光速也能被超越？探秘令人稱奇的“光爆”現(xiàn)象

自從愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論問(wèn)世，光速就成為物理界一個(gè)非常重要的常數(shù)，即c=299792458m/s。也就是說(shuō)光速約為每秒鐘運(yùn)行30萬(wàn)公里。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，這個(gè)世界沒(méi)有任何物體，包括微觀和宏觀的物體運(yùn)動(dòng)能夠達(dá)到光速，更不可能超越光速。因此，光速就成為了物理學(xué)許多公式的重要參數(shù)，并由此得出許多著名的定律，如質(zhì)能方程E=mc2，這里的E表示能量，m表示質(zhì)量，c代表光速。

也就是說(shuō)，能量和質(zhì)量是等價(jià)的，且可以相互轉(zhuǎn)換，一個(gè)物體的質(zhì)量乘以光速的平方就是這個(gè)物體所蘊(yùn)含的能量。

愛(ài)因斯坦還從光速限制中，得到了速度的質(zhì)增效應(yīng)和速度的時(shí)間膨脹效應(yīng)，就是說(shuō)，在運(yùn)動(dòng)中速度越快質(zhì)增效應(yīng)越明顯，扭曲的時(shí)空會(huì)讓時(shí)間流逝越慢，達(dá)到光速動(dòng)量會(huì)變得無(wú)窮大，時(shí)間停滯。

從而鎖死了我們世界的運(yùn)動(dòng)速度，任何物體的運(yùn)動(dòng)都不可能達(dá)到光速，更不可能超過(guò)光速。

這個(gè)定律有兩個(gè)公式來(lái)表示，即質(zhì)增效應(yīng)公式：M=m/√[1-（v/c）^2]，其中M為物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，m為物質(zhì)的靜質(zhì)量，v為運(yùn)動(dòng)速度，c為光速；速度的時(shí)間膨脹效應(yīng)公式：t’=t√(1-2GM/rc^2)，其中t’為引力時(shí)間膨脹效應(yīng)值，t為低引力慣性系觀測(cè)者時(shí)間流逝值，G為引力常數(shù)，M為天體質(zhì)量，r為天體半徑，c為光速。

以上說(shuō)的這些都說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，在我們這個(gè)世界，光速就是天花板，沒(méi)有物體運(yùn)動(dòng)能夠突破，哪怕一個(gè)粒子、幾乎沒(méi)有質(zhì)量的中微子也不能例外，否則就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量無(wú)限大，宇宙崩潰；時(shí)間停滯，一切都停滯。

這就是所謂的光速藩籬。既然如此，為啥我們?？吹骄W(wǎng)絡(luò)上介紹的“光爆”現(xiàn)象，也就是超光速產(chǎn)生的現(xiàn)象呢？

我們知道，音爆是一個(gè)物體以超過(guò)聲音的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊波，是由于超音速物體產(chǎn)生的音波速度無(wú)法快到足以離開(kāi)物體，波被“堆積”起來(lái)而形成的一個(gè)震波波前，又叫轟聲。而所謂光爆，則是物體運(yùn)動(dòng)超過(guò)光速時(shí)產(chǎn)生的振波。

既然光速是我們世界運(yùn)動(dòng)速度的極限，任何有靜止質(zhì)量的物體都無(wú)法達(dá)到光速，更無(wú)法超越，為何又會(huì)有超光速現(xiàn)象發(fā)生呢？

這是因?yàn)樗^光速極限，是指真空光速，也就是說(shuō)，光速c=299792458m/s這個(gè)常數(shù)，是指光在無(wú)介質(zhì)的真空中的運(yùn)動(dòng)速度，而光在不同介質(zhì)中，會(huì)有所放慢。如在空氣中約為1c，在冰中約為0.77c，水中運(yùn)動(dòng)約為0.75c，酒精中約為0.73c，玻璃中約為0.67c。

因此，任何物質(zhì)在無(wú)介質(zhì)的真空中是無(wú)法達(dá)到光速，更不可能超過(guò)光速，但在介質(zhì)中就有可能超過(guò)光速了。當(dāng)然，這些在介質(zhì)中超過(guò)光速的所謂物質(zhì)只能是微觀粒子，如中微子只有極其輕微的質(zhì)量，幾乎沒(méi)有電磁力作用力，其運(yùn)動(dòng)速度接近光速，這樣，在水、冰、玻璃等介質(zhì)中，速度肯定就超過(guò)光速了。

中微子由于不帶電，不會(huì)與物質(zhì)發(fā)生作用，因此，雖然任何一個(gè)指甲蓋大小的物體，每秒鐘都有數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子穿過(guò)，卻幾乎不會(huì)留下一絲痕跡。但這些中微子幾天中也會(huì)有一兩個(gè)特殊個(gè)體，碰撞到物質(zhì)的原子核，超高速碰撞會(huì)將原子核撞碎，產(chǎn)生所謂亞原子“彈片”，以略低于光速的速度從碰撞點(diǎn)散射開(kāi)來(lái)，這些“彈片”的速度就超越了光速，由此產(chǎn)生了“光爆”現(xiàn)象。

科學(xué)家們?yōu)榱瞬蹲降竭@些中微子，在南極建造了冰立方中微子天文臺(tái)，這種天文臺(tái)并不像典型天文臺(tái)那樣，運(yùn)用大口徑望遠(yuǎn)鏡觀察太空，而是在1.6公里的冰層深處設(shè)置了5000多個(gè)垂直懸掛的傳感器，來(lái)捕捉中微子撞擊原子核后發(fā)生的閃光，從而確定這些中微子來(lái)自何方。

“光爆”又被稱為切倫科夫輻射，是一種以短波為主的電磁輻射，主要表現(xiàn)為藍(lán)色閃光，這種現(xiàn)象由前蘇聯(lián)物理學(xué)家帕威爾·阿列克謝耶維奇·契倫科夫于1934年發(fā)現(xiàn)，因此以他的名字命名。

契倫科夫輻射類似超音速飛行引起的音爆現(xiàn)象，即當(dāng)一個(gè)帶電粒子以超過(guò)介質(zhì)光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)錐形電磁波，其特征是藍(lán)色輝光，這就是光爆。這個(gè)錐形電磁波的錐角可以用公式cosθ=nvc來(lái)計(jì)算。

其中c為真空光速值，n是介質(zhì)的折射率，v是帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度。從公式中可以看出，當(dāng)v值大于c/n時(shí)，才能產(chǎn)生光爆。如在水中的n值約等于1.33，可以計(jì)算出電子v為0.75c時(shí)的錐角約為49°。

在實(shí)踐中，并非只有中微子碰撞的亞原子碎片在介質(zhì)中速度可以超過(guò)光速，還有許多粒子運(yùn)動(dòng)速度能夠在水、冰等介質(zhì)中超過(guò)光速，如原子核反應(yīng)的輻射現(xiàn)象、通過(guò)粒子加速器加速的粒子、宇宙射線等等。

因此，我們要嚴(yán)格的定義光速極限、光速恒定的常數(shù)c=299792458m/s是專指真空光速，真空光速才是所謂的極限速度。任何物體都無(wú)法達(dá)到真空光速還有一個(gè)限定，就是有靜止質(zhì)量的物體，哪怕這個(gè)質(zhì)量極其輕微，無(wú)限接近零，如中微子。

而所謂光爆的超光速現(xiàn)象，并沒(méi)有違反愛(ài)因斯坦光速極限理論，真空光速目前依然是宇宙中運(yùn)動(dòng)速度無(wú)法突破的天花板。

時(shí)空通訊原創(chuàng)文章，請(qǐng)尊重作者版權(quán)，感謝理解支持。