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奇妙的光爆,是粒子运动超过光速的现象,光速被超越了?

日期: 来源:时空通讯收集编辑:时空通讯

自从爱因斯坦的狭义相对论问世,光速就成为物理界一个非常重要的常数,即c=299792458m/s。也就是说光速约为每秒钟运行30万公里。

爱因斯坦认为,这个世界没有任何物体,包括微观和宏观的物体运动能够达到光速,更不可能超越光速。因此,光速就成为了物理学许多公式的重要参数,并由此得出许多著名的定律,如质能方程E=MC^2,这里的E表示能量,M表示质量,C代表光速。

也就是说,能量和质量是等价的,且可以相互转换,一个物体的质量乘以光速的平方就是这个物体所蕴含的能量。

爱因斯坦还从光速限制中,得到了速度的质增效应和速度的时间膨胀效应,就是说,在运动中速度越快质增效应越明显,扭曲的时空会让时间流逝越慢,达到光速动量会变得无穷大,时间停滞。

从而锁死了我们世界的运动速度,任何物体的运动都不可能达到光速,更不可能超过光速。

这个定律有两个公式来表示,即质增效应公式:M=m/√[1-(v/c)^2],其中M为物质的运动质量,m为物质的静质量,v为运动速度,c为光速;速度的时间膨胀效应公式:t’=t√(1-2GM/rc^2),其中t’为引力时间膨胀效应值,t为低引力惯性系观测者时间流逝值,G为引力常数,M为天体质量,r为天体半径,c为光速。

以上说的这些都说明了一个问题,在我们这个世界,光速就是天花板,没有物体运动能够突破,哪怕一个粒子、几乎没有质量的中微子也不能例外,否则就会导致动量无限大,宇宙崩溃;时间停滞,一切都停滞。

这就是所谓的光速藩篱。既然如此,为啥我们常看到网络上介绍的“光爆”现象,也就是超光速产生的现象呢?

我们知道,音爆是一个物体以超过声音的速度运动时产生的冲击波,是由于超音速物体产生的音波速度无法快到足以离开物体,波被“堆积”起来而形成的一个震波波前,又叫轰声。而所谓光爆,则是物体运动超过光速时产生的振波。

既然光速是我们世界运动速度的极限,任何有静止质量的物体都无法达到光速,更无法超越,为何又会有超光速现象发生呢?

这是因为所谓光速极限,是指真空光速,也就是说,光速c=299792458m/s这个常数,是指光在无介质的真空中的运动速度,而光在不同介质中,会有所放慢。如在空气中约为1c,在冰中约为0.77c,水中运动约为0.75c,酒精中约为0.73c,玻璃中约为0.67c。

因此,任何物质在无介质的真空中是无法达到光速,更不可能超过光速,但在介质中就有可能超过光速了。当然,这些在介质中超过光速的所谓物质只能是微观粒子,如中微子只有极其轻微的质量,几乎没有电磁力作用力,其运动速度接近光速,这样,在水、冰、玻璃等介质中,速度肯定就超过光速了。

中微子由于不带电,不会与物质发生作用,因此,虽然任何一个指甲盖大小的物体,每秒钟都有数万亿个中微子穿过,却几乎不会留下一丝痕迹。但这些中微子几天中也会有一两个特殊个体,碰撞到物质的原子核,超高速碰撞会将原子核撞碎,产生所谓亚原子“弹片”,以略低于光速的速度从碰撞点散射开来,这些“弹片”的速度就超越了光速,由此产生了“光爆”现象。

科学家们为了捕捉到这些中微子,在南极建造了冰立方中微子天文台,这种天文台并不像典型天文台那样,运用大口径望远镜观察太空,而是在1.6公里的冰层深处设置了5000多个垂直悬挂的传感器,来捕捉中微子撞击原子核后发生的闪光,从而确定这些中微子来自何方。

“光爆”又被称为切伦科夫辐射,是一种以短波为主的电磁辐射,主要表现为蓝色闪光,这种现象由前苏联物理学家帕威尔·阿列克谢耶维奇·契伦科夫于1934年发现,因此以他的名字命名。

契伦科夫辐射类似超音速飞行引起的音爆现象,即当一个带电粒子以超过介质光速的速度运动时,就会在介质中产生一个锥形电磁波,其特征是蓝色辉光,这就是光爆。这个锥形电磁波的锥角可以用公式cosθ=nvc来计算。

其中c为真空光速值,n是介质的折射率,v是带电粒子的运动速度。从公式中可以看出,当v值大于c/n时,才能产生光爆。如在水中的n值约等于1.33,可以计算出电子v为0.75c时的锥角约为49°。

在实践中,并非只有中微子碰撞的亚原子碎片在介质中速度可以超过光速,还有许多粒子运动速度能够在水、冰等介质中超过光速,如原子核反应的辐射现象、通过粒子加速器加速的粒子、宇宙射线等等。

因此,我们要严格的定义光速极限、光速恒定的常数c=299792458m/s是专指真空光速,真空光速才是所谓的极限速度。任何物体都无法达到真空光速还有一个限定,就是有静止质量的物体,哪怕这个质量极其轻微,无限接近零,如中微子。

而所谓光爆的超光速现象,并没有违反爱因斯坦光速极限理论,真空光速目前依然是宇宙中运动速度无法突破的天花板。

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