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光速真的不可超越嗎?物理學家在超光速現象中發現了奇妙的藍光

2024-01-31 20:50:32

光速真的不可超越嗎?其實在特定的情況下,光速是可以被超越的,實際上,在過去的日子裡,物理學家就在一種超光速現象中發現了奇妙的藍光,下面我們就來看看這具體是怎麼回事。

這種奇妙的藍光最初是由前蘇聯物理學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·切連科夫注意到的,1934年,他在對放射線中的帶電粒子穿過流體時所發生的現象進行研究時,發現了一種藍色的輝光。

其實這種藍光在之前的實驗中也被發現過,但當時人們普遍認為,這種藍光應該是一種熒光現象,所以並沒有對其進行深入的研究。不過切連科夫並沒有這樣認為,因為他在仔細觀察後發現,這種藍光具有明顯的方向性和強偏振,而如果這真是熒光現象,那就不應該是這樣的。

(↑切連科夫)

所以他又進行了一系列的實驗,在實驗過程中,他仔細地排除了所有可能產生熒光現象的因素,而實驗結果表明,在排除了這些因素之後,藍光仍然會出現,這就說明了,它並不是之前人們所認為的熒光現象。

既然不是熒光現象,那這種奇妙的藍光又會是什麼造成的呢?對此,切連科夫表示自己也不清楚,不過他的發現很快就引起了科學界的關注,而這種現象隨後也被命名為“切連科夫輻射”(Cherenkov radiation)。

在接下來的日子裡,前蘇聯物理學家伊利亞·弗蘭克和伊戈爾·葉夫根耶維奇·塔姆對“切連科夫輻射”展開了深入地研究,並在1937年正式公佈了他們的研究結果,即:“切連科夫輻射”其實是一種超光速現象產生的。

這裡需要簡單科普一下,關於光速,有一種常見的描述就是:根據相對論,光速是宇宙中的一種速度極限,任何物質的運動速度都不可能超過光速。然而這樣的描述並不準確,因為相對論中所講是,任何物質的運動速度都不可能真空中的光速,也就是299792458米/秒。

需要知道的是,當光在介質中傳播的時候,其速度其實會低於真空中的光速,例如光在水中的傳播速度就只有真空光速的大約4分3,而在玻璃中的傳播速度更是低至真空中的大約3分之2,這也就意味著,介質中的光速是可以被超越的,這並沒有違背相對論。

所以弗蘭克和塔姆給出的解釋就是:當帶電粒子在介質中速度超過了光在這種介質中的速度時,就會與介質中的分子發生相互作用,從而改變它們的電場,而這些電場的變化就會產生電磁波。

隨著帶電粒子的高速運動,電磁波會不斷地產生,它們會因為帶電粒子在介質中速度超過了光在這種介質中的速度而劇烈疊加,最終以強烈的短波輻射集中釋放出來,而這種輻射其實就是“切連科夫輻射”,在排除了肉眼不可見的紫外光之外,“切連科夫輻射”在我們看來,就是一種奇妙的藍光。

可以看到,根據這樣的解釋,“切連科夫輻射”的產生機制,其實與超音速飛行器產生的音爆現象非常相似,只不過前者是電磁波的集中釋放,後者則是聲波的集中釋放。

在接下來的日子裡,物理學家們對此進行了大量的實驗進行驗證,實驗結果都與該理論的預測結果相符,於是在1958年的時候,切連科夫、弗蘭克和塔姆共同獲得了當年的諾貝爾物理學獎,而“切連科夫輻射”也成了目前唯一的一種已被實驗證實的超光速現象。

值得一提的是,其實在以核裂變為原理的核電站,我們就可以直接觀察到“切連科夫輻射”,這是因為核裂變反應會釋放出能量極高的電子,以至於在核反應堆使用的慢化劑中,它們的速度往往都會超過慢化劑中的光速,於是我們就可以看到這種奇妙的藍光。

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