像超音速飛機突破聲波屏障一樣,我們能突破光速來產生光衝擊波嗎

2020-12-05 科技領航人

像超音速飛機突破聲速屏障一樣,我們能突破光速來產生光衝擊波嗎?這取決於您所使用的材料。為了防止東西進入過去,從而保留局部的質量能守恆,從而阻止宇宙瞬間爆炸,沒有任何東西的速度能夠以比在真空中光的傳播速度更快。

圖註:超音速飛機在空中突破音速飛行,產生了聲波衝擊波。超音速飛機以比聲速更快的速度打破了聲屏障,這是可能的,因為聲音只是空氣分子的行進振動。當飛機接近聲速時,它們的聲波會堆積到一堵氣壓牆中,從而使弱小的飛機破碎。足夠堅固的飛機可以刺穿這堵氣壓牆,並在其後面產生衝擊波。當此衝擊波通過地面觀測者時,我們聽到的是一個音爆。

以此類推,如果一艘太空船的行進速度快於光速,它將產生一個完全由光組成的衝擊波。問題在於,沒有什麼能比真空中的光速快,所以太空飛船的速度永遠不會快到足以打破光障。這不是工程問題,而是基本物理問題。當物體接近光速時,它需要越來越多的能量來加速。

圖註:超光速飛行的宇宙飛船。太空船需要無窮的能量才能在真空中達到光速。這一事實每天都在粒子加速器中得到證實。利用相當於一個小鎮的耗電量,粒子加速器將能量引導到少數微小粒子中,如質子和電子,在真空中加速後非常接近光速。

每年,粒子加速器都在改進,以達到更高的速度。例如,十年來的記錄是,粒子在真空中以99.99%的光速傳播,然後在接下來的十年裡,改進後的機器達到99.999%的真空光速,而接下來的十年,記錄為99.9999%(這些數字僅用於說明目的,並不精確)。目前的記錄由LHC保持,它加速了質子在真空中光速的99.999997%。太空中飛船在真空中無法達到光速,因此不能衝破光障,形成光衝擊波。

圖註:大型強子對撞機(LHC)的粒子加速管道。到目前為止討論的所有內容僅適用於真空。當您不處於真空狀態時,情況會變得很有趣。當穿過水或玻璃之類的材料時,該材料中的光速明顯慢於真空中的光速。在不破壞任何基本定律的情況下,物體的行進速度可以比光速快。正如您所期望的,物體以比物質中的光快的速度穿過物質,確實會產生光衝擊波。

圖註:切倫科夫輻射所產生的藍光。這種光的衝擊波被稱為切倫科夫輻射。為了使效果肉眼可見,物體必須非常快地穿過相當緻密的物質。例如,高速電子是核反應堆中核反應的副產物。這些高速電子在冷卻水中傳播的速度快於水中的光速,因此會產生光的衝擊波。

即使空氣非常接近真空,也不是完全真空。空氣中的光速略小於真空中的光速,因此物體實際上可以打破空氣中的光的速度,而不會超過真空中光速的基本極限。空氣中的切倫科夫輻射要比水中的輻射難得多,因為需要更高的速度。但這確實發生了,超新星以驚人的速度(但始終小於真空中的光速)射出粒子。

當這些粒子撞擊地球的大氣層時,它們被稱為宇宙射線。 這些宇宙射線中的一些及其副產物確實足夠快,足以在它們穿過空氣時產生光衝擊波。儘管來自宇宙射線的大氣切倫科夫輻射太微弱,無法用肉眼看到,但它被照相機探測到,並成為科學家研究宇宙射線的重要工具。

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