我们生活的宇宙中,有一些必须遵守(shou)的物理法则。爱因斯坦的相(xiang)对论,规定了一个全新的法(fa)则——存在质量(liang)的物体,都无法(fa)到达光速。
然而宇宙的尺度过于浩瀚,即使人类(lei)可以到达光速,想到横穿银(yin)河系也需要10万年时间,因此人类想(xiang)要真正探测宇宙,必须规避掉爱因斯(si)坦的光速限制,找(zhao)到超越光速进行太空旅行的方(fang)式。虫洞理论和翘曲驱动器(qi),都是超越光速的(de)一种方式,主要方法是(shi)通过改变空间,让目的地之间的(de)距离缩短,类似“抄近路”。
而在实验室中,科学家也(ye)让粒子的速度超越了光速,并(bing)且发现了契伦科夫辐射现象。
100光具有波粒二象性,光(guang)是电磁波,光的行为也像一个粒子(zi),由于光的波粒二(er)象性,光在真空中的传递(di)速度最快,因为没有任何可(ke)以阻挡光的限制因素存在,但(dan)是当光穿过介质时,无论是穿过磁场还(hai)是物体,都会对光的速度产生阻力。
就(jiu)像我们最熟悉的棱镜实验(yan),白光在真空环境下,各(ge)种波长的光都以(yi)相同的速度前进,但是当白光进入(ru)穿过棱镜,棱镜就会根据波(bo)长的不同,对各(ge)种光进行不同程度的折射(she),进而出现各种颜色的光(guang)。波长较长的光(红(hong)光)频率较低,波长较(jiao)短的光(蓝光)频率较高,光速也就(jiu)是频率乘以波长。
然而在(zai)棱镜实验中,科学家注意到,红光(guang)的传播速度明显比蓝光更(geng)慢,蓝光在介质中具有更多能量。
com介质可以让光出现减(jian)速作用,这让科学(xue)家找到了超越光速的方法。
宇宙中的大多(duo)数粒子都带有质量,按(an)照相对论,这些粒子都无(wu)法到达光速,而(er)宇宙中的无质量粒子,光速就是其本(ben)身的特征。为了证实相对论,科学家在粒子加速器中对单个粒子进(jin)行了加速,对粒子(zi)施加巨大的能量,让这(zhe)些粒子在真空环境中快速运动。
然而无论科(ke)学家为粒子施加多少能量,粒子的速度永远都只(zhi)能到达光速的99.999%,继续施(shi)加能量,也只能让这个数据后面的“9”更多,永远无法到达100%光速,更准(zhun)确的说——永远无法(fa)在真空环境下到达(da)光速。
如果粒子不(bu)在真空环境中加速,而是通过介质和(he)光速对比,那么粒子的速度可(ke)以超越光速吗?
当光穿过介质时,电磁(ci)场以及物体特性都会对光速产生影(ying)响,并且这些影响是立刻生效,光速(su)会立刻改变传播速度,因此光的速度(du),很大程度取决于传播介质的(de)特性。
但是粒子和光并不相同,当粒(li)子穿越介质时,不(bu)会立刻发生动量变化(hua),因为粒子本身的速度(du)接近光速,携带有大量的能(neng)量,介质的影响力在(zai)短时间内可以忽略(lue)不计,就像我们拿着一块磁铁,很难(nan)对一辆飞速行驶的(de)火车产生直接影响。想要(yao)改变粒子的运动状态,往往需要发生撞击等直接(jie)相互作用,才能产生明显改变。
光在进(jin)入介质的瞬间,就会(hui)发生减速,而粒子进入介质后,会(hui)以几乎相同的速度继续运动,在这个瞬间,粒子的速度可以超过光速(su),并且已经在实验室得到证(zheng)实,并且粒子在介质中(zhong)的速度超越光速时,会产生蓝色(se)的荧光——契伦科夫辐射(she)。
契伦科夫辐射最初(chu)被认为是巨大的能量激活了实验介质(zhi),进而产生的荧光反应,但科学(xue)家很快发现,这种蓝色的光并非荧(ying)光反应,而是一种全新的现象。
当粒子的(de)移动速度非常快(kuai)时,粒子往往会处于(yu)带电状态,粒子穿过介质时,直接(jie)和介质的粒子产生碰撞的(de)可能性较低,但带电粒子(zi)会对介质的粒子产生影(ying)响——同极相斥(chi)、异极相吸。这(zhe)些变化只在粒子穿过的时间里(li)出现,当粒子穿过介质,这些(xie)粒子会重新回到基础状态,在这(zhe)个过程中发生的跃迁现象,就是(shi)契伦科夫辐射产(chan)生的原因。
契伦(lun)科夫辐射是非常重要的物(wu)理现象。利用契伦科(ke)夫辐射,科学家可以制造一(yi)个巨大的介质,接收来自宇宙的(de)高能粒子,从而检(jian)测在宇宙穿梭的各种粒子,并且判(pan)断粒子的能量和方向。为了避免介(jie)质本身的产生干扰,所有的(de)介质都需要使用非常纯(chun)净的特殊液体,这些液(ye)体没有放射性,不会产生高能粒(li)子,确保所有数据都在自宇宙粒子。
契(qi)伦科夫辐射证明了(le)光速并非不可超越,该辐射是一种以短波为主的电(dian)磁辐射,在该现象发现之处,很多物理(li)学家会直接用肉眼观察这种辐(fu)射,随着辐射安全培训的出现(xian),这个过程已经被终止,物理学家可(ke)以利用科学仪器直接检测到契伦科夫辐(fu)射。
科学家在介质中超越光速,得到(dao)了契伦科夫辐射这一丰厚的回报,虽然(ran)该实验并非超越宇宙最快速度(du),但依旧是一次突出(chu)的科学成就。如果未来人(ren)类真的可以超越真空光速,那(na)么人类科学将进入到全新的领域,那时候的人类,或许(xu)就可以掌握时间和空间,甚至到(dao)达更高维度的世界。
真空中的光速,是宇(yu)宙中已知的最快速度(du)。超越光速的唯一方法,就是利用介质减慢(man)光速,虽然是通(tong)过“作弊”的方式超越光速,但契伦科(ke)夫辐射的发现,让我们获得了更多(duo)关于宇宙粒子的信息(xi),也证明了光速并非无法超越(yue)。
虫洞理论以及翘曲驱动器(qi)理论,虽然可以超越光速,但(dan)是两者目前都无法实现,虫洞理论(lun)需要巨大的引力折叠空间,创(chuang)造出来的虫洞也很难维持稳(wen)定,是超越四维时空的理论产物,目前尚未发现人造或天然形成的(de)虫洞;翘曲驱动器则是压缩空间(jian),这需要巨大的“负能量”,而“负能量”也是理论产物。
或(huo)许虫洞和翘曲驱动器都可以在(zai)未来实现,但是迄今为止,契伦科夫辐射的出现,依(yi)旧是超越光速的唯一实践(jian)者。