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

2021-01-19 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。

相關焦點

  • 十大奇特音爆瞬間:超音速飛機突破音障
    照片顯示,美國海軍陸戰隊第314戰鬥機攻擊中隊(VMFA-314)的一名機長駕駛超音速飛機在「卡爾·文森」號核動力航空母艦附近到達音速的瞬間。音爆的聲音大小取決於距離聽到它的人的遠近。因為飛機距離我們十分遙遠,聽上去就像是兩聲巨響,以牛鞭為例,當我們在近前甩動時,它就會發出像爆竹一樣清脆的響聲。
  • 紋影攝影拍超音速飛機衝擊波:空氣折射率變化
    北京時間8月31日消息,據國外媒體報導,美國宇航局正用一項具有150年歷史的攝影技術,拍攝超音速飛機製造的衝擊波的驚人照片。這項技術叫紋影攝影,會讓人在一個特定介質中看到空氣折射率或光速的變化。由於衝擊波代表折射率的一個既明顯又突發的變化,所以可通過紋影攝影清楚得看到它們。
  • 有趣的「音障」|突破音障會有危險麼?
    同樣,當飛機在空中飛行時,其前面的聲波會被飛機或任何其他物體壓迫形成緊密的「波」,當超過音速時,被壓迫的聲波就會留在飛機後面,就像前面提到的在船尾留下的一個尾流一樣,它是聲學能量的高度集中面,所以又稱音錐
  • 飛機從亞音速飛到超音速會發生什麼?
    出品:科普中國作者:嶽江鋒策劃:宋雅娟監製:光明網科普事業部網友提問:飛機從亞音速飛到超音速會發生什麼?後經證實,該爆炸聲是由一架戰鬥機突破音障導致。據悉,該飛機必須緊急高速飛往一架與空中交通管制部門失去聯繫的客機進行檢查,國防部已經批准其可以突破音障。那麼音障到底是什麼,為什麼這麼可怕呢?眾所周知,聲音在空氣中的傳播像水中投入石子產生的水波一樣,通過波的形式向外傳播,這就是聲波。我們平時聽見的聲音就是聲波傳入耳內使鼓膜震動而產生的。
  • 科普:超光速不可能,但超音速已實現,超音速時很可怕,不要靠近
    今天和大家聊一聊關於人類超音速後會發生什麼?自從偉大的物理學家愛因斯坦提出相對論後,我們對於超光速一直有著強烈的好奇心,因為根據相對論中所推到的光速不變理論,當物體運動等於光速時,物體的時間流逝就會相對靜止,如果物體的速度超越光速了呢?會不會發生時光倒流呢?
  • 歐美超音速航空盛宴,我們要出席嗎?
    作為商業飛機需求量最大的國家,我國這幾年一直在按部就班地推進C919中型飛機和C929大飛機的研製和試飛工作。若這一計劃成功實現,我們便可與波音、空客一起三分亞音速商業飛行的天下。然而,競爭對手從來不會坐等你來搶他們的飯碗的。
  • 戰機超音速飛行時,機身產生的「白霧」是什麼?詳解戰機音爆原理
    很多人認為,當飛機飛行的速度超過音速時,就會產生類似於雷聲的脈衝噪聲,也就是「音爆」,同時飛機後面還會有一團白色呈錐形的衝擊波。那麼,你有沒有想過,為什麼飛機速度超過音速會產生「音爆」呢?「音爆」到底是什麼?我們看不見聲音,為何卻又能看見飛機超音速飛行時所產生的白霧?
  • 【科普】音障,帶你體驗突破聲速極限的震撼
    更嚴重的是,激波能使流經機翼和機身表面的氣流,變得非常紊亂,從而使飛機劇烈抖動,操縱十分困難。同時,機翼會下沉、機頭往下栽;如果這時飛機正在爬升,機身會突然自動上仰。這些討厭的症狀,都可能導致飛機墜毀。
  • 夸父可以追上「光」嗎?
    那麼我們來看看地球上跑的最快的生物能有多快呢?能不能達到這個速度呢?跑快快跑的最快的生物有多快?What is the fastest speed of the creature?因為聲音的傳播速度是有限的,所以移動的聲源是可以追趕並超過它們發出的聲波的。隨著物體的速度增加到音速,這些聲波開始堆積在物體前面。如果物體具有足夠的加速度,它就可以衝破聲波所形成的屏障。當物體超過該屏障時,會引起堆積的聲波附近的壓力變化,從而會以爆炸或者音爆的形式傳出。
  • 觀察到的兩個突破光障的現象,都是你熟悉的
    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?
  • 成都多地巨響系飛機突破音障發出音爆
    昨晚8時許,成都市人民政府新聞辦官微通報稱,從成飛公司了解到,昨日中午,成飛公司飛機在成都市西北方向上空進行正常飛行時,突破音障發出音爆。據專家分析,巨響可能與音爆有關。公開資料顯示,音爆能量巨大,一架低空超音速飛行的戰鬥機產生的音爆,足以震碎門窗玻璃。和水波一樣,距離越遠,波的強度也越弱。因此,音爆的強弱以及對地面影響的大小,與飛機的飛行高度有直接關係。當飛機作低空超音速飛行時,不但地面的人畜能聽到震耳欲聾的巨響,嚴重的還可以震碎玻璃,甚至損壞不堅固的建築物。
  • 戰機超音速低空飛行時,產生的音爆能有多大的破壞力?
    坐過飛機得朋友都知道,飛機飛行時所產生的噪音是非常小的,乘客有非常好的乘機體驗。因為飛機一直都是以聲音的速度來飛行的,如果壓縮飛機飛行前的聲波,而飛行的速度超過聲音的速度,那麼就會產生音爆。如果飛機產生音爆會對乘客產生無法估量的損傷,而戰鬥機呢?會產生音爆嗎?
  • 超音速飛機能有多安靜?2021年見分曉!NASA X-59靜音飛機獲準進行組裝
    如果一切順利,這全新一代超音速飛機將在2021年首飛。X-59飛機的設計飛行高度約16000米,飛行速度約1.2馬赫(1馬赫即1倍音速,不同介質條件下數值不同,這裡約為340米/秒)。除了經濟性、安全性方面的缺陷,冷戰時代研發的老一代超音速客機始終沒有解決音爆問題。音障一般在速度接近1馬赫時出現,而在飛機突破音障的一瞬間,新產生的波在舊波還未擴散開前就形成了,由此產生了一種聲波的密集疊加效應。
  • 戰鬥機在突破音速時,產生音爆會影響飛行員嗎?
    在評判戰鬥機好壞的時候,有一個重要的標準就是超音速巡航能力,前蘇聯曾將這個指標作為五代機的最重要的指標,比隱身還要重要,美國五代機雖然更注重隱身,但超音速巡航能力也是重要指標之一。很多人都知道,無論是什麼樣的戰鬥機在突破音速的時候,都需要穿過音障,而在這個穿越的過程中,會發生音爆。音爆發生的原因是與飛機的飛行速度和聲波相關的。
  • NASA計劃重啟超音速「X飛機」項目:消除超音速飛行音爆
    其中最令人震驚的飛機當屬X-13,即所謂的「Vertijet」,它能夠垂直起飛,像普通飛機一樣盤旋,然後再垂直降落在停機坪上。為了避免失速或失控,飛機上安裝了矢量推進系統,經過調整後可以在任意方向上為飛機提供動力。它的翼尖上還安裝了「火車頭」噴嘴,讓飛機可以翻滾。還有X-31A,這是一款極為敏捷的軍用機,可以在空中實現180度大轉彎。
  • 飛機突破音速瞬間,看到聲音被甩在後面的樣子!
    超音速飛機在突破音障時,如果天氣條件允許,會出現普朗特-格勞厄脫凝結雲,特徵是一個以飛機為中心軸、從機翼前段開始向四周均勻擴散的圓錐狀雲團。這是由於激波面後方因氣壓降低導致溫度的降低,進而引起水氣凝結。水氣凝結變成微小的水珠後,肉眼看來就像是雲霧般的狀態。
  • 全新一代X-59超音速飛機將在2021年實現首飛
    超音速飛機能有多安靜? 音障一般在速度接近1馬赫時出現,而在飛機突破音障的一瞬間,新產生的波在舊波還未擴散開前就形成了,由此產生了一種聲波的密集疊加效應。如果你聽過超音速飛機的「音爆」,一定會深刻地理解「晴天霹靂」這個成語,輕者影響人們生活工作,重者可以震碎玻璃。 NASA在2012年宣布重啟超音速飛機研發,主要目標就是消除音爆問題,測試一項 「安靜超音速技術」(QueSST)。
  • 光的傳播速度與光源運動狀態無關,是否聲波、水波也是如此?
    根據力學相對性原理,我們坐在高速飛行的飛機裡說話,聲音的傳播給我們的感覺與在靜止的地面是一樣的,因為飛機裡的空氣―比如聲音在空氣中的傳播速度是343米/秒(1馬赫),一個觀察者坐在飛機上以速度V向著聲源飛行(與聲波傳播方向相反),那聲音的速度相對這個觀察者來說要大於1馬赫,即1馬赫+V;而飛機如果與聲波傳播方向相同,那聲音的速度相對這個觀察者來說要小於1馬赫,即1馬赫-V,這如果是個超音速飛機,那這個觀察者將不會聽到後方的聲音,甚至也聽不到飛機自身發出的聲音,在超音速突破音障時會產生音爆
  • 光速可以超越嗎?
    核電站的反應堆中會釋放這麼高能的電子嗎?核反應堆本身是無法釋放如此快速的電子的,但它會輻射出另一種能量十分高的輻射——γ射線。γ射線本身是電磁波的一種,它和無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線的本質一樣,廣義上都叫做光。
  • 重大突破!我國這一科技成就厲害了,引外媒讚嘆
    世界上會有2小時可以抵達全球任何地方的飛機嗎?目前來看似乎是天方夜譚。但是我國科學家姜宗林團隊研發的新飛機引擎可以實現這一目標。姜教授是中科院力學研究所教授,他已將這一研究成果寫成論文,發表在《中國航空學報上》!大家可能不信,講一下飛行原理,大家也許會明白的。