光的最慢速度是多少?

2020-12-12 海的敬畏

文章作者:瀚海狼山

現在全球主要大國都開始認識到,隨著化學能武器的潛力已經被挖掘到了極限,今後想有進一步的突破,甚至終結核武器等長期威脅人類生存和發展的大規模殺傷性武器,雷射和定向能武器、電磁武器是需要深入研發的下一代武器系統。其中已經逐步進入實用化的就是雷射的電磁炮。這裡面雷射的作用似乎更大。因為當今的雷射技術,不但應用到軍事領域,就是在民用工業,比如雷射材料加工以及剛剛討論過的雷射晶片列印,甚至醫療領域,雷射技術都已經深入發展。

一個國家自身雷射技術是否領先,已經成為衡量一個國家科技和工業實力的重要指標。現在在雷射領域的各種實用性的突破,根本原因在於人類對雷射本質特徵有越來越深入的了解。只有在理論上先獲得更大的突破,才能創造性的生產出許多自然界根本就不曾存在過的高端技術。因此對雷射和光的追根溯源遠遠沒有結束。

雷射是普通光的一種。而光是原子受到激勵,外圍電子向更高的能級軌道躍遷時釋放出來的光子輻射,這種輻射本質上是電磁波的一種,具備波粒二象性。但是光子又沒有靜止質量,換句話說,光子本身能不能算一種物質,是一直有爭論的。既然光子算不算實體物質不能確定,那麼光整體上算不算物質也讓人迷惑。波粒二象性本身就很難理解,而光是如何定向傳播,為什麼光速有一個極限值,都是不好回答的問題。

到1905年,愛因斯坦提出狹義相對論。指出時間和空間都是相對的,而光速是將兩者聯繫在一起的一個物理常數。宇宙中傳播速度最快的介質就是真空光速,經過多次測量,被認為是299792458米每秒,由於這個速度非常接近30萬公裡每秒,為了方便記憶,於是真空光速被認為大約等於30萬公裡每秒。到目前為止,沒有發現任何超越真空光速的其他物質。

實際上光速也不是接近30萬公裡每秒恆定不變。這只是真空中的測量速度,在地球常見透明或者半透明的介質中,光的速度都會下降。比如光通過普通玻璃時,速度會下降到只有真空光速的三分之二,也就是下降到每秒20萬公裡左右的速度。光在透明度極好的大氣中傳播,速度也是會下降的,不過不是特別明顯。

那麼導致光速在透明物質中下降的原理又是什麼。有人通過研究揭示到,這是因為任何光,不論普通光還是高能雷射,本質上都是一定頻率的電磁波,而電磁波的傳播,是通過不斷的在空間變換電場和磁場來傳播。

在光穿透物質時,這種電場和磁場的交替轉換,會引發被穿透物質中帶電粒子的共振反應,這種共振的頻率和入射光的頻率一致,但是有相移,因此波長會變短,在頻率相同的情況下,波長變短的電磁波的疊加,會導致傳播速度的下降。這種解釋是諸多理論解釋的一種,是否真實情況就是這樣,還需要進一步的驗證。雷射在穿透普通玻璃時,速度下降到20萬公裡每秒,但是仍然速度很快,人的感官是感覺不到的。

那麼有沒有讓雷射的速度進一步降下來的物質?有 !某國有人研發出一種特殊的人造有色寶石,通過一束雷射照射寶石一側,一開始沒有多大的反應,但是經過大約半個小時以後,居然發現從寶石內部又自然射出一束頻率相同的雷射,這等於是這束雷射穿透直徑只有1釐米左右的寶石居然用了半個小時!等於比蝸牛爬行的速度還慢N倍。這種神奇的現象,被認為可以用作光子計算或者光子儲存,是比當今的電子計算能力擴大N倍的新技術的起點。

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