当它超越光速时

作者: 井上菌

来源: 原理

发布日期: 2018-12-03 09:56:14

本文探讨了光速在不同介质中的变化以及电子在水中可能超越光速的现象,介绍了切伦科夫辐射的发现及其在物理学中的应用,特别是中微子探测中的重要性。

在宇宙中,什么速度最快?我们都知道,是光速,或者更精确地说是光在真空中(以及时空没有被弯曲或改变的地方)的速度。光速,通常用字母c表示,没有任何东西的速度可以超越它。但我们不免好奇,有没有可能存在着某些方法,可以使其他物质可以超越光速?或许不在真空里,而是在其他介质里?

我们都熟悉水的折射现象,以及阳光穿越三棱镜后散射成彩虹的颜色,之所以会发生折射或散射现象,是因为光从一种介质(空气)进入了另一种介质(水、三棱镜)。在空气、水、三棱镜中,光的行进速度都会受到阻碍。我们可以想象,相对于虚无的真空,越是“致密”的介质对光的阻碍就越大,光在这些介质内部传播的速度也就越慢。

我们用折射率(n)来描述介质对光的阻碍作用,比如,水对光的折射率为4/3,那么光在水中的速度只有真空中光速的3/4,也就是0.75c。

现在,让我们准备两个粒子:光子和电子。我们把电子加速到接近光的速度,比如说光速的99.99%。在真空中,我们会发现,电子的传播速度永远会慢光子一拍:但一旦它们进入到水中,电子就开始逆袭了!由于光子的速度会降低为原来的75%,而电子的速度几乎不变。

那么在水中,电子的速度就可以超越光的速度:这就像是在龟兔赛跑中,不是让乌龟像兔子一样奔跑,而是设法让兔子慢一点,比如说在跑道上埋伏一些青菜和萝卜来阻碍兔子。

1934年,切伦科夫发现,如果带电粒子(比如电子)在电介质中运动的速度比光在这种介质中运行的速度快,带电粒子就会发出蓝色的光。这个现象如今被称为切伦科夫辐射。切伦科夫立即就把自己的发现告诉了他的导师Sergey Vavilov。

而他的导师将这个观测告知了他的两个同事:Igor Tamm和IIya Frank。Tamm和Frank基于爱因斯坦的狭义相对论的框架解释了这一现象,他们也因此荣获了诺贝尔物理学奖。

切伦科夫辐射最大的应用就是被用于探测几乎不与物质作用的中微子。大型中微子探测器通常包含了上万吨的水,当中微子进入水中时,它可以转化为电子和μ子这些带电粒子,然后,带电粒子会发生切伦科夫辐射,在探测器中形成光环。根据光环的大小、光到达探测器的时间,就可以推算出中微子的能量和轨迹。这是多么美妙的应用啊。

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