有音障也有光障!觀察到的兩個突破光障的現象,都是你熟悉的

2020-12-06 李論科學

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音障我們很熟悉,因為突破音速現在對我們來說已經不是難事,但光障可以說有也可以說沒有,這要分情況。主要是光速能否被突破的問題,答案也是:可以或者不可以!下面就分析下這個問題。

如果沒有光速限制會發生什麼?

為了防止物體回到過去,從而保持質量能量的局部守恆,保證現實的因果性和局域性,因此宇宙就有個速度極限,而這個速度極限正是光速,也就是說沒有任何東西能比真空中的光速更快。你可能會想這個因果關係跟光速有啥關係?我們舉個例子,如果物體的速度真的可以超過光速會發生什麼?

假如有個人手裡拿著一把槍,這個槍屬於高科技,發射的子彈能比光速快,那麼在你看到它扣動扳機之前,你就已經死了!那麼是誰殺了你?沒有人看到它扣動了扳機。所以現在的因果性就會完全混亂。

還有如果引力傳播的速度超過了光速,那麼我們的基礎科學也無法發展,因為宇宙中的所有物體的引力都會先於光速到達我們這裡,引力也會傳播的無限遠,沒有任何限制,所有的物體引力就會交織在一起,我們地球包括太陽系的任何天體在內,總是能感覺到一種無形的力量在操控,但我們又看不見這些施加引力的天體。所以有光速限制是一件好事。不要期待什麼超光速!下面我們回到問題上。

真空中沒有所謂的光障

超音速飛機以比音速還快的速度飛行,從而打破音障。因為聲音只是空氣分子的振動和傳遞。一架飛機的速度接近音速,那麼飛機就會趕上向外傳播的的聲波,聲波就會堆積在一起形成一堵空氣壓力牆,會讓脆弱的飛機解體。材料足夠強大的飛機可以穿透這道氣壓牆,產生一股錐形激波尾隨其後。當這種突破音障時經過地面觀測者,我們就會聽到音爆。

打個比方,如果宇宙飛船的速度超過光速,就會產生完全由光構成的激波。問題是在真空中沒有什麼比光速更快,所以太空飛船永遠不可能快到打破光速的障礙。這不是一個工程學的問題,而是一個基礎物理學的問題。

當一個物體接近光速時,它需要越來越多的能量來加速。要使一艘宇宙飛船在真空中精確地達到光速,確實需要無限的能量。這一事實每天都在粒子加速器中得到驗證。利用電能消耗,粒子加速器將能量轉化為微小粒子的動能,比如質子和電子,它們在真空中以接近光速的速度運動。

每年,粒子加速器都在改進以達到更高的速度。例如,一個十年的記錄是粒子在真空中以99.99%的光速運動,然後下一個十年,一個改進的機器達到了99.999%的光速,接下來的十年看到了99.9999%的記錄(這些數字只是為了說明,並不準確)。目前的記錄由大型強子對撞機保持,它使質子的速度達到了真空中光速的99.999997%。太空中的飛船在真空中永遠無法達到光速,因此永遠無法打破光的屏障,產生光激波。

在物質中存在光障,而且我們已經觀察到了

上文所討論的一切都只適用於真空。當不在真空中時,情況就變了。當光穿過一種物質,如水或玻璃時,介質中的光速比真空中的光速要慢得多。所以在不違反任何基本定律的情況下,物體在物質中的速度可以超過光速。

正如你所預料,一個物體以比材料中的光更快的速度穿過材料時,確實會產生光激波(類似光障)。這種光波被稱為切倫科夫輻射。為了讓這種效果能被肉眼看到,物體必須在密度相當大的物質中快速移動。例如,核反應堆以極高的速度吐出電子,這是核反應的副產品。高速電子穿過冷卻水的速度比水中的光速還快,因此會產生錐形激波。切倫科夫輻射是一種怪異的藍光。

雖然空氣這種材質對光來水非常接近真空,但它並不是真正的真空。空氣中的光速比真空中的光速小一些,所以物體實際上可以在不超過真空中光速的基本極限的情況下,可以打破空氣中的光速屏障,形成光激波,發出錐形輻射。在空氣中獲得切倫科夫輻射比在水中要困難得多,因為在空氣中需要更高的速度。

但這種現象也確實發生了。超新星以驚人的速度噴射出高能粒子(但這些粒子小於真空中的光速)。當這些粒子撞擊地球大氣層時,它們被稱為宇宙射線。有些宇宙射線和它們的副產品速度確實足夠快,當它們在空氣中傳播時,就會產生光波。儘管來自宇宙射線的大氣切倫科夫輻射太過微弱,肉眼無法看到,但這種現象確實被儀器探測到了,這是科學家研究宇宙射線的重要途徑。

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