ｎ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｕ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈｅ ｄ ｉ ｆｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ， ｗｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｆ ｅ ａ —
ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ａ ｔ — ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｆ ｒ ｅ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｎ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ａ ｃ ｏ ｍｍｏ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ —
ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ａ ｂｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ａ ｒ — ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｌ ｕ ｍｉ ｎａ ｌｉ ｔ ｙ， ＥＭ ｐ ｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎ ｏ ｎ ｉ ｎ ｅ ｖ ａ ｎｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ， ａ ｄ ｖ ａ ｎｃ ｅ ｄ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｍａ ｘ ｗｅ ｌ ｌ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｓ ｐｅ ｅ ｄ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ： ｎ ｅ ａ ｒ — ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｏ ｆ ｄ ｉ ｐｏ ｌ ｅ；ｅ ｖ ａ ｎｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ — ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｉ ｋｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｓ ；ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｗａ ｖ ｅ ｓ； ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ； ｎ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ
ｗ ａ ｖ ｅ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ
象 。文 章 说 ， 这 在 文 献 中被 称 为 微 波 传 播 中 的 异
１ 前 言
２ ０ ０ ０年 笔 者 曾发 表 一 篇论 文 ， 题 为“ 对 开 放 空 间中微 波 异 常传播 现 象 的探讨 ” ＿ １ Ｊ ， 它 被 收入 于 ２ ０ ０ ２年 出版 的 《 超 光 速研 究新 进展 》 书 中＿ ２ Ｊ 。文 章讨 论 了 ２ Ｏ世 纪 ９ Ｏ年 代 国 际 上 报 道 的 几 例 超 光 速 实验 ， 例 如在 喇叭 天 线 的 辐 射 近 场 区观 察 到 “ 微 波波 速 超 过 自 由空 间 中 电 磁 波 本 征 速 度 Ｃ ”的 现
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３～ Ｏ １— ２ ９
常脉 冲延 时 ， 目前 对 其 机 理 尚不 甚 清 楚 。近 年 来 （ ２ ０ ０ ９
— ２ ０ １ ２年 ） ， 又 有 关 于 自由 空 间 中 电磁 波 超 光速 传 播 的 论文 出 现 ， 有理论工作也有实验工作 。 因此 有 必 要 重新 论 述 这 一 课 题 ， 以期 获 得 更 全 面 、
更 清 楚 的认识 。
过去 的许 多 超光 速 实 验论 文 ， 或 利 用反 常 色散 （ ａ ｎ ｏ ｍａ ｌ ｏ ｕ ｓ ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ） 效应 ， 或 利用 量子 隧穿 （ ｑ ｕ ａ ｎ ．
ｔ ｕ ｎ ｒ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ） 现象 ， 这都涉及某种特殊制备 的媒质
作 者简介 ： 黄志洵 （ １ ９ ３ ６一） ， 男（ 汉族 ） ， 北京市人 ， 中国传媒大学教授 、 博 士生 导师 ， 中国科学 院电子学研究所客座研究员
８
中国传媒大学学报 自然科学版
第２ ０卷
或器 件 。现在讨 论 的 现象 则 不用 这些 东 西 ， 仅在 自
别为标 量 电势 、 矢 量磁势 ； 以上 两方程 的特解 为
由空 间观 察 电磁波传 播 ， 超光速 （ 甚 至 负波 速 ） 现 象 也 出现 了— — 这 里 所 说 是 在 天 线 的近 区 （ ｎ ｅ ａ ｒ ｒ ｅ ． ｇ ｉ ｏ ｎ ） 所 呈 现 的奇 妙 特 性 。我 们 认 为 这是 由 一种 可
称 为类 消 失 态 （ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ — ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｉ ｋ ｅ ） 的 电磁 状 态 所 造成 的 ； 与此相 联 系 的是 ， 不应 忽 略 在 求解 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方程 时与推 迟 解 同 时 出现 的超 前 解 （ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｓ ｏ ｌ ｕ ．
中 ＝ 一 Ｊ ＝
：
） ｄ
） ｄ 丁
（ ３ ）
（ ４ ）
因此在 距 源 点 为 ｒ 的观 察 点 ， 时间 ｔ 的 中 和Ａ是 由 较早 时刻 （ 一ｒ ／ ） 的源 所 决 定 的 。也 就是 说 ， 观察
ｔ ｉ ｏ ｎ ） ， 实验 中 即使 出现 负速度 也可 以解释 。
点位置 的场落 后 于源 ， 滞 后 时问 即 ｒ ／ ； 由此 中、 Ａ获
得 了一 个名称 ： 推迟势 （ ｒ ｅ ｔ ａ ｒ ｄ ｅ ｄ ｐ ｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ １ ） 。长期 以
２ 时 间对 称 性 问题 与超 前 波
众 所周 知 ， 对时间、 空 问的看 法 ， 在 Ｎ ｅ ｗ ｔ ｏ ｎ力学 （ Ｎ ｅ ｗ ｔ ｏ ｎ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ， Ｎ Ｍ） 中和相 对 论力 学 （ Ｓ Ｒ 和 Ｇ Ｒ） 中 是 不 相 同 的。Ｎ Ｍ 的 时 间 观 可 简 洁 地 概 括
来 这成 为人们 对 电磁场 的基本理 解 。科 学 家容易停
留在 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方 程组 （ 或 说 电磁 波 ） 的推 迟 解 （ ｒ ｅ —
ｔ ａ ｒ ｄ ｅ ｄ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 的答 案 上 ， 认 为 它 体 现 了时 间箭 头 （ 亦 即时间单 向性
） 。但后 来 人们 认 识 到 ， 那 并 非对 自然规律 的完整 （ 完备 ） 描述 。实 际上 Ｍ ａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方程
组 和波 理 论 的 解 一 定 包 含 两 个 方 面 ： 代 表 迟 滞 波
为： 时间连 续而均 匀 地 单 向流 逝 ， 并 且 无始 无 终 ， 是
一
种不 依赖 于人类 的 客观存 在 。我 们认 为这可 以作
为讨论 一般 物理 问题 的出发 点 。有 一个 名词 叫时 间
（ ｒ ｅ ｔ ａ ｒ ｄ ｅ ｄ ｗ ａ ｖ ｅ ｓ ） 的 波解 ． （ —ｒ ／ ｖ ） ， 以及 代 表 超 前 波（ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｗ ａ ｖ ｅ ｓ ） 的波 解 （ ｔ ＋ｒ ／ ） 。假 如 前 者 是 一个 由源 （ 例 如振 子天线 ） 所产 生 的辐 射 波 ， 那 么
后 者是 反方 向的—— 向着 源头 聚合 。当一块 石头投
箭头（ ｔ ｉ ｍ ｅ ’ Ｓ ａ ｒ ｒ ｏ ｗ ） ， 其热 力学含 意 是表 示 闭合 系统 中无 序度 （ 熵） 总是随 时 间增加 而 增 大 ； 心理 学 含 意 是人 能记住 的只是过 去 而 不 是未 来 ， 事 件 总 是从 过 去 到现在再 到将来 ； 宇 宙学 含 意 是 宇 宙不 断 膨 胀 而 非不 断收缩 。不 过 ， 自然科学 的理论 发 展告诉 我们 ，
入水中， 水面波以同心圆样式向外扩散传播 ， 人们很
难 想象 一 圈一 圈 的波纹会 反过来 逐渐 向石 头入水处 返 回和 集 中。但 是 由数学 物理方 程求解 时一 定 同时 存在两 个解 ， 故我们 不得 不 接 受 超前 波 可 能 存 在 的 观点 ， 并 承认 它 与别 的 波 是 相 似 的 ， 并 非 怪 异 的事
物 。当然 由于超前 波在 时 间上 倒 行 （ 笔者 认 为 是体
科学定律对 时间是往前走还是 向后退是相同的 ， 例
如一 些物 理学方 程具 有 的特征 为 ： 以（一ｆ ） 代替 ｔ 后 方程 不变 。 因此 ， 不 能 由科学 定 律 区分 时 间 的方 向 （ 前 进或后 退 ） 。上述情 况 说 明 ， 在做 科 学研 究 时 不
能 忽略 “ 时 间对 称性 ” 的 问题 。
现 出一 种负速 度 ） ， 它 常常 不 能被 理解 ； 甚 至 认 为其
违反 因果律 （ ｃ ａ ｕ ｓ ￣ ｉ ｔ ｙ ） 而 拒绝 接受 。
令 人 困惑 之处 在 于 ， 在 真实 的 世界 和 生 活 中时 间保 持单 向性 。例如 打碎 茶杯 或在碗 中搅 开生鸡 蛋
１ ９ ３ ９年 至 １ ９ ４ １ 年 间 ，著 名 物 理 学 家
Ｒ ． Ｆ ｅ ｙ ｎ ｍａ ｎ和他 的 老师 Ｊ ． Ｗｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｒ 共 同提 出 电动 力 学吸 收 者 理 论 ＿ ４ Ｊ 。最 初 他 们 是 研 究 粒 子 （ 例 如 电
都很容易， 反之如想使 已粉碎的杯子复原或使 已搅
开 的蛋 液再成 为最 初 的样 子
和结 构 ， 不 仅 困难 之 极
子） 的相互作 用 问题 ， 却 发现 自己陷 入 了过 去 、 未 来 的 困难 中。为使 理论 体 现 出对 称 ， 必 须 引入 超 前 场
（ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ） 概念 ； 这 也称 为超 前效 应 （ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ） 。这 种不 是 由源 向外 辐 射 出 去 、 而 是 向 内移
甚至是不可能做到的事。但在科学方程中却不是这
种 情形 ， “ 过 去 到未 来 ” 与“ 未 来 到过 去 ” 是一样 的；
正 如天 文学 家 Ａ ． Ｅ ｄ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｎ所形 容 ： “ 没有 路标 显 示
动 的波 ， 看起 来其 运动是 时 间倒 转 的 ， 总给 人 以奇 怪 的印象 。Ｗｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｒ 还 考 虑 了迟 滞 波 与超 前 波互 相 结
这是一条单行道” 。 必须考 虑 Ｍ ａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方 程组 与 时 间 的关 系 。空 间 中有 源 （ 电荷 源 或 电流 源 ） 时的 Ｈ ｅ ｌ ｍｈ ｏ ｌ ｔ ｚ 方 程 是非
齐次 的 ： （ ＋ｋ ） ＝一卫 （ １ ）
合（ 相消） 问题 ， 以及反作用到源的能量问题 。尽管 后来他们发表了论文 ， 但在 自那以后的几十年中， 超 前 波 的观 念从未 受到科 学 界的重视 。
３ 天 线 场 分 区理论
（ ＋ ） ＝一 ７ （ ２ ）
所谓 小 电偶 极 子 （ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｄ ｉ ｐ ｏ ｌ ｅ ） 是 假 定
式中： ｐ 、 ７ 分别为电荷密度、 电流密度矢量； 、 Ａ 分
第 ２ 期
黄志洵 ：自由空间中天线近 区场的类消失态超光速现象
９
其 长度 远小 于波 长 （ ｚ 《 Ａ） ， 线 上 电流 为 同相 、 等 幅
分 布 的线 天线 。把 它放 在 球 坐 标 的 中心 （ 图１ ） ， 则 它产 生 的各场 分量 为 ：
可见 ， 当ｒ 增 大时辐 射场 分量 的减 小甚 慢 ； ０ ５ ∞表 示 在高 频段 仍能 保有 其强 度 。 我 们 注意 到 ， 当
１
～ ．
—
１
一
一 ０ —２ ７ ｒ 厂 一２ ７ ｒ
上述 三个 分量 相等 ：
Ｉ Ｅｓ Ｉ＝ ｌ Ｅ， ｌ＝ Ｉ ＥＲ Ｉ＝Ｍｋ
这是非常有趣的 ； 这个特定 的距离是 与频率有关 的 量， 例如 当 ｆ＝５ ０ ０ Ｈ ｚ ， ｋ ｏ 。 ＝ｌ Ｏ Ｏ ｋ ｍ； ＝０ ． ５ ＭＨ ｚ ， ｋ ０ －
＝
图 １ 小 电偶 极 子 和 球 坐 标
１ ０ ０ ｍ； 等 等 。这 一情 况 可用 图 ２表示 其 大概 。当
ｒ ＞ｌ ｋ ｍ， 已可仅 仅 考 虑 辐 射 场分 量— —假 如我 们 只
注意几 百 千赫 的话 。
６ ｏ 瑶
． ，
１
一
寿） ｃ 伽・
（ ５ ）
＝
（ ＋ 寿一 寿 ） ｓ ｉ ｎ ｒ
｛ Ｅ ＝０
＝
（ ＋ 寿） ｓ ｉ ｎ ‘ ｅ ｒ
图 ２ 不 同类 型 的 场 强 变 化
式中 ｋ 。 ＝ｗ ／ ｃ 是波数 （ ｃ 是 真空 中光 速 ） ； Ｍ 是偶 极 矩（ ｄ ｉ ｐ ｏ ｌ ｅ ｍ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ） ， 等于 ｃ ａ流 ， 与 长度 ｌ 的积 ， 故 单
位为 Ａ・ ｍ； 因此 ， 我们 有
其 尺 寸 小 于波 长 。在 它 的 周 叫一 ＋ 笋 ＋ ） 、㈣ 小 型线 天 线 ）的 情 况 ， 第 一项 是静 ｃ ａ场 ， 理 论 上 是 由偶 极 子两 端 ｃ ａ荷 所 产 围， 场 区可 划分 为 （ 参看 图 ２ ） ：
关 于天 线场 区划 分 ， 先讨 论 小 辐 射器 （ 电 流元 、
生； 把它写作 Ｅ （ 下标 Ｓ 代表 ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ） ， 则有
Ｉ Ｅ ｌ ： （ ７ ）
①静 电场区（ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ） ， 条件是 ｒ
＜ ＜ Ａ／ ２ｃ ｒ ；
② 感应 场 区 （ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ） ， 条件 是 ｒ 处 在Ａ ／ ２ ｃ ｒ 附近 ； ③ 辐射 场 区 （ Ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ） ， 条件是 ｒ 》
Ａ／ ２ｃ ｒ ；
可见 ， 场强 随 ｒ 增 大减 小很 快 ， 这还 表示 对 于 近处 静 ａ场 强度 大 。上 式 表 明 ｌ ｃ Ｅ ｌ 。 ｃ ∞～， 故 在 高 频 该 分
第 二项 是 感 应 场 ， 理论 上 是 由偶极 子 电流 所产
前两 者总 称 为近场 区 ， 后 者又 称为远 场 区 。
考虑 到
生； 把它 写作 Ｅ ， （ 下标 ， 代表 Ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ） ， 则 有
Ｉ Ｅ ， Ｉ ： 了 Ｍ （ ８ ）
。
＝
故场 强 随 ｒ 增 大 的减 小 也 较 快 ， 而 此项 场 分 量 与频
詈＝
＝
＝
率无 关。以上两 项总称 为束 缚 场 ， 表示其 对天线 （ 电偶 极 子 ） 的依 附性质 。 ． 第三 项是 辐射 场 ， 用表示 Ｅ （ 下 标 Ｒ代表 Ｒ ａ ｄ ｉ —
ｋ ｏ Ｍ （ ９ ）
式中 ｚ 。 。 是 真空波 阻抗 ， 亦 即 自由空 间本 征 阻抗 （ ｉ ｎ —
ｔ ｒ ｉ ｎ ｓ ｉ ｃ ｉ ｍ ｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ） 。这个值常取 １ ２ ０ ７ ｒ （ 精确值是 ３ ７ ６ ． ６ ２ Ｑ） ； 为了与老的写法相一致 ， 我
们就 取这 个不精 确值 ， 可得
２
＝
ＥＲ ：＿
６ ０
７ｒ ｏ Ｊ￣０
１ ０
中国传媒 大学学报 自然科学版
第 ２ ０ 卷
所 以前 面 的公 式
实际上 可写作 ：
＝
与 同相 ， 两者 乘 积为 正 （ Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ 矢 方 向总 向
Ｉ １ ［ ｋ ｏ ～ ） ｃ 咖・ ｅ － ｊ ｋ ￣ ｒ
４ １ ｒ ｗ￣ｏ
外） 。这 是辐 射场 ， 它 近似 于球 面 波 。应 当说 明 ， 虽 然 在近 区辐射 场远 小 于感 应 场 ， 但 它 仍 比远 区的 辐 射 场大得 多 。
然后 讨论 大辐 射器天 线场 区域划 分 。大 辐射器
（ １ ０ ）
（ 学 ｋ ｏ 一
） ｓ ｉ ｎ ・ ｅ － ｊ ｋ ｏ ｒ
Ｅ ＝０
Ｈ ＝ ０ Ｈ ＝ ０
＝
（ 如大 型面天 线 ） 的尺 寸 远大 于 波长 Ａ， 感 应 场 一 词
在 这里 没有 意义 ， 只是把某 些 与 ｒ （ ｎ＞１ ） 成 反 比的 项 叫做 近场 项 （ ｎ ｅ ａ ｒ — ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｔ ｅ ｒ ｍｓ ） 。文 献 的许 多 讨 论
Ｉ Ｚ （ ｊ ｋ ＋
ｏ
是 针对微 波 的。广 义的天线 应包 括馈 源 （ ｆ ｅ ｅ ｄ ） 和 辐
，
考虑 ｅ 一 ｏ ｒ 兰１ 的情况 ； 这表示 电磁理论 中的推迟 势 （ 也
射 元件 （ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ） 。例如 ， 微 波传 输线 的主 要形 式—— 波 导 ， 为 了保证 单模传 输 ， 横 向尺 寸有所
限制 ： 对 于 圆 波导 ， 要 求 内径 满足 Ｄ ＜Ａ ／ １ ． ３ １ ； 对 于
叫滞后势 ） 方程， 近似为 Ｐ ｏ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎ方 程。就 是说 ， 如 果 ｋ ０ ， ． 《１ ， 靠近天线的场满足 Ｐ ｏ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎ方程。物理 概念是 ： 即使 电磁场随时间 ｔ 迅变 ， 靠近场源 的场分布仍遵循稳
态场规律。取 ｋ ０ ｒ 《１ ， 亦即 ｒ ＜ ＜ Ａ ／ ２ ｃ ｒ 时， 可得
兰一 Ｊ ．
７ 『 ｎｒ
： 一
矩 形波导 ， 要求 宽边 内尺寸 满足 ａ＜Ａ 。如果 要 从传
输 线过 渡到辐 射元件 ， 必须 使横 向尺 寸逐步扩 大 ， 成
为 喇叭状 、 抛物 面状 ， 如 图 ３所示 。波导壁 与 天线 面 都 是金属 质 ， 它成为 “ 内场 ” （ 分为 单模 区和 多模 区 ）
和“ 外场 ” 的边界 ， 天 线 的最 大 尺 寸 为 Ｄ， 在那 里 的 场 是 口面场 。外 场 区首 先 是 口径 场 （ 很 近 于 口面
¨
。
丝 叫了 ｓ ｉ ｎ
斗７ ｒ 占ｎ ｒ
Ｅ ＝ ０ Ｈｒ ＝ ０ ／ ４ ｏ ＝０
兰 ｓ ｉ ｎ
场） ， 是储 能性 质 ， 范 围是 ｒ ＜Ａ ／ ２ ￣ － 时， 近似 ｒ ＜ Ａ ／ ６ 。
可见 ， 在距 天线近处 ， 与 同相 ， 它们 与 有 （一 ７ ｒ ／ ２ ） 的相 位 差 ， 这 意 味着 能 量 在 偶 极 子 与空 间
＼
ｆ
场之间往返 ， 但平
均值为零 （ 因平均 Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ 矢 为 零） 。在天 线 与 周 围媒 质 之 间 有 能 量 的脉 动 ， 这 正
是感 应场 的基本 特征之 一 。 总之 ， 感应 场 的情 况不仅 与 场源性质 有关 ， 还 取 决于 环境 因素 。对 于一 个 任 意 的场 源 ， 感 应 场结 构 分布 很复 杂 。它 的场 阻抗 与 场 源相 关 ， 是 频 率 的 函 数（ 不能把 ｚ ∞当作感 应场 的波 阻抗 ） 。
现在 考 虑远 区 （ ｒ ＞ ＞Ａ ／ ２ ｃ ｒ ） ； 这 时项 ｅ 铀 不 能 忽 略， 而Ｅ 兰Ｏ ， 故有
Ｅ ＝ ０
Ｅ ｏ兰 ， ￣ ｓ ｖ Ｏ ￣ Ｖ ｓ ｉ ｎ ｎ ．ｅ－ Ｊ ｋ ￣ ＇
～
一
辐
射
／ 区
图 ３ 大 辐 射 器 的 场 区 示 意
个基 本 的 问题 是 ： 在一 个 等 相 面 （ ｅ ｑ ｕ ｉ — ｐ ｈ ａ ｓ ｅ
ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ） 上 给定 电场 矢 量 、 磁 场 矢量 的值 ， 如 何 决 定
另一 特定点 处 的场矢量 ？Ｈ ｕ ｙ ｇ ｅ ｎ ｓ — Ｆ ｒ ｅ ｓ ｎ ｅ ｌ 原 理给 出
＝
［ 一 ｊ ｃ ｏ ｌ ｚ （ ｔ ×Ｈ１ ） ＋（ 了 × ） × ＋（ ・ ） ］ ｄ ｓ （ １ ３ ）
Ｈ
二
＝Ｏ
．
（ １ ２ ）
＼ ，
ｓ ｉ ｎ ・ｅ 。 ｒ
厅 ＝ 几 ［ （ 了 × ） ＋ （ 了 × ｅ Ｌ ）
× ＋（ 了 ・ 厅。 ） ］ ｄ ｓ （ １ ４ ）
＝
０ ｋ ｏ Ｉ １
式中 ｓ 是等相面， 其上的规定场强为Ｅ 、 ， 而 ＝
ｅ一 ＃ ｒ ／ｒ ｋ是波数
，
兰 ， ￣
， 了 是 等 相 面外 法 向单 位 矢 。上 述
第 ２ 期
黄志洵 ：自由空间中天线 近区场 的类消失态超光速现象
原 理表 示 ， 给定 波 阵面 上 的任 一 点 可 当作 一 个 二 次
＝
Ｈ ２ Ｚ ｏ ｏ
（ １ ６ ）
源， 造 成一 个球 状波 包 ， 这 些原 始 波包 的叠加 可得 出 未 知 场点 的波 。 但是 ， 在ｒ ≤Ｉ Ｏ Ａ 的 区域 ， 是 属 于 电抗 性 近 场 区 （ Ｎ ｅ ａ ｒ — ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ， ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ） ， 在 这里 场 的 电抗 性分 量 占优 势 。这一 区域 与 远 场 区之 间 的 区域 ， 叫辐 射 性 近场 区 （ Ｎ ｅ ａ ｒ ． ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ， ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ） ， 其 中辐射场 占 优势 。称 它 为 Ｆ ｒ ｅ ｓ ｎ ｅ ｌ 区是 模 拟 光 学 上 的说 法 。但 是， 若天 线最 大尺 寸小 于波 长 （ Ｄ ＜Ａ） ， 这 个 区域 可
以不存在 。辐 射 远 场 区 （ Ｆ ａ ｒ — ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ， ｒ
ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ） 如模 拟 光 学说 法 ， 是 Ｆ ｒ ａ ｕ ｎ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ区。 电 磁 场 分 区见
图３ 。
又有
Ｅ＝￣ ／ ｚ ０ ０
Ｅ＝ １ ９ ． ４ １￣ ／
这些 公式 只 能用 于远 区场 。
（ １ ６ ａ ）
（ １ ６ ｂ ）
在 。 、 。 均 取精确 值 时 ， Ｚ 。 。 ＝ ３ ７ ６ ． ６ ２ ｆ ｔ ， 故 有
４ 天 线 近 区场 与 消 失 场 的 比较 研 究
天线 近 区场 具有 复 杂 的结 构 ， 我 们 依然 按 照 电 小偶 极子 的情 况 而 论述 。在 近 区 ， 场 的物 理 特 征使 我们 想起 消 失 场 （ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ） —— 一 种 广 泛存 在 于各种 情况 下 电磁 的现 象 ； 故 本 文 尝试 对 两 者 作 比较研究 。先看 消失 场 ， 其 物理 特征如 下 Ｊ ： ① 迅速 衰减 的特 性 ： 按照 ｅ ～ 的规 律 ， 场 幅沿 ｒ 方 向迅 速下 降 ； 衰 减常 数 越 大 下降越 快 。 ② 时 间相位关 系 ： 电磁 波 的纯行 波状态 ， 电场 与
条件 ｒ ＞２ Ｄ ／ Ａ是 远 区场 的下 界 （ 最小 距 离 ） 。 实 际上 ， 为了更好地符合平 面波条件 ， 可 取 数 十倍
Ｄ ／ Ａ作 为 实用距 离 ， 即远 大于 ２倍 。故 远场 区是 指
ｒ ＝２ Ｄ ／ Ａ～∞ 的 区域 。ｒ ＜２ Ｄ ／ Ａ 的范 围都 是 近 场
区， 表 １中 的 “ 远 区最 小 距 离 ” 就是“ 近 区最 大 距
离” 。
表 １ 近区与远区的分界 （ 大辐射器 ） 天线最 大尺 寸 Ｄ （ Ｉ ｎ ）
０．１
磁场的时间相位相同， 即 和日 的时间相位关系没有
相差（ 夹角 为零 ） 。但 在消 失波 （ 场） 条件 下 ， 电场 和 磁 场 的 时 间相 位 相 差 ￣ ｒ ／ ２ ， 即１ ／ ４周 期 。在 Ｔ Ｍ 模 式时 ， 磁场 矢 量超 前 ； 在Ｔ Ｅ模 式 时 ， 电场 矢 量超 前 。
１
频率和波长 ， （ Ｇ Ｈ ｚ ）
４ ４０ ４
远 区最小距离 ２ Ｄ ／ Ａ
０． ２７ ｍ ２． ７ｍ ２６． ７ ｍ ２ ６ ７ｍ
Ａ （ ｃ ｍ）
７． ５ ０． ７ ５ ７． ５ ０． ７ ５
Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ 矢瞬时值 ［ （ × 厅 ） 或÷（ × ） ］ ， 在纯
二
１
行 波 时为 纯 实 数 ， 在消失波 （ 场） 条件下为纯虚数。
一 一
４０
１
二
一
一
平均 Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ 矢， 即Ｒ ｅ （ Ｅ Ｘ Ｈ ） 或÷Ｒ ｅ （ Ｅ× Ｈ ） ，
４
６
７ ． ５
０． ７ ５
９ ６ ０ ｍ
９． ６ｋ ｍ
４０
在行 波时 不 为 零 ， 代表实功率流 ； 但
在消失波 （ 场）
条件 下为零 。
应 当说 明“ Ｆ ｒ ｅ ｓ ｎ ｅ ｌ 区” 、 “ Ｆ ｒ ａ ｕ ｎ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ 区” 的含意 。
③ 电抗 性 （ 储 能性 ） ， 以及 电场 、 磁 场 的可 分 离
Ａ ． Ｊ ． Ｆ ｒ ｅ ｓ ｎ ｅ ｌ（ １ ７ ８ ８—１ ８ ２ ７） 是 法 国物 理 学 家 ； 所 谓 Ｆ ｒ ｅ ｓ ｎ ｅ ｌ 衍射 ， 是 指 光 源 在 近处 、 在 有 限距 离 内形 成
的衍 射 图象 。Ｊ ． ｙ ｏ ｎ Ｆ ｒ ａ ｕ ｎ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ （ １ ７ ８ ７— １ ８ ２ ６ ） 是德 国
性： 以波导为例 ， 当作传输线使用 的传输波导 ， 高频
平均 电 能 与 高频 平 均 磁 能 基 本 相 同 ， 即 兰 Ｗ ｍ 。 但在 截止 波导 中（ 消失态 ） ， Ｔ Ｍ模 情 况 ＞Ｗｍ ； 如． 厂
（ ｆ ｃ 是 波导 截 止 频 率 ） ， 则 》 Ｗｍ ， 波 导 中 主要
物理 学家 ； 所谓 Ｆ ｒ ａ ｕ ｎ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ 衍射 ， 是 指光 源 在 无 限远 处、 屏 幕在 无 限远 处 形 成 的衍 射 。如 假 定 天线 聚波 束 于 无 限远 ， 也可 把远 场 区叫做 Ｆ ｒ ａ ｕ ｎ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ 区。 至 于远 区场 ， Ｅ和 日之 间无 相 位差 ， 平均 Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ． ｉ ｎ ｇ矢不 为 零 。在 这 里 ， 通常满足平面波条件 ； Ｅ ／ Ｈ
是 电场 ， 波阻抗 Ｚ 。 － ３０ ， 有 点像 电容器 。反 之 ， Ｔ Ｅ 模情 况 ＞ ； ￣ Ｉ ｆ ＜ ＜ ｆ ｃ ， 则 Ｗｍ 》 ， 波 导 中主要 是
磁场 ， Ｚ 。 － － ３０ ， 有点像电感。总之波阻抗都是 电抗
比值恒定 ， 测出了一个就知道另一个。令 Ｐ 为功率
通 量 密度 （ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｌ ｆ ｕ ｘ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ） ， 则 有
Ｐ ｄ ＝Ｅ Ｈ （ １ ５ ）
性， 体现电能的储存或磁能的贮存。 ④准 恒 定 性 或 类 稳 性 ： 准恒定场 （ ｑ ｕ ａ ｓ ｉ ． ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ
ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ） 即类 稳 场 （ ｑ ｕ ａ ｓ ｉ — ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ） ， 是变化缓慢 （ 故
电场与磁场相互作用较弱） 的时变场。场的推迟势
方 程在 时 间导数项 为零 时得 到 Ｐ ｏ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎ方 程 ， 无 源 时
式中 Ｅ 、 均为有效值 ； 由于 Ｅ ／ Ｈ＝ Ｚ ∞， 故有
１ ２
中国传媒大学学报 自然科学版
第２ ０卷
进 一步 得 到 Ｌ ａ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ方 程 。正 因 为 如 此 ， 对 于 消 失 态 问题 ， 例如 对截止 波导 和截止 衰减器 的分 析 ， 可 以 用 等效 电路法 （ 集 总元 件 Ｌ 、 ｃ组 成 的 电路 ） 去 分 析
处理。
量送 出 的现象 。驻 波 的概念 与能量贮
存 的概念是 一
致 的。
⑤ 日不 是常数 ， 故在 场 强 测量 技 术 中必 须 分 别测 出 Ｅ、 日。 比值 Ｅ ／ Ｈ具 有阻抗 的量纲 ， 它 与频 率
有关。
⑤ 大驻波 特性 ： 笔 者早 就指 出 ， 虽然 传统 上对 消 失场（ 器 件如截 止波 导 ） 可 以按 照 电压 波理 论 （ 即行 波理 论 ） 描述 ， 但 也 可 按 照 另 一 理论 体 系 即功 率 波
理论 （ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ — ｗ ａ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ） 描 述 ｊ 。 如 果 硬 要 用 前
⑥ 自２ ０世纪 ９ ０年代 以来 ， 不 断有 实 验 报 告 和 理论分 析指 出 ： 在 天 线近 区 电磁波 可 能 以超 光 速传 播［ ９ － １ ５ ］ 。
从 以上对 比 ， 我 们认 为 天 线 近 区场具 有 类 消 失 场（ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｌ ｉ ｋ ｅ或 ｑ ｕ ａ ｓ ｉ ． ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ） 特 性， 而 这也是 对 国内 外所 发 现 的近 区场超 光 速 现 象
者， 则会 出现 大的 （ 或超大的） 电压驻 波 比。从 本质
上讲 ， 消失场（ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ） 不是波， 文献上常见
的词 消 失波 （ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ ｗ ａ ｖ ｅ ） 并不确切 ， 因为 它 没 有波 动 的进 行 。如 一定 要 说 它是 波 ， 那 么 也 只 是驻
波（ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｗ ａ ｖ ｅ ） ， 即在原 地振 动的 电磁现象 。
作 理论 分析 的基础 。 以上 主要依 据小 辐射器 的场 而 进 行讨论 ， 但 这些 内容对大 辐射器 也适 用 。
在 过去 的天线 理论 中 ， 对 近区场 总是语 焉不详 。
⑥色 散性 ： 消失 态 的波 阻 抗 （ ｗ ａ ｖ ｅ ｉ ｍ ｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ） 为 电抗性 ， 其值 强烈地 与频率 相关 ， 亦代 表其色 散特
性。
这 是 因为天线 的实 用 价值 总是 在 远 区辐 射 场体 现 ， 因而很少 有人对 距离 天线很 近处 的情况感 兴趣 。这
⑦超光速性 ： 场的消失性常造成超光速波传播 ；
在理 想情况 下 ， 消失波 （ 场） 没 有交 变 振荡 的行 波成
分， 没 有相移 ， 时延 近于 零 ； 这 就是 在 用 截 止波 导 的
与波导的历史相似——开始时人们只关注在截频以
上（ ｆ＞ ｆ ｃ ） 的波导 应用 （ 作微 波传 输线 ） ， 后 来才 发现 原来 在截 止 区 ＜ ） 大有 文 章 ， 不仅 应用 广 泛 而且 蕴 含 消 失 态 理 论 的 精 髓 。 例 如 一 般 天 线 书 说 ５ ］ ： “ 在近 区电场 与磁 场 相 位 相 差 ９ Ｏ ’ ， 了解 消失 场 的 人却 知 道 这 是 不 精
确 的 说 法 。 在 截 止 波 导 理 论
中＿ ３ Ｊ ， 只有 在完全 无耗 的理想 情 况 下 电场 与 磁 场相
研究 中常 常发 现 相 速 、 群 速 为 超 光速 的原 因。１ ９ ９ １
年笔者在《 截止波导理论导论》 Ｊ 一书中率先指 出
在截 止波导 中消 失场 条 件 下 不仅 相 速 、 群 速可 能 超 光速 （ Ｙ ｐ ＞ｃ ， ＞ｃ ） ， 甚 至 可能 出现 负相 速 和 负群 速 （ ＜０ ， Ｖ ＜０） ； 这 些 理 论 判 断 多 数 已 被 实 验 证
明 一 引。
位差 才是 ９ ０ 。 ， 而 在有损 耗 （ 实 际上 均有 耗 ） 情况 ， 这
个 相位差 比 ９ Ｏ 。 略小； 故 平均 Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ矢 不 为零 ， 有
除此 之外 ， 还有 其他 性 质 显示 这 种独 特 的 电磁
微 量功率 传输 。又 如一 般 天 线 书说 Ｊ ， 对 于 感应 场 “ 电磁能量 在 场 源 和场 之 间来 回振 荡 ， 在 一 个 周 期 内场源供 给场 的能 量 等 于从 场 返 回场 源 的 能量 ， 故 无 能量 向外辐射 ” ； 然 而截 止波 导 理论 告 诉 我们 ， 虽 然 纯粹 的消失场 不携 带 有 功功 率 ， 但 两 个 反 向 的消 失 场却通 过交互 作 用 产 生一 个 不 大 的有 功 功率 流 ，
对 此早 就 有 解 析 式 的证 明 。参 考 Ｆ ｅ ｙ ｎ ｍａ ｎ的 吸
状 态 。为 了 比较 ， 这 里再 列 出对应 的天 线 近场 的物
理特 征 ：
①按照 ｒ 或 ｒ 的规律 ， 场幅沿 ｒ 方 向迅速下
降。 ② 电场 矢量 与磁 场矢量在 时 间上有 （一￣ ｒ ／ ２ ） 的
１
相位差 （ 电场落后 ） ， Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ 矢 瞬时值． ｓ＝ ÷（ Ｅ×
二
收体 理论 Ｊ ， 我们 就 可 以对推 迟 解 和超 前 解 的联 合 与可能 的相互作 用 有 更深 刻 的理解 ， 并 将 这 些 概念
引入到天 线近 区场 的分析 和研究 中 。
厅 ） 是 虚数 ， 平均 Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ 矢 为零 ； 电磁 能量 在 场与
源之间交替 ， 在每个周期 内源给场的能量又被返 回， 故无能量向 ｒ 方向作单向运动 （ 辐射） ， 从这个 角度 看是贮能场 ， 即ｒ 项和 ｒ Ｉ ２ 项表示场 中贮存能量。
这作 用与 电抗 （ 电感、 电容 ） 贮能而不耗能相 同， 故 可视 为 电抗性 场 。
５ 早 期 的 自由空 间超 光 速 现 象研 究
１ ９ ９ １年 的 Ｇ ｉ ａ ｋ ｏ ｓ ． Ｉ ｓ ｈ ｉ ｉ 实 验 似 为微 波 异 常 传 播 的最 早 实验 ； 我 们 简称 其 为 Ｇ Ｉ 实验 ， 它 曾 引起 科 学界 的争论 。图 ４是 实 验 时天 线 的位 置 ， （ ａ ） 表 示 接 收天线 既可 面对 发 射 天 线 （
ｄ＝０ ） 又 可 平 移 到一
③当 ｒ ＜ ＜ ｋ ｏ ， 靠近天线的场遵循 Ｐ ｏ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎ 方程 ， 表示 近 区场具 有准恒 定场 （ 即类稳 场 ） 的特征 。
④驻波是存在的， 只有如此才能解释 ｒ 向无能
第 ２期
黄志洵 ：自由空 间中天线近区场的类 消失态超光速现象
１ ３
侧（ ｄ ≠０ ） ； （ ｂ ） 表 示 接 收 天线 可 以在 平 移 之 后旋 转
个角度 ， 但仍朝向发射天线 口面。实验设备及 安 排 如下 ： 用 ｘ 波段 的速调 管产 生 微波 载 波 ， 并由
一
Ｈ Ｐ ７ １ ５ Ａ脉 冲发 生 器 作 外 调 制 ， 该 发 生 器 由 时域 反
射计 Ｈ Ｐ １ ４ １ ５ Ａ的输 出 口触 发器 触 发 ， 供 给 ＨＰ ７ １ ５ Ａ 电源也 用于 驱动 速调 管 。速调 管通 过铁 氧体 隔离 器
送出信号 ， 该信号是受调制的微波脉冲， 上升时间为 ２ ２ ｎ ｓ ， 持续时间为 ５ ０ ｎ ｓ ， 重复频率 １ ４ ７ ｋ Ｈ ｚ ， 通过喇叭
（ 口面 ９ ． ５ ｃ ｍ× ７ ． １ ｃ ｍ） 发射 出去 。接 收 喇 叭 口面 距 发 射 喇叭 口面 距离 为 ｆ 。 当二 者 的 口面相对 时 ， 从 发
Ｔ ●● ． ＿ ｄ
一 － 一
～ ＿ 一
一 ． 一
射 脉 冲与接 收 脉 冲之 间 的时 间延 迟 （ 时延 ｒ ） 可算 出
自由空 间的本 征速度 ， 约为 ３×１ ０ ｍ ／ ｓ 。
发 送 天 线
｝ —一
１ 一
ｌ Ⅳ平 面
（ ａ ）
发 送 天 线 接收天线
（ ｂ ）
图５ ＧＩ 实 验 结 果
管（ ． 厂 ＝９ ． ５ Ｇ Ｈ ｚ ， Ａ＝３ ． １ ６ ｃ ｍ） ， 由Ｐ Ｉ Ｎ调 制 器按 阶跃
信号 调制 ， 下 降时 间小 于 １ ０ ｎ ｓ ， 适 于测量 小 于 １ ｎ ｓ 的 时延 。测 量仪 器 采 用 Ｔ ｅ ｋ ２ ４ ４ ０示 波 器 ， 测 时延 精 度 达到 ０ ． １ ｎ ｓ 。文献 ¨ 。 。 的 中心 内容 可 概括 如 下 ： 用 发 送、 接收 喇 叭测 量 了微 波 在 空 气 中近 距 （ 小于 １ ｍ）
（ ｂ ） 图 ４ 美 国 小 组 实 验 时 的 天 线 布 置
传播时的脉冲延迟。它们相对时， 观察 到对应于光 速 ｃ的时延 。如果 接 收喇叭相 对 于发送 喇 叭移 动 或 倾斜 ， 时延 减 少 ， 表 现 出超光速 。微 波异 常传播 是通
过波 速 ＞ｃ 而 表现 出来 的 ， 而波 速 的测量 是 间接 的 （ 实 际上 是作 脉 冲时延 测 量 ） 。而 上述 异 常 现象 ， 在 喇 叭 间距 加 大时 即 自动 消 失 ， 即异 常 现象 是 出现 在
发射 天 线 的近 区。
Ｇ Ｉ 实 验所 用微 波 频 率 ｆ＝８ ． ２ ４ ５ Ｇ Ｈｚ ， 相 应 波 长
Ａ＝３ ． ６ ４ ｅ ｍ；
如 喇 叭 口面 直 径 Ｄ ＝９ ． ５ ｃ ｍ； 则 ２ Ｄ ／ Ａ ￣５ ０ ｃ ｍ； 实际上两喇 叭问距为 ４ ２ ． ７ ｃ ｍ及 ７ １ ． ５ ｃ ｍ， 在 辐射 性 近场 区和 远 场 区之 间。 图 ５是 实 验 结果 ， 小 圆 圈是按 图 ４（ ａ ） 布置取得 ， 小 三 角 是按 图 ４（ ｂ ）
布置 取 得 。可见 ， 超 光 速 现象 在 ｚ 小时（ ４ ２ ． ７ ｃ ｍ） 更 突出 ， 证 明异 常 传 播 不 是 发 生 在 远 区 （ ｆ ａ ｒ — ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ． ｇ ｉ ｏ ｎ ） 。另 外 ， 图 ４（ ｂ ）的 布 置 ， 超光速现 象 比图 ４
（ ａ ） 明显 ； 至 于为何 如此 ， 则 尚不 清楚 。 再看 １ ９ ９ ３年 、 １ ９ ９ ６年 意 大 利 电 磁 波 研 究 院 的 研究。１ ９ ９ ３年 文 章 ¨ …， 实 验 所 用 的 微 波 源 是 速 调
图 ６ 意大利小组实验时的天线布置
１ ４
中国传媒大学学报 自然科学版
第２ ０卷
图６ 是实验室采用的天线布置， 左为发射天线 ，
右 为接 收天 线 。天线 间 口面 间距 为 ｚ ， 最 大距 离 为
Ｌ ； ｄ表示 天线轴 线 间的距 离 （ ｄ＝ ０表 示 口面 相 对 ， ｄ
放空 间 （ ｏ ｐ ｅ ｎ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ） 的 情 况 与 量 子 隧 道 过 程 作 比
较 。上 述 特 殊 的 衰 减 波 又 称 复 合 波 （ ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘ
ｗ ａ ｖ ｅ ｓ ） ， 其波阵面（ 波前 ） 垂 直 于这 样 一 个 平 面 ， 大
≠０表 示接 收天 线 平 移 开适 当距 离 ） 。表 ２是 实 验 时 的参数 。故 发射 天 线 口面有 两 种 情 况 ， 即９ ｃ ｍ×
８ ｃ ｍ（ 最 大 直 径 Ｄ＝９ ｃ ｍ） 和１ ３ ． ５ ｃ ｍ ×１ ０ ． ５ ｃ ｍ（ 最 大
致与发射喇叭的垂直平面重合 （ 见图 ７ ） 。
发 送 天线
直 径 Ｄ＝１ ３ ． ５ ｃ ｍ） 。前 者 ２ ／ Ａ ５ １ ｃ ｍ， 对（ ａ ） 而 言
属近 区， 对（ ｂ ） 、 （ ｄ ） 而 言属 远 区； 后者 ２ Ｄ ／ Ａ １ １ ５ ｃ ｍ， 对（ Ｃ ） 、 （ ｅ ） 属近 区， 但（ ｅ ） 的 Ｌ＞２ Ｄ ／ Ａ， 故 （ ｅ ） 在 近远 区之 间 ， 从实验结果看 ， 近区、 远 区 都有
异 常传播 的情况 。
表 ２ 意大利小组的实验条 件和／ 计算值 实验
编 号
（ ａ ） ２ １ ５ ０
ｔ ， ｃ ｍ Ｌ／ ｃ ｍ
接收天线
图 ７ 复 合 波 的 示 意
发射天线 ２ Ｄ ． Ａ一 ’ ／
口［ ￣ ／ ｃ ｍ
９× ８
Ｃ ｍ
５ １ １ ＜ ２ Ｄ ／ Ａ
根 据 意 大 利 小 组 的实 验 安 排 ， 由于 ｌ ／ Ａ ＝５ ３ ／
３ ． １ ６＝１ ６ ． ８ ， 显然 属 于 辐射 性 近 场
区。 目前 的研 究
（ ｂ ）
（ ｃ ）
６ １
４ ９
９ ０
９× ８
５ １
ｌ 】 ５
ｆ ＞２ Ｄ ／ Ａ
Ｚ ＜ ２ Ｄ ／ Ａ
已涉及 天线 理论 的艰 难 部分 ， 即发 送 天 线 的近 场 区
的场结 构 和性质 。意 大 利小 组 测 出的传 播 情 况 ， 应 是 电抗 性近 场与远 场两种 情况 之间 的物理状 态 。
９ ０ １ ３ ． ５×１ Ｏ ． ５
（ ｄ ） １ １ １ １ ４ ０
（ ｅ ） ９ ９
９× ８
５ １
１ １ ５
ｆ ＞２ Ｄ ／ Ａ
ｌ ＜２ Ｄ ／ Ａ
现在 谈 谈 笔 者 的 看 法 。 我 们 认 为 Ａ ． Ｒ ａ ｎ ｆ ａ ｇ ｎ ｉ
等仍用 消失 波 原 理 来 解 释 微 波异 常 传播 的 Ｆ Ｔ Ｌ现
１ ４ ０ １ ３ ． ５×１ Ｏ ． ５
综合 实 验 情况 ， 当发 射天 线 不 动而 接 收天 线从 口面互相 对准 位置 向一侧 平 移 时 ， 间距 小 时 测 得 时 延 明显减小 ， 间距 中等时仍 有此 现象 ， 间距大 时现 象 消失（ 两 种 发射 天 线均 此 规 律 ） 。故 只 在 近 区 有 超 光速（ Ｆ ｒ Ｌ ） 现象 。 在 厘米 波 波 长 条 件 下 ， 这 个 近 区
大 约在 ０ ． ５ ｍ 以 内。
象是 正确 的 。当接 收喇 叭 平 移距 离 ｄ ， 异 常 现 象便 呈现 出来 。这说 明 消失 波 在两 侧 的 存在 ， 在 那 里形 成 了与截止 波导 内 的 电抗 性 场 相 似 的条 件 。 因此 ， 引用 和对 照消失 态 理 论 就有 必 要 。在 截 止波 导 里 ， 突 出的特点 便是 有 电抗 性 消失 场 ， 在 一 定 条件 下 甚 至成 为准 静 态 场 （ 电容 性 的 电场 或 电感 性 的 磁 场 ，
视模 式而 定 ） 。
１ ９ ９ ６年文 章 ¨ ， 实验设 备 、 微波 频 率 均 与 １ ９ ９ ３ 年 相 同。仍然 是用 脉 冲对 微 波 进 行调 制 ， 通 过 发 射 天线（ 角 锥喇 叭 ） 发射 出去 ， 接收 天线 （ 角锥 喇 叭 ） 收 到后 用 检 波 器 检 出 包 络 曲线 ， 测 出相 时延 （ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ
ｔ ｉ ｍ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ） 后 确定 波 速 。文 章 给 出 以 下 实 验 结 果 ：
参 考前 述 的“ 电抗性 近 场 ” 的情况 ， 我 们 可 以假 设在 意大 利小组 实验 中出现 的是 Ｔ Ｍ 极 化 的消失 波
型。
①天线 互 相 面对 ， 间距 ｆ － ０ ． ５ ３ ｍ； 测 出时延 下＝ ３ ． ２ ｎ ｓ ， 对应 的传播速度 ＝ ｃ 。②接收天线横向移动 ｄ ＝１ ６ ｃ ｍ， 测出时延 ｒ ＝ ２ ． ４ ｎ ｓ ， 对应 的传播速度 ＝ １ ． ２ ５ ｃ ； 修正后 ， 确定在空气 中传播速度 Ｖ ＝ ２ ｃ 。因 此， 意大利小组的
研究结果在 １ ９ ９ ６ 年文章中表达得
更 加 明确 了。在近 区 以及在近 区、 远 区分 界处 ， 均可
从 发
能出现异常传播（ ｎ’ Ｌ ） 现象 。 Ａ ． Ｒ ａ ｎ ｆ ａ ｇ ｎ ｉ 等的解释是 ， 这里有消失波 的一个
特殊类型存在 ， 这种类型 的波叫漏波 （ １ ｅ ａ ｋ ｙ ｗ ａ ｖ ｅ ） 。 根本问题在于 ， 仅在有消失波出现时 ， 人们才能把开
图 ８ 在 微 波 实现 的超 光速 实验 装 置
２ ０ ０ ０年 ５月 ， Ｄ ． Ｍｕ ｇ ｎ ａ ｉ 等 发表 了题 为“ 波 传 播超 光速 行 为 的观 察 ” 的论 文 。文章 说 ， 用 局 域 化
微波（ １ ｏ ｃ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｗ ａ ｖ ｅ ｓ ） 在波长数 十倍 的距离上
第 ２ 期
黄志洵 ： 自由空间中天线近区场 的类消失态超光速现象
１ ５
以实验演示 了超光速波传播 ， 这类波优 于消失模隧 穿， 因后者 常 常 只在 几 厘 米 距 离 上 表 现 出来 （ 消 失
模 特性 决 定 了距 离 很 短 ） ， 现在 的演示可达 １ ｍ 以 上 。图 ８是 测量 微波 传播 速度 的发送 与接 收天线 系 统， Ｄ是 圆 形 辐 射 缝 隙 的 平 均 直 径 ， 实验时取 Ｄ＝ ７ ｃ ｍ 以及 ｌ Ｏ ｃ ｍ。 信 号 形 式 为 微 波 脉 冲 ， 载 频 ｆ＝ ８ ． ６ Ｇ Ｈ ｚ （ 波长 Ａ约 ３ ． ５ ｃ ｍ） ， 调 制 为矩 形 脉 冲 （ 升 降 时 间均在 纳秒 级 ） 。用 Ｔ ｅ ｋ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｘ公 司 的双 路 数 字示 波器 Ｔ Ｄ Ｓ ６ ８ ０ Ｂ检 测 时 延 ， 实验 方 法 为 ， 改 变 发 送 天 线与 接 收天线 的间距 （ Ｌ＝０ ． ３ ｍ 一１ ． ３ ｍ） ， 作 时 延测 量 。图 ９为 时延 ｒ与 距 离 的关 系 ， 实 际 测 量 值 用 黑 色 圆点表示 ， 它们联 成 一条直 线 ， 其斜 率 比光速 线
略小 ， 由此可 知实 际 的波速 比光 速 略大
： ：
Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ． ， 即 （ ∞ ～ ｋ ｒ ）＝ ０ ， 也就 是 ：
一
一
ｋ ｒ Ｏ
一 吖ｒ 一 Ｏ ｔ ： ０
—
Ｏ ｒ
（ Ｌ １ ７ ）
由此 得
砉 ＝ ■ —
＂
（ １ ８ ）
过去 一般 认为 ｋ与 ｒ 无关 ， 分母 第 ２项 为零 ， 故 ：
ｏ ｔ ／ ｋ ； 显 然这 不严 格 。取相 角 ０ ＝一 ｋ ｒ ， 从而 有
： 一
ｋ—ｒ
（ １ ９）
故 得
一
１ ． ・ ０ ５ ３ｃ 。
然 而 ｋ＝ ｏ ｔ ／ ｃ ， 故有
～
即 比光 速 Ｃ 大了 ５ ． ３ ％； 这个 Ｖ 值是 平 均 的电磁 波速
度。
／（ ｃ ｍ／ｎ ｓ ）
广５ ０
一
ｃ
（ ２ ０ ）
类 似地 ， 在波群 （ ｗ ａ ｖ ｅ ｇ
ｒ ｏ ｕ ｐ ）由不 同频 率 的波
组成时， 可 以定 义群 速 ：
Ｉ Ｌ
４ ０
［ ］ ～
Ｗａ ｌ ｋ ｅ ｒ 还 导 出（ 根据 近场 时 的 Ｅ ） ：
３
，。
（ ２ １ ）
Ｌ ３ ０
南
（ ２ ２ ）
他 的结 论 是 ： 由振荡 的 电偶 极 子 产 生 的近 场 区电磁
波和波群 ， 由于靠近源 ， 电磁波以比光速大许多倍的 速度 传 播 ； 但在 ｒ ＝Ａ时 降为 光 速。他认 为 群 速 （ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ） 是 已调 波信 息速 度和 波 的能量 密度 传
播速 度 。 ２ ０ ０ ９年 Ｎ ． Ｖ ． Ｂ ｕ ｄ ｋ ｏ ｌ １ 发 表 论 文 “自由空 间 中
图 ９ 时延 与距 离关 系 的 测 量 结 果
电磁 场 的局 域 负 速 度 观测 ” ， 把 相 关 研 究 推 进 到新 的高度 。文章 指 出 ， １ ９ ８ ３年 国际 上作 出 了用 真空 中 光速 Ｃ 确 定长 度 的决定 ， 由于 给 出了 ｃ的精 确 值 ， 测
６ 近 年 来 的 自由空 间超 光 速 现 象 研 究
１ ９ ９ ９年 Ｗ． Ｄ ． Ｗａ ｌ ｋ ｅ ｒ 【 １ ３ ］ 著文 讨 论 “ 偶 极 子 在 近
量 光 的实在 速度 的工作 终结 了。然 而存在 一个 简单 问题 ： 究 竟是什 么 精确地 以 ２ ９ ９ ７ ９ ２ ４ ５ ８ ｍ ／ ｓ 的速度 行 进 ？一 种 说 法 是 “ 真 空 中 电磁脉 冲的波 前 （ ｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ） ” ， 通 常 又 假 定 跟 随其 后 的 波 形 也 是 该 速 度 。 这假 定对 雷达 测 距 等 是 必要 的 。然 而 ， 某 些 实 际上 有用 的波形并 非 以光 速 前进 。理论 与实 验 表 明 ， 矢
场 区的超 光 速 电磁 场 ” ， 虽 是无 实 验 的理 论 分 析 文 章， 却 有 独 到 之处 一 对 天线 近 场 区的研 究 是 分 别计
算相速和群速。例如对简谐变化的场 ：
Ｅ：Ｅ ｏ Ｓ ｉ ｎ （ ｔ ｏ ｔ 一 ｒ １
量电磁场的近场、 中场动力学 比简单 的向外传播要
复杂许多 。存在一个靠近源的区域 ， 在那里波前以 光速向外行进 ， 波形的主体 却向内， 或逆 时而行 ， 亦
即可 能有 波形反 时 间行 进 （ ｔ ｒ ａ ｖ ｅ ｌ ｂ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｔ ｉ ｍｅ ） 。该
过 去 的讨论 只取 ｋ＝ （ ｏ） ｔ ， 即 ｋ仅 与频 率有 关 ； 但 在 天线 近 场 区的 研 究 中应取 ｋ＝ｋ （ ｏ， ｔ ｒ ） ， 即 ｋ与 径 向 坐 标 ｒ有 关 。 这 样 一 来 ， 对等相面取 ｔ ｏ ｔ—ｋ ｒ＝
ｌ ６
中国传媒大学学报 自然科学版
第２ ０ 卷
文章 的 图 ３是 ｎ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ的 实 验 观
测 。总之 ， Ｂ ｕ ｄ ｋ ｏ文章认 为发 现 了近 场 区 的负速 度 ， 而且 在 （ ３ ． ５— ８ ） ｍ ｍ 的头 ５个 近 场 波形 ， 显示 内 峰
对 时 间逆行 。
实就是 区分 开 了场 和源 。在近场 ， 源 的作用 占优势 ； 在远场 ， 场 的作用 占优势 。但有 一个 例外 ， 在 我 的实 验中， ｚ轴 方 向没 有 Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ 矢 量 的传 播 。Ｍ ａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方程 的本 质是 波动 方程 ， 按 照我 的理解 ， 波动 方程 总 会 有横 波解 和纵波解 ， 横波 解 的速度往 往 比纵波快 ， 例 如地震 波 。Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 当年 假 设 以太 是 不 可 压缩 流 体， 按 照动力 学 的观点 ， 这 个纵 波速度 就应该 是无穷 大 。为什 么我 们从来 没有 看 到 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方程 的纵波 解？ ” 因此 ， 樊京 等不 仅做 成 功 了磁 偶极 子 天 线 近场 超 光速 实验 ， 还 提 出了一些 值得 思考 的理论 问题 。
２ ０ １ ２年 樊京 等 提 出 论 文 “ 电 磁 感 应 在 自由
空间以超光速传播” 。摘要说 ： “ 报道 了电磁感应超 光速现象。设计了电磁感应传播速度的测试系统 ，
测 试数 据表 明 ， 自 由空 间 条 件 下 ， 电磁 感 应 速 度 在 １ ０倍 光速 以上 。基 于 磁偶 极 子 的解 析 解 和 基 于有 限元分 析 的数值解 支持 我们 的结论 。本 工作可 能改 变 人们对 变压 器工作 原 理 的认识 ， 同时也 为 超 光 速
通信提供 了一种 可能 的新方法。 ” 以上 引文 中的着 重号（ 圆点 ） 为 笔者所 加 ， 其 实验 系统见 图 ｌ Ｏ 。
电
７ 讨 论
过去 常有 人 说 ， Ｓ Ｒ理 论 对 “ 超 光速不可能性”
的判断是 针对 真空 条件 （ 自由空 间条 件 ） 下的 ｃ 值，
曩 Ｉ
传：
播ｉ 方 向ｊ
接收天线 １ 接收天线 ２
如 让光 （ 或其 他 电磁 波 ） 通 过 某 种 媒 质 就 与 上述 条 件 不符 ， 因而 失 去意 义 。然而 ， 近年来 ， 多项 理论 与
实验研究 已证明即使在 自由空间情况下 ， 超光速也 是存 在 的 ； 这就 证 明 了超 光 速 现象 的普 遍 性 。至 于 如何 理解 “ 近场超 光速 ” ， 理论 上还应 进行 工作 。 ２ ０ １ ２年秋 梁 昌洪 钊的书 《电磁 理 论 前 沿 探 索
札记 》出版 ， 由于 其 内容 生 动 、 丰富、 深 刻 而 引起 关 注 。该书第 一篇 （ “ 静 电 场 的 自作 用 能 ” ） 的论 述 恰
放大 器
好与笔者近期的思考一致 ， 其中讲到 １ ９ ４ ０年秋 Ｆ ｅ ｙ ． ｎ ｍａ ｎ遇 到电磁 理 论 上 的问题 —— 由于 把 电子 看 作
图ｌ
０ 磁偶极子 （ 环 天线） 测 量 系 统
点 粒子 ， 电 子 自作 用 能 成 为 无 限大 。Ｆ ｅ ｙ ｎ ｍ ａ ｎ于是 假 定“ 电子 不 能对 自己产 生 作 用 ” ； 又提 出“ 辐射 阻 尼 可看成 为 由吸收体 电荷 以超前 波 的形 式对 源 的一 种 反作用 ” 。梁 昌洪 认 为 ， 这种 理 论 的最 大 特 色 在
于“ 既 不 出 现 电磁 场 ， 也 不 存 在 电 荷 对 自身 的 作 用” 。我们 觉 得 这 些理 论 思 考 对 认 识 电小 天 线 （ 是 电流源而 非 电荷 源 ） 的近 区场 特 性 ， 以 及 这种 特性 导 致 的超 光速 乃至 负速度 现象 ， 是有启 发 的。 本 文 的中心思想 是 ： 存 在着 一种 可 称 为 ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ — ｃ ｅ ｎ ｔ — ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｉ ｋ ｅ （ 类 消失 态 ） 或 ｑ ｕ ａ ｓ ｉ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｔ － ｓ ｔ ａ ｔ ｅ
在 与冯 正 和教 授 讨 论 时 ， 樊 京 深人 谈 及他 的想
法： “ ①关于近场 的群速和相速 问题首先要区分 电 磁 波矢量 ｋ的传 播 方 向 和 电磁 感 应 的传 播 方 向 ， 这
两个 方 向是正 交 的 ， 不 能混 淆 。根 据 相 速度 和 群 速 度 的定义 ， 我们 可 以解 析 计算 出 电偶 极 子 和磁 偶 极 子 的速度 。对 此请看 Ｗ． Ｄ ． ｗａ Ｊ ｋ ｅ ｒ 的计算 和 黄 志洵
老 师对波 速 问题 的讨 论 。结 论 是 这样 的 ： 在 电磁 波
的传播方 向， 近场群 速度 低于光速 ， 相 速度高于光 速， 甚至会 出现负群速和负相速的情况 ； 在电磁感应 的方向， 相速度和群速度均超光速。②为什么近场 会 出现 特殊 光速 ？本 质上 ， Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方 程在 静态 和动
态 是不协 调 的 。Ｐ ｏ ｙ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ能量 在 推 广到 静 态 时会 产 生 悖论 。这 就引 出 了 ｌ ９世 纪 曾经 激烈 辩 论 过 的一
（ 准消失 态 ） 的电磁场 状 态 ， 天线 近 区场 就 是这 种 状 态 。由此 而解 释实验 中发 现 的 “ 近 区场 超 光速 ” ， 就 比较容 易 了。科学 家 和 实 验员 的工 作都 重 要 ， 但 后 者 只是 就事论 事地 提供事 实 ； 虽然这 也不容 易 ， 但 更 难 的是 前 者 ， 即必 须 对 实验 现 象 作 出数 学 和 物 理学
的解 释 。 个 关 键性 的问题 是 ： 天 线 近 区场 的类 消 失态
一
个 问题 ： ‘ 场’ 和‘ 源’ 的作用是否相 同？赵凯华认为 “ 位移 电流与传导电流不以同样规律激发磁场” ， 其
第 ２ 期
黄 志 洵 ： 自 由空 间 中天 线 近 区场 的类 消 失 态 超 光 速 现 象
１ ７
传 播是 否存 在负 速度 现象 ？如 果存 在 ， 该 怎 样理解
？ 前 已述 及 ， Ｂ ｕ ｄ ｋ ｏ明 确说 他 由实验 在 近 场 区 发 现 了 负 速度 ； 樊 京也 认 为 会 出现 负 波速 。但 Ｂ ｕ ｄ ｋ ｏ的论 述倾 向于把 负速 度 与 负 时 间 混淆 ； 而这 两 者 似 有 区 别 ？对 此笔 者 仍 感 觉 困 惑 。 回过 头 来 看 ｗｈ ｅ ｅ １ ｅ ｒ —
Ｆ ｅ ｙ ｎ ｍａ ｎ的超前 作用 （ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 思想 ， 根 本 点 在 于 电磁场 方程 的解 本 来 就 包含 两 方 面 ： 推 迟 波 和 超 前波 ； 后 者一 直被 忽 略 和 压 制 是 因 为它 违 反 了 因 传 递 时间 为
＝
旦
Ｃ
（ ２ ３ ）
果 性要 求 。然 而 ， 经历 了量 子 力学 ８ ０多 年 发 展 ， 又 被“ 存 在负 波速 ” 的大量 实验 事 实 所启 发 ， 今 天我 们
终于明白： 不能 把 因果 性 考 虑 放 在 首位 来 决 定 物 理 论 的取舍 。实 际上 ， 把 推 迟 解 和 超前 解 结 合 起 来 正 是诠 释 天线 近 区场 电磁 现象 的最 好方 法 。 ２ ０ １ ０年笔 者写 作 “ 虚 光子 初探 ” 一文 ， 它 未在 杂
１一
图１ １ Ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ讨 论 信 号 速 度 间 所 用 的 图 形
志 上发 表 而直接 收入 到 ２ ０ １ １年 出版 的书《 现 代 物理 学 研究 新进 展 》 之 中。文 章说 ： “ 负波速 现象 确实
对 因果 律形 成 冲击 ， 有 的物理 学家 感 到不可 理解 ， 但 它 是 由实验 反 复证 明 了的 客 观存 在 ” 。又 说 ： “ 负 相 速 比负群 速更 为奇怪 和不 可 思议— — 电磁 波行进 一
ｔ ｓ ＝ｆ
（ ２ ４ ）
式 中， ｆ 为物体 长度 。如 ｕ＞ ， 则选择 Ｖ （＜Ｃ ） ， 总能 使ｔ ＜ ０ 。这 就 出现 了负 的传 递 时 间 ， 以及 负 的信号 速度 。Ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ认 为 ， 这种 传 递 机 制 造 成 “ 结 果 比原 因先 到达 ” ， 因此 “ 不 可 能 有 这 样 的信 号 传 递 ， 其 速 度 大 于真 空 中光 速 ” 。他 又 说 ： “ 虽 然 这种 结 局 单从
段 距离 后产 生滞 后 相 角 ， 而 在 消 失 态情 况 下却 可 能 产 生超 前相 角 ， 代 表 负相 位 常 数 和 负 相速 的物 理 意 义” 。现在 重读 这些 话 产 生 了新 的想 法 ： 首先 ， 负 波 速 概念 也 受 Ｃ ａ ｕ ｓ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ （ 译 为 因果 性 较好 ） 的阻 击 ， 一
如 前述 的超 前 解 ； 这 就 暗示 两 者 的 联 系 和 一 致 性 。
逻辑上考虑可以接受 ， 并不包含矛盾 ； 但它同我们全
部 经验 的特性是 那 么格格 不入 ， 所 以 ｕ＞ ｃ假设 的不
可能性 看来 是 足够 充分地 证 实 了的 ” 。
我
们 在此 重提 Ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ的 １ ９ ０ ７年 论 文 ， 不 是 为
其次 ， 电磁 波超 前解 现象 并非 只在 天线 条件 下存 在 ， 在 传输 线 （ 波导 ） 中也存 在— — 例如 截止 波导 中 （ 消 失态） 所 可 能 呈 现 的负 相 位 常 数 （ Ｊ Ｂ＜０ ） 和 负 相 速 （ 。 ＜ ０ ） 现象 。最 后 ， 这 些 情况 验证 了本 文 主 旨的 正 确性 和 意 义 ， 即天 线 近 区 场 的 超 光 速 现 象 （ 含 负 速 度现 象 ） 本质 上 是一 种 类 消 失态 物 理 条 件产 生 的 现象 ， 故在 近 区场研 究 方 法 上 可 以充 分借 鉴 消失 态
研 究 。
了评论 他 的判 断 （ 信 号速 度 不 能超 光 速 ） 的对错 ， 更 不在 此讨 论相 对 论 。而 是 指 出 我们 注 意 到 ： ① 他 的
分析里同时出现了超光速 、 负时 间、 负速度 ； ②他使
用Ｃ ａ ｕ ｓ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ帮 助 自己作 判 断 ； ③ 他认 为违 反 因果性
的事 可 以不违 反逻 辑 ， 只是 由于它 违反人 类 经验 ， 所
以才说 “ 信 号速 度不 可 能超 光 速 ” ； ④ 他 不做 百 分 之 百 的肯定 ； 那种 不 确定 的语气 ， 仿佛 为今 天 的超光 速
研 究 留下 了空 问 。
回顾历 史 ， １ ９ ０ ７年 Ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ发表 文章 “ 关 于相对 性 原理 及 由此得 出 的结 论 引， 其中的 § ５（ “ 速 度 的 加 法定 理 ” ） 内容 既 与信 号 速度 有 关 ， 又 与 负 速度 有 关 。文 章说 ， 假 定沿 参 照 系 ｓ的 轴 放一 长条 物 体
２ ０ ０ ０年 ＷＫ Ｄ实验 公 布 ， 而这 是 一 个 典 型 的 负群 速 （ Ｎ Ｇ Ｖ） 实 验 。两 年 后 ， 刘 辽 评 论 说 ， 该 实 验是 “ 直 接 显 示 了超 前 场存 在 ” 。作 为 一 位 资 深 的
相对论 学 者 ， 他 还认 为这 类 实 验 对 旧有 理 论 形 成 了
（ 图１ １ ） ， 相对于它可以用速度 传递某种作用（ 从 长条 物 体来 判断 ） ， 并 且不 仅在 轴 上 的点 ＝０ （ 点
Ａ） ， 而且 在 点 （ 点 Ｂ） 上 都有 对 ． ｓ静止 的观 察者 ； 在
冲击 ， 甚 至是在 实验 室 中实 现 了所谓 时间机 器 （ ｔ ｉ ｍ ｅ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ） 的效应 。可 以看 出这位 专 家 的态 度是 积极
Ａ处 的人发一信号 ， 通过长条物体传给在 Ｂ处的人 ， 长条物体 以速度 （＜ ｃ ） 沿（一 ） 方向运动 。那 么， 根据 Ｓ Ｒ速 度合 成公 式 ， 信号 速度 为
而开放 的， 不像有的理论物理学家断然否认超光速 和负群 速有 实现 的可 能 。刘 辽 教授 还 认 为 ， Ｃ ａ ｕ ．
ｓ ｌ ａ ｉ ｔ ｙ 的
精髓并非像一般人所理解 的那样 ， 主要体现 在 时序 上—— “ 原 因” （ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ） 先 于“ 结果 ” （ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ） ；
１ ８
中国传媒大学学报 自然科 学版
第２ Ｏ 卷
最 重 要 的 是 结 果 不 能 影 响原 因 （ 文 献 叫的原 话 是
ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｏ ｐ ｅ ｎ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ［ Ｊ ］ ． Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｗ ａ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ Ｏ ｐ ｔ
Ｔ ｅ ｃ ｈ Ｌ ｅ ｔ ｔ ， １ ９ ９ １ ， ４ （ ２ ） ： ７ ９— ８ １ ．
“ 果 不 可能通 过任何 方 式影 响 因” ） 。这就 维 护 了 自 然 规律 的客 观性 （ 人 不 能改 变历 史 ） ， 又 可 以解 释一 些 新 出现 的物理实 验 。笔者认 为这 位老专 家 的观点 是 正确 而又 深刻 的 ， 他 的科学 态度值 得学 习 。 本 文把 天 线 近 区场 超 光速 现 象 、 消失 态 电磁现
象、 超前 波 、 负波速 联 系 起来 理 解 讨 论 ， 并 在此 纠正
［ １ ０ ］ Ｒ ａ ｎ ｆ ａ ｇ ｎ ｉ Ａ ． Ａ ｎ ｏ ｍ ａ ｌ ｏ ｕ ｓ ｐ ｌ ｕ ｓ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ｉ ｎ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｗ ａ ｖ ｅ
ｐ ｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ： Ａ ｐ ｌ ａ ｕｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｔ ｕ ｎ ｎｅ —
ｌ ｉ ｎ ｇ ｔ ｉ ｍ ｅ ［ Ｊ ］ ． Ｐ ｈ ｙ ｓ Ｒ ｅ ｖ Ｅ， １ ９ ９ ３ ， ４ ８ （ ２ ） ： １ ４ ５ ３—
１ ４６ ０．
［ １ １ ］ Ｒ ａ ｎ ｆ ａ ｇ ｎ ｉ Ａ， Ｍｕ ｇ ｎ ａ ｉ Ｄ ． Ａ ｎ ｏ ｍａ ｌ ｏ ｕ ｓ ｐ ｌ ｕ ｓ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ｉ ｎ
ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｗａ ｖ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ：Ａ ｃ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｓ ｕ ｐｅ ｒ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ａ ｌ
自己过 去 的一 个 说 法 （ “ 负相 速 比 负群 速 更 为 奇怪 和不可 思议 ” ） 。其 实负 相 速并 不 奇怪 ， 它就 是 超前
波 。另 外 ， 笔 者在研 究工 作 中注意 到如下 的情 况 ： 超
ｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ［ Ｊ ］ ． Ｐ ｈ ｙ ｓ Ｒ ｅ ｖ Ｅ， １ ９ ９ ６ ， ５ ４ （ ５ ） ： ５ ６ ９ ２—
５ ６ ９ ５ ．
光速波速（ 例如 ＞ ｃ ） 与负波 速 （ ＜ ０ ） 这两 者常 常在 同一 实 验 系 统 中相 伴 相 生— —这 虽 能 用 Ｂ ｌ ｉ １ ．
１ ｏ ｕ ｉ ｎ图解 释 ， 但 还 是 引 人 注 目。总 之 ， 虽 然 自然 界
复杂 、 奇妙 ， 但 它 总归是 可 以认 识 的 。 参考 文献
［ １ ２ ］ Ｍｕ ｇ ｎ ａ ｉ Ｄ ． Ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ
ｕ ｐ ｅ ｒ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ａ ｌ ｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｏ ｒ ｓ
ｉ ｎ ｗ ａ ｖ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ［ Ｊ ］ ． Ｐ ｈ ｙ ｓ Ｒ ｅ ｖ Ｌ ｅ ｔ ｔ ， ２ ０ ０ ０ ， ８ ４
（ ２ １ ） ： ４ ８ ３ ０— ４ ８ ３ ３ ．
［ １ ３ ］ Ｗａ ｌ ｋ ｅ ｒ Ｗ Ｄ ． Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ａ ｌ ｎ ｅ ａ ｒ － ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｄ ｉ ｐ ｏ ｌ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ —
ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｓ ［ Ｊ ］ ． ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ ． ａ ｒ Ｘ ｉ ｖ ． Ｏ ｒ ｇ ，
１ ９ ９ ９ ．
『 １ ４］ Ｂ ｕ ｄ ｋ ｏ Ｎ Ｖ． Ｏｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ｎ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ —
［ １ ］ 黄志洵 ． 对开放空间中微波异常传播现象的探 讨［ Ｊ ］ ．北 京 广 播 学 院 学 报 （自然 科 学 版 ） ，
２ ０ ０ ０ ， （ ３ ） ： １ ０—１ ８ ．
ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｆ ｒ ｅ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ［ Ｊ ］
．
Ｐｈ ｙ ｓ Ｒｅ ｖ Ｌ ｅ ｔ ｔ ， ２ ０ ０９， １ ０ ２： ０２ ０ ４０１ １—４．
［ １ ５ ］ 樊京 ， 周 冶 平 ．电磁感 应在 自由空 间 中 以超 光
［ ２ ］ 黄 志洵 ．超光速 研究 新进展 ［ Ｍ］ ．北京 ： 国防 工
业 出版社 ， ２ ０ ０ ２ ．
速传播［ Ｊ ］ ． 即将发表的论文 ， ２ ０ １ ２ ．
［ １ ６ ］ 梁 昌洪 ．电磁 理 论 前 沿探 索 札 记 ［ Ｍ］ ．北 京 ：
电子工业 出版社 ， ２ ０ １ ２ ．
［ ３ ］ 黄 志洵 ． 截 止 波导理 论导论 （ 第 ２版 ）［ Ｍ］ ．北
京： 中国计 量 出版社 ， １ ９ ９ １ ．
『 ４ ］ Ｇ ｌ ｅ ｉ ｃ ｋ Ｊ ． Ｇ ｅ ｎ ｎ ｉ ｕ ｓ ： ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｒ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ
［ １ ７ ］ 黄 志洵 ．虚 光子 初探 ．见 ： 现代 物 理学 研究 新 进展［ Ｍ］ ． 北京 ： 国防工业 出版社 ， ２ ０ １ １ ． ［ １ ８ ］ 黄志洵 ．论 消 失 态 ［ Ｊ ］ ．中 国传 媒 大 学 学 报
（ 自然科 学版 ） ， ２ ０ ０ ８ ， １ ５ （ ３ ） ： １ — ９ ． ［ １ ９ ］ Ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ Ａ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ’ Ｓ ｃ ｏ ｎ —
ｃ ｔ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ『 Ｊ］． Ｊ ａ ｈ ｎ Ｄ ｅ ｒ Ｒａ ｄ ｉ ｏ
ａ ｋ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ￣ ｉ ｔ ｕ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｋ ．
Ｆ ｅ ｙ ｎ ｍ ａ ｎ ［ Ｍ］ ． Ｎ ｅ ｗ Ｙ ｏ ｒ ｋ ： Ｎ ｅ ｗ ｔ ｏ ｎ Ｐ ｕ ｂ ｌ Ｃ ｏ ． １ ９ ９ ２ ． ［ ５ ］ 杨 思耀 ， 杜加聪 ．天 线 ［ Ｍ］ ．北 京 ： 电子 工 业 出
版社 ， １ ９ ８ ７ ．
［ ６ ］ Ｗｙ ｎ ｎ ｅ Ｋ ． Ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｗ ａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｓ［ Ｊ ］． Ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ｓ ｃ ｏ ｍ ｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，
２０ ０ ０， １ ７ ６： ４ ２ ９ —４３ ５ ．
ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｋ ， １ ９ ０ ７ ， ４ ： ４ １ １—４ ６ ２中译 ： 关 于 相 对 性 原
理和 由此得 出的结 论 ［ Ａ］ ．范 岱年 ， 赵 中立 ， 许 良英译 ．爱 因斯 坦 文集 ・ 第 ２卷 ［ ｃ］ ．北 京 ：
商务 印书馆 ， １ ９ ８ ３ ， １ ５ ０— ２ ０ ９ ． ［ ２ ０ ］ 刘辽 ．试论 王力 军 实验 的意 义 ［ Ｊ ］ ．现 代 物 理 知识 ， ２ ０ ０ ２， １ ４ （ １ ） ： ２ ７— ２ ９ ．
［ ７ ］ Ｗａ ｎ ｇ Ｌ Ｊ ， Ｋ ｕ ｚ ｍｉ ｃ ｈ Ａ， Ｄ ｏ ｇ ａ ｒ ｉ ｕ Ａ ． ｇ ａ ｉ ｎ — ａ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｄ Ｓ Ｕ — ｐ ｅ ｒ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｐ ｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ［ Ｊ ］． Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ， ２ ０ ０ ０，
４０ ６： ２ ７ ７ —２ ７ ９．
［ ８ ］ 黄志洵 ． 论 电磁波传播中的负速度［ Ｊ ］ ．中国传
媒 大学 学 报 （自然 科 学 版 ） ［ Ｊ ］ ． ２ ０ ０ ７ ， １ ４（ １ ） ： ｌ
一
［ ２ １ ］ 张元 仲 ．反 常 色 散 介质 ‘ 超光速 ’ 现 象 研 究 的 新进 展 ［ Ｊ ］ ．物 理 ， ２ ０ ０ １ ， ３ ０ （ ８ ） ： ４ ５ ６－ ４ ６ ０ ． （ 责 任编辑 ： 宋金 宝 ）
１１ ．
［ ９ ］ Ｇ ｉ ａ ｋ ｏ ｓ Ｇ Ｃ， Ｉ ｓ ｈ ｉ ｉ Ｔ Ｋ ． Ａ ｎ ｏ ｍａ ｌ ｏ ｕ ｓ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｗ ａ ｖ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ －
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