唯一 一种可以超越光速的方法

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唯一 一种可以超越光速的方法

来源：宇宙奥秘

    在我们的宇宙中，有一些规则是所有人都必须遵守的。任何两个量子相互作用时，能量、动量和角动量总是守恒的。任何粒子在时间上向前运动的系统的物理性质都与镜像中的同一系统的物理性质相同，粒子转变成反粒子，时间的方向相反。还有一个终极的宇宙速度极限，适用于每一个物体：没有任何东西能超过光速，任何有质量的东西都不能达到这种速度。

    多年来，人们已经制定了非常聪明的计划，试图绕过这最后的限制。理论上，他们把超光速粒子当作可能超过光速的假想粒子，但超光速粒子必须有假想的质量，而且在物理上并不存在。在广义相对论中，充分扭曲的空间可以在光必须穿过的地方创造出替代的、缩短的路径，但我们的物理宇宙没有已知的虫洞。虽然量子纠缠可以在远处产生“幽灵”行为，但没有任何信息的传输速度比光快。

    但是有一种方法可以打败光速：进入除完美真空以外的任何介质。下面是它的工作原理。

    上图：光不过是一种电磁波，具有垂直于光传播方向的同相振荡电场和磁场。波长越短，光子的能量就越大，但它越容易受到光速变化的影响。

    你必须记住，光是一种电磁波。当然，它也表现为一个粒子，但当我们谈论它的传播速度时，更有用的是，它不仅是一个波，而且是一个振荡的、同相电场和磁场的波。当它在真空中传播时，没有任何东西可以限制这些场以它们自然选择的振幅传播，这些振幅由波的能量、频率和波长决定。

    但是，当光通过一种介质时，也就是说，存在电荷（可能还有电流）的任何区域，这些电场和磁场的自由传播都会遇到一定程度的阻力。在所有可以自由改变或保持不变的事物中，光的性质保持不变的是它从真空移动到介质、从一种介质移动到真空或从一种介质移动到另一种介质时的频率。

    但是，如果频率保持不变，那就意味着波长必须改变，因为频率乘以波长等于速度，这就意味着光速必须随着传播介质的改变而改变。

    其中一个壮观的例子是光线通过棱镜时的折射。白光和阳光一样，是由连续的、多种波长的光组成的。长波，如红光，具有较小的频率，而短波，如蓝光，具有较大的频率。在真空中，所有波长以相同的速度传播：频率乘以波长等于光速。蓝色波长的光有更多的能量，因此它们的电场和磁场比红色波长的光强。

    当你把这些光通过像棱镜这样的色散介质时，所有不同波长的光的反应都略有不同。你的电场和磁场中的能量越多，它们通过介质时所受的影响就越大。所有光的频率保持不变，但高能量光的波长比低能量光缩短了更多。

    因此，尽管所有的光在介质中的传播速度都比真空慢，但红光的传播速度却比蓝光慢一点，这导致了许多迷人的光学现象，比如当阳光穿过水滴和水滴时，会出现彩虹。

    然而，在太空的真空中，光别无选择——不管它的波长或频率如何——只能以一种速度传播：真空中的光速。这也是任何形式的纯辐射（例如引力辐射）必须行进的速度，也是在相对定律下任何无质量粒子都必须行进的速度。

但宇宙中的大多数粒子都有质量，因此它们必须遵循稍有不同的规则。如果你有质量，真空中的光速仍然是你的极限速度，但不是被迫以这个速度旅行，而是你永远无法达到的极限；你只能接近它。

    你在大质量粒子中投入的能量越多，它就越接近光速，但它的速度必须越慢。地球上有史以来能量最大的粒子，是大型强子对撞机上的质子，在真空中可以以惊人的接近光速飞行：299792455米每秒，相当于光速的99.999999%。

    然而，不管我们向这些粒子注入多少能量，我们只能在小数点右边加上更多的“9”，我们永远达不到光速。

    或者，更准确地说，我们永远无法在真空中达到光速。也就是说，对于大质量粒子来说，最终的宇宙速度极限299792458米/秒是不可能达到的，同时也是所有无质量粒子必须达到的速度。

    但是，如果我们不是通过真空，而是通过介质旅行，会发生什么呢？事实证明，当光通过介质时，它的电场和磁场会感受到它们所通过的物质的影响。当光进入介质时，它的作用是立即改变光的传播速度。这就是为什么，当你看到光进入或离开一个媒介，或从一个媒介过渡到另一个媒介时，它似乎会弯曲。光虽然可以在真空中自由传播，但它的传播速度和波长在很大程度上取决于它所穿过的介质的性质。

    然而，粒子的命运却不同。如果一个原本通过真空的高能粒子突然发现自己通过了一种介质，它的行为将不同于光。

    首先，它不会立即经历动量或能量的变化，因为作用在它身上的电力和磁力——随着时间的推移改变了它的动量——与它已经拥有的动量相比是微不足道的。与其像光看起来那样瞬间弯曲，不如说它的轨迹变化只能以渐进的方式进行。当粒子第一次进入介质时，它们会以与进入介质前大致相同的特性（包括相同的速度）继续移动。

    第二，能够改变粒子在介质中轨迹的大事件几乎都是直接的相互作用：与其他粒子的碰撞。这些散射事件在粒子物理实验中非常重要，因为这些碰撞的产物使我们能够重建在碰撞点发生的一切。当一个快速移动的粒子与一组静止的粒子碰撞时，我们称之为“固定目标”实验，它们被用于从产生中微子束到产生对探索自然界某些性质至关重要的反物质粒子的各种实验。

    但最有趣的事实是：在真空中运动比光慢，但在进入的介质中比光快的粒子，实际上正在打破光速。这是粒子超越光速的唯一真实的物理方式。它们在真空中永远不能超过光速，但在介质中却可以超过光速。当他们这样做的时候，一些有趣的事情发生了：一种特殊类型的辐射——切伦科夫辐射。

    它以发现者帕维尔·切伦科夫命名，这是实验中首次发现的物理效应之一，在它被预测之前，切伦科夫正在研究已经准备好的放射性样品，其中一些被储存在水中。放射性制剂似乎发出微弱的蓝色光，即使切伦科夫正在研究发光——伽马射线会激发这些溶液，当它们去激发时，这些溶液就会发出可见光——他很快就能得出结论，这种光有一个首选的方向，这不是荧光现象，而是完全不同的东西。

    如今，在核反应堆周围的水箱里也能看到同样的蓝光：切伦科夫辐射。

这些辐射来自哪里？

    当一个非常快的粒子穿过一个介质时，这个粒子通常是带电的，而介质本身是由正电荷（原子核）和负电荷（电子）组成的。带电粒子在穿过这种介质时，有可能与其中一个粒子发生碰撞，但由于原子大多是空的，因此在短距离内发生碰撞的几率相对较低。

    相反，粒子对它所穿过的介质产生了影响：它使介质中的粒子极化——在这种情况下，相同的电荷相互排斥，相反的电荷相互吸引——以响应正在通过的带电粒子。然而，一旦带电粒子离开轨道，这些电子就会回到基态，这些跃迁会导致光的发射。具体地说，它们会使蓝光发射成锥形，而锥形的几何结构取决于粒子的速度和特定介质中的光速。

上图：该动画演示了相对论的带电粒子在介质中的运动速度快于光的情况。相互作用使粒子发出称为切伦科夫辐射的辐射锥，这取决于入射粒子的速度和能量。在实验粒子物理学中，检测这种辐射的性质是一项非常有用且广泛使用的技术。

    这是粒子物理学中一个非常重要的性质，因为正是这个过程让我们能够探测到难以捉摸的中微子。中微子几乎从不与物质相互作用。然而，在极少数情况下，它们只把能量传递给另一个粒子。

    因此，我们能做的就是建造一个巨大的纯液体罐：这种液体不会发生放射性衰变或发射其他高能粒子。我们可以很好地保护它不受宇宙射线、天然放射性和其他各种污染源的影响。然后，我们可以用所谓的光电倍增管在这个容器的外面排列：光电倍增管可以探测单个光子，触发一连串的电子反应，让我们知道光子从哪里来，何时来，朝着什么方向来。

    有了足够大的探测器，我们就可以确定每个中微子的许多性质，这些中微子与这些容器中的粒子相互作用。只要中微子“踢”出的粒子超过液体中的光速，就会产生切伦科夫辐射，这是测量这些幽灵般宇宙粒子特性的一个非常有用的工具。

    对切伦科夫辐射的发现和理解在许多方面都是革命性的，但它也导致了在实验室粒子物理实验早期令人恐惧的应用。高能粒子束在空气中传播时，不会留下任何光学特征，但如果它通过的介质比介质中的光传播得快，就会产生蓝光。物理学家过去常常闭上一只眼睛，把头伸进光束的轨迹中；如果光束是亮着的，他们会看到一道“闪光”，这是由于他们眼睛中产生的切伦科夫辐射，证实光束是亮着的(毋庸讳言，随着辐射安全重新认识，这一过程被中断了。）。

    尽管如此，尽管在这中间的几代人中物理学已经取得了所有的进步，我们所知道的击败光速的唯一方法是找到一种你可以减慢光速的介质。我们只能在一个媒介中超过这个速度，如果我们做到了，这个能说明问题的蓝光——它提供了大量关于产生它的交互作用的信息——就是我们丰富数据的回报。在曲速引擎或超光速粒子成为现实之前，切伦科夫辉光是唯一的出路！

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