光在真空中的傳播速度為每秒299792458米,且相對于任何參考系而言都恒定不變,事實上不僅是光子,任何不具有靜止質量的物質都能且隻能以光速移動。
而對于具有靜止質量的物質而言,無論它們如何努力也無法達到光速。為什麼呢?因為巧婦難為無米之炊。擁有靜止質量的物質在運動的過程中會産生一個與引力質量等效的慣性質量,慣性質量會随着運動速度的增加而增大,當速度趨近于光速,慣性質量便趨近于無窮大,繼續加速就需要無窮多的能量,而宇宙中的能量雖然很多,但并非無窮,既然宇宙中都沒有無窮多的能量,又如何能夠将擁有無窮大質量的物體推進到光速呢。擁有靜止質量的物體無法達到、更無法超越光速,這是針對于真空中的光速而言的,而在現實之中,最接近于真空的環境就是宇宙了,它的平均密度僅為每立方米1X10∧-28千克,宇宙的密度很低很低,幾近真空,但也并非絕對真空。
光速為每秒299792458米,但光卻很難有機會在真空中自由馳騁,大多數的情況之下,它都是在介質中移動,而光在不同介質中的速度是不同的。
在介質中移動的光,速度被顯著降低了,研究發現在折射率n≈1.33的水中,光的傳播速度隻有真空中的75%,這就給其它物質超越光速創造了條件,于是一個在介質中超越光速的現象就出現了,這就是契倫科夫輻射現象。契倫科夫輻射現象是目前已知的唯一一個可以觀測到的介質中物體的超光速現象。它是在1934年由前蘇聯物理學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·契倫科夫所發現的,于是這一現象也因此而得名。
契倫科夫輻射現象簡單來講就是指介質中運動的物體速度超過光在該介質中速度時,所發出的一種以短波長為主的電磁輻射,而在介質中能夠超越光速的物體通常就是指電子。
契倫科夫輻射現象是唯一可以觀察到的超光速現象,而且這種現象還十分漂亮,頗具科幻色彩。如果有幸參觀過核電站的啟動就一定會清晰地記得那漂亮的亮藍色光輝,這就是契倫科夫輻射的典型特征,而這種亮藍色的光輝也經常被應用于各種科幻影視作品之中。那麼這股科幻藍光是怎麼産生的,契倫科夫輻射輻射現象又是怎麼一回事呢?契倫科夫輻射現象雖然是由物理學家契倫科夫所發現的,但當時他并未能夠對這一現象産生的原因作出完美的解釋,直到3年之後,也就是1937年,物理學家伊利亞·弗蘭克和伊戈爾·塔姆才成功解釋了契倫科夫輻射的形成原因,于是三人共同在21年後的1958年斬獲了諾貝爾物理學獎。
契倫科夫輻射的産生條件其實與另外兩種常見的現象類似。
當船在水中航行的時候,會産生水波,當船的航行速度很快,超越水波的時候,就會在水面形成很大的弓形震波,這是因為船的速度太快,以至于船所産生水波無法快速離開船體而産生堆積的結果。
類似的現象還有超音速飛機的音爆現象。飛機在飛行的過程中會産生轟鳴,這些轟鳴聲會以音速向四周傳播,對于普通的飛機而言,我們并不會注意到這一點,但對于超音速飛機而言,情況就有些不同了,由于飛機飛行的速度超過了聲音傳播的速度,所以音波無法快速離開飛機,于是不斷堆積疊加,最終形成了可見的多重震波。契倫科夫輻射現象也是如此,因為電子在介質中的運動速度超越了光速,所以便産生了疊加效應。
為什麼契倫科夫輻射現象會産生亮藍色的輝光呢?這其實是一個誤會,事實上大多數的契倫科夫輻射都是在紫外線波段上進行的,而紫外線是不可見的。
契倫科夫輻射的強度與介質中電子的運動速度以及電子的數量呈正比關系,電子運動速度越快、數量越多,契倫科夫輻射的強度就越大,而其在短波長會有較強的強度,所以契倫科夫輻射才會在可見光波段呈現出亮藍色。由此我們也知道了,隻有帶電粒子被更充分地加速之後,才會在可見光波段顯現出亮藍色的光,所以在現實之中,可觀察的契倫科夫輻射現象要麼産生于核電站之中,要麼就要借助于粒子加速器。契倫科夫輻射在現實中是有很多應用的,比如可以用來探測高能粒子,這是因為進入地球的宇宙高能粒子在大氣中的運動速度會超越光速,所以會産生契倫科夫輻射現象。
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