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。
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