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奇妙的光爆,是粒子運動超過光速的現(xiàn)象,光速被超越了?

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自從愛因斯坦的狹義相對論問世,光速就成為物理界一個非常重要的常數(shù),即c=299792458m/s。也就是說光速約為每秒鐘運行30萬公里。

愛因斯坦認(rèn)為,這個世界沒有任何物體,包括微觀和宏觀的物體運動能夠達到光速,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=MC^2,這里的E表示能量,M表示質(zhì)量,C代表光速。

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

愛因斯坦還從光速限制中,得到了速度的質(zhì)增效應(yīng)和速度的時間膨脹效應(yīng),就是說,在運動中速度越快質(zhì)增效應(yīng)越明顯,扭曲的時空會讓時間流逝越慢,達到光速動量會變得無窮大,時間停滯。

從而鎖死了我們世界的運動速度,任何物體的運動都不可能達到光速,更不可能超過光速。

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

以上說的這些都說明了一個問題,在我們這個世界,光速就是天花板,沒有物體運動能夠突破,哪怕一個粒子、幾乎沒有質(zhì)量的中微子也不能例外,否則就會導(dǎo)致動量無限大,宇宙崩潰;時間停滯,一切都停滯。

這就是所謂的光速藩籬。既然如此,為啥我們常看到網(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,音爆是一個物體以超過聲音的速度運動時產(chǎn)生的沖擊波,是由于超音速物體產(chǎn)生的音波速度無法快到足以離開物體,波被“堆積”起來而形成的一個震波波前,又叫轟聲。而所謂光爆,則是物體運動超過光速時產(chǎn)生的振波。

既然光速是我們世界運動速度的極限,任何有靜止質(zhì)量的物體都無法達到光速,更無法超越,為何又會有超光速現(xiàn)象發(fā)生呢?

這是因為所謂光速極限,是指真空光速,也就是說,光速c=299792458m/s這個常數(shù),是指光在無介質(zhì)的真空中的運動速度,而光在不同介質(zhì)中,會有所放慢。如在空氣中約為1c,在冰中約為0.77c,水中運動約為0.75c,酒精中約為0.73c,玻璃中約為0.67c。

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

中微子由于不帶電,不會與物質(zhì)發(fā)生作用,因此,雖然任何一個指甲蓋大小的物體,每秒鐘都有數(shù)萬億個中微子穿過,卻幾乎不會留下一絲痕跡。但這些中微子幾天中也會有一兩個特殊個體,碰撞到物質(zhì)的原子核,超高速碰撞會將原子核撞碎,產(chǎn)生所謂亞原子“彈片”,以略低于光速的速度從碰撞點散射開來,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,這種天文臺并不像典型天文臺那樣,運用大口徑望遠鏡觀察太空,而是在1.6公里的冰層深處設(shè)置了5000多個垂直懸掛的傳感器,來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)一個帶電粒子以超過介質(zhì)光速的速度運動時,就會在介質(zhì)中產(chǎn)生一個錐形電磁波,其特征是藍色輝光,這就是光爆。這個錐形電磁波的錐角可以用公式cosθ=nvc來計算。

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

在實踐中,并非只有中微子碰撞的亞原子碎片在介質(zhì)中速度可以超過光速,還有許多粒子運動速度能夠在水、冰等介質(zhì)中超過光速,如原子核反應(yīng)的輻射現(xiàn)象、通過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。任何物體都無法達到真空光速還有一個限定,就是有靜止質(zhì)量的物體,哪怕這個質(zhì)量極其輕微,無限接近零,如中微子。

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

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