宇宙中最快的光速,並非無法超越?


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宇宙中最快的光速,並非無法超越?

我們生活的宇宙中,有一些必須遵守的物理法則。愛因斯坦的相對論,規定了一個全新的法則——存在質量的物體,都無法到達光速。

然而宇宙的尺度過於浩瀚,即使人類可以到達光速,想到橫穿銀河係也需要10萬年時間,因此人類想要真正探測宇宙,必須規避掉愛因斯坦的光速限制,找到超越光速進行太空旅行的方式。蟲洞理論和翹曲驅動器,都是超越光速的一種方式,主要方法是通過改變空間,讓目的地之間的距離縮短,類似“抄近路”。

而在實驗室中,科學家也讓粒子的速度超越了光速,並且發現了契倫科夫輻射現象。

光在真空環境中,才能達到最快速度?

光具有波粒二象性,光是電磁波,光的行為也像一個粒子,由於光的波粒二象性,光在真空中的傳遞速度最快,因為沒有任何可以阻擋光的限制因素存在,但是當光穿過介質時,無論是穿過磁場還是物體,都會對光的速度產生阻力。

就像我們最熟悉的棱鏡實驗,白光在真空環境下,各種波長的光都以相同的速度前進,但是當白光進入穿過棱鏡,棱鏡就會根據波長的不同,對各種光進行不同程度的折射,進而出現各種顏色的光。波長較長的光(紅光)頻率較低,波長較短的光(藍光)頻率較高,光速也就是頻率乘以波長。

然而在棱鏡實驗中,科學家注意到,紅光的傳播速度明顯比藍光更慢,藍光在介質中具有更多能量。

介質可以讓光出現減速作用,這讓科學家找到了超越光速的方法。

宇宙中的大多數粒子都帶有質量,按照相對論,這些粒子都無法到達光速,而宇宙中的無質量粒子,光速就是其本身的特徵。為了證實相對論,科學家在粒子加速器中對單個粒子進行了加速,對粒子施加巨大的能量,讓這些粒子在真空環境中快速運動。

然而無論科學家為粒子施加多少能量,粒子的速度永遠都只能到達光速的99.999%,繼續施加能量,也只能讓這個數據後面的“9”更多,永遠無法到達100%光速,更準確的說——永遠無法在真空環境下到達光速。

如果粒子不在真空環境中加速,而是通過介質和光速對比,那麼粒子的速度可以超越光速嗎?

粒子在穿越介質時,可以超越光速?

當光穿過介質時,電磁場以及物體特性都會對光速產生影響,並且這些影響是立刻生效,光速會立刻改變傳播速度,因此光的速度,很大程度取決於傳播介質的特性。

但是粒子和光並不相同,當粒子穿越介質時,不會立刻發生動量變化,因為粒子本身的速度接近光速,攜帶有大量的能量,介質的影響力在短時間內可以忽略不計,就像我們拿著一塊磁鐵,很難對一輛飛速行駛的火車產生直接影響。想要改變粒子的運動狀態,往往需要發生撞擊等直接相互作用,才能產生明顯改變。

光在進入介質的瞬間,就會發生減速,而粒子進入介質後,會以幾乎相同的速度繼續運動,在這個瞬間,粒子的速度可以超過光速,並且已經在實驗室得到證實,並且粒子在介質中的速度超越光速時,會產生藍色的熒光——契倫科夫輻射。

契倫科夫輻射最初被認為是巨大的能量激活了實驗介質,進而產生的熒光反應,但科學家很快發現,這種藍色的光並非熒光反應,而是一種全新的現象。

當粒子的移動速度非常快時,粒子往往會處於帶電狀態,粒子穿過介質時,直接和介質的粒子產生碰撞的可能性較低,但帶電粒子會對介質的粒子產生影響——同極相斥、異極相吸。這些變化只在粒子穿過的時間裡出現,當粒子穿過介質,這些粒子會重新回到基礎狀態,在這個過程中發生的躍遷現象,就是契倫科夫輻射產生的原因。

契倫科夫輻射是非常重要的物理現象。利用契倫科夫輻射,科學家可以製造一個巨大的介質,接收來自宇宙的高能粒子,從而檢測在宇宙穿梭的各種粒子,並且判斷粒子的能量和方向。為了避免介質本身的產生干擾,所有的介質都需要使用非常純淨的特殊液體,這些液體沒有放射性,不會產生高能粒子,確保所有數據都在自宇宙粒子。

契倫科夫輻射證明了光速並非不可超越,該輻射是一種以短波為主的電磁輻射,在該現象發現之處,很多物理學家會直接用肉眼觀察這種輻射,隨著輻射安全培訓的出現,這個過程已經被終止,物理學家可以利用科學儀器直接檢測到契倫科夫輻射。

科學家在介質中超越光速,得到了契倫科夫輻射這一豐厚的回報,雖然該實驗並非超越宇宙最快速度,但依舊是一次突出的科學成就。如果未來人類真的可以超越真空光速,那麼人類科學將進入到全新的領域,那時候的人類,或許就可以掌握時間和空間,甚至到達更高維度的世界。

總結:

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,就是利用介質減慢光速,雖然是通過“作弊”的方式超越光速,但契倫科夫輻射的發現,讓我們獲得了更多關於宇宙粒子的信息,也證明了光速並非無法超越。

蟲洞理論以及翹曲驅動器理論,雖然可以超越光速,但是兩者目前都無法實現,蟲洞理論需要巨大的引力折疊空間,創造出來的蟲洞也很難維持穩定,是超越四維時空的理論產物,目前尚未發現人造或天然形成的蟲洞;翹曲驅動器則是壓縮空間,這需要巨大的“負能量”,而“負能量”也是理論產物。

或許蟲洞和翹曲驅動器都可以在未來實現,但是迄今為止,契倫科夫輻射的出現,依舊是超越光速的唯一實踐者。