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宇宙中最快的光速,并非无法超越?

我们生活的宇宙中,有一些必须遵守的物理法则。爱因斯坦的相对论,规定了一个全新的法则――存在质量的物体,都无法到达光速

然而宇宙的尺度过于浩瀚,即使人类可以到达光速,想到横穿银河系也需要10万年时间,因此人类想要真正探测宇宙,必须规避掉爱因斯坦的光速限制,找到超越光速进行太空旅行的方式。虫洞理论和翘曲驱动器,都是超越光速的一种方式,主要方法是通过改变空间,让目的地之间的距离缩短,类似“抄近路”。

而在实验室中,科学家也让粒子的速度超越了光速,并且发现了契伦科夫辐射现象。

光在真空环境中,才能达到最快速度?

光具有波粒二象性,光是电磁波,光的行为也像一个粒子,由于光的波粒二象性,光在真空中的传递速度最快,因为没有任何可以阻挡光的限制因素存在,但是当光穿过介质时,无论是穿过磁场还是物体,都会对光的速度产生阻力。

就像我们最熟悉的棱镜实验,白光在真空环境下,各种波长的光都以相同的速度前进,但是当白光进入穿过棱镜,棱镜就会根据波长的不同,对各种光进行不同程度的折射,进而出现各种颜色的光。波长较长的光(红光)频率较低,波长较短的光(蓝光)频率较高,光速也就是频率乘以波长。

然而在棱镜实验中,科学家注意到,红光的传播速度明显比蓝光更慢,蓝光在介质中具有更多能量。

介质可以让光出现减速作用,这让科学家找到了超越光速的方法。

宇宙中的大多数粒子都带有质量,按照相对论,这些粒子都无法到达光速,而宇宙中的无质量粒子,光速就是其本身的特征。为了证实相对论,科学家在粒子加速器中对单个粒子进行了加速,对粒子施加巨大的能量,让这些粒子在真空环境中快速运动。

然而无论科学家为粒子施加多少能量,粒子的速度永远都只能到达光速的99.999%,继续施加能量,也只能让这个数据后面的“9”更多,永远无法到达100%光速,更准确的说――永远无法在真空环境下到达光速。

如果粒子不在真空环境中加速,而是通过介质和光速对比,那么粒子的速度可以超越光速吗?

粒子在穿越介质时,可以超越光速?

当光穿过介质时,电磁场以及物体特性都会对光速产生影响,并且这些影响是立刻生效,光速会立刻改变传播速度,因此光的速度,很大程度取决于传播介质的特性。

但是粒子和光并不相同,当粒子穿越介质时,不会立刻发生动量变化,因为粒子本身的速度接近光速,携带有大量的能量,介质的影响力在短时间内可以忽略不计,就像我们拿着一块磁铁,很难对一辆飞速行驶的火车产生直接影响。想要改变粒子的运动状态,往往需要发生撞击等直接相互作用,才能产生明显改变。

光在进入介质的瞬间,就会发生减速,而粒子进入介质后,会以几乎相同的速度继续运动,在这个瞬间,粒子的速度可以超过光速,并且已经在实验室得到证实,并且粒子在介质中的速度超越光速时,会产生蓝色的荧光――契伦科夫辐射。

契伦科夫辐射最初被认为是巨大的能量激活了实验介质,进而产生的荧光反应,但科学家很快发现,这种蓝色的光并非荧光反应,而是一种全新的现象。

当粒子的移动速度非常快时,粒子往往会处于带电状态,粒子穿过介质时,直接和介质的粒子产生碰撞的可能性较低,但带电粒子会对介质的粒子产生影响――同极相斥、异极相吸。这些变化只在粒子穿过的时间里出现,当粒子穿过介质,这些粒子会重新回到基础状态,在这个过程中发生的跃迁现象,就是契伦科夫辐射产生的原因。

契伦科夫辐射是非常重要的物理现象。利用契伦科夫辐射,科学家可以制造一个巨大的介质,接收来自宇宙的高能粒子,从而检测在宇宙穿梭的各种粒子,并且判断粒子的能量和方向。为了避免介质本身的产生干扰,所有的介质都需要使用非常纯净的特殊液体,这些液体没有放射性,不会产生高能粒子,确保所有数据都在自宇宙粒子。

契伦科夫辐射证明了光速并非不可超越,该辐射是一种以短波为主的电磁辐射,在该现象发现之处,很多物理学家会直接用肉眼观察这种辐射,随着辐射安全培训的出现,这个过程已经被终止,物理学家可以利用科学仪器直接检测到契伦科夫辐射。

科学家在介质中超越光速,得到了契伦科夫辐射这一丰厚的回报,虽然该实验并非超越宇宙最快速度,但依旧是一次突出的科学成就。如果未来人类真的可以超越真空光速,那么人类科学将进入到全新的领域,那时候的人类,或许就可以掌握时间和空间,甚至到达更高维度的世界。

总结:

真空中的光速,是宇宙中已知的最快速度。超越光速的唯一方法,就是利用介质减慢光速,虽然是通过“作弊”的方式超越光速,但契伦科夫辐射的发现,让我们获得了更多关于宇宙粒子的信息,也证明了光速并非无法超越。

虫洞理论以及翘曲驱动器理论,虽然可以超越光速,但是两者目前都无法实现,虫洞理论需要巨大的引力折叠空间,创造出来的虫洞也很难维持稳定,是超越四维时空的理论产物,目前尚未发现人造或天然形成的虫洞;翘曲驱动器则是压缩空间,这需要巨大的“负能量”,而“负能量”也是理论产物。

或许虫洞和翘曲驱动器都可以在未来实现,但是迄今为止,契伦科夫辐射的出现,依旧是超越光速的唯一实践者。