科學(xué)百科50期丨沒有任何東西能比光更快，又怎么可能有光呢？

本期為大家?guī)恚?/p>

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個問題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對這些問題的來龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒有希望得到解決等問題均作了回答。

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第五十個問題： 光是由運(yùn)動得比光更快的粒子發(fā)出的。那么，既然沒有任何東西能運(yùn)動得比光更快，又怎么可能有光呢？

我們常常說，粒子不能夠運(yùn)動得“比光快”，“光速”是速度的上限。

實(shí)際上，如果我們單單這樣說，那是說得不夠完全的，因?yàn)楣庠谕ㄟ^不同媒質(zhì)時，它的傳播速度并不相同，光在真空中的行進(jìn)速度最快。在這種場合下，它以每秒300,000公里的速度運(yùn)動。這個速度就是終極速度。

因此，如果想把話說得確切一些。我們就應(yīng)該這樣說：粒子的運(yùn)動速度不能夠“快于真空中的光速”。

光在通過真空以外的任何其他透明媒質(zhì)時，它的傳播速度總是小于真空中的光速，有時甚至要慢很多。光在某一特定的媒質(zhì)中行進(jìn)得越慢，當(dāng)它從真空中以傾斜的角度進(jìn)入這種媒質(zhì)時，它受到偏折（折射）的角度就越大。偏折的大小是由一個稱為“折射率”的物理量決定的。

把真空中的光速除以某一特定媒質(zhì)的折射率，就得出光在這種媒質(zhì)中的速度。在一般的壓力和溫度下，空氣的折射率約為 1.0003，所以光在空氣中的速度等于 300,000 除以1.0003，即每秒約299,910公里。這比真空中的光速小90公里/秒。

水的折射率是1.33，普通玻璃的折射率是1.7，而鉆石的折射率是 2.42。這就是說，光在水中的傳播速度為每秒約224,000公里，在玻璃中為每秒約176,000公里，在鉆石中只有每秒約123,200公里。

粒子的運(yùn)動速度不能快于每秒約300,000公里，但是，即使在水中，它們也確實(shí)能夠以每秒約 256,000公里的速度運(yùn)動。當(dāng)它們的速度這樣大時，它們在水中的行進(jìn)速度就超過水中的光速了。事實(shí)上，除了在真空中以外，粒子在任何一種媒質(zhì)中的運(yùn)動速度都有可能超過那種媒質(zhì)中的光速。

在非真空媒質(zhì)中運(yùn)動得比光快的粒子，會發(fā)出一種藍(lán)光作為它的尾跡。這種尾跡的角度大小，取決于這個粒子在媒質(zhì)中的速度比光在同一媒質(zhì)中的速度快多少。

最先觀察到比光快的粒子所發(fā)射出的這種藍(lán)光的，是一個名叫巴維爾·切倫科夫的俄國物理學(xué)家，他在1934年報道了這件事。因此，這種光就被稱為“切倫科夫輻射”。1937年，另外兩個俄國物理學(xué)家——伊利亞·弗蘭克和伊戈?duì)枴に贰堰@種光同粒子和光在那種媒質(zhì)中的相對速度聯(lián)系起來，從而解釋了為什么會有這種光。結(jié)果，這三個人獲得了1958年的諾貝爾物理學(xué)獎。

人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種特殊的儀器——切倫科夫計(jì)數(shù)器，用來探測這種輻射，并測定它的強(qiáng)度和發(fā)射方向。

切倫科夫計(jì)數(shù)器特別有用，因?yàn)樗粚λ俣确浅８叩牧Ｗ硬牌鹱饔?，并且很容易根?jù)這種光的發(fā)射角度估計(jì)出這些粒子的速度。能量極高的宇宙線的運(yùn)動速度已經(jīng)非常接近真空中的光速，因此，它們就是在空氣中也會產(chǎn)生切倫科夫輻射。

快子——這是人們所假設(shè)的一種只能以超過真空中光速的速度運(yùn)動的粒子——即使在真空中也應(yīng)該會留下一道非常短暫的閃光。因此，物理學(xué)家希望能依靠探測這種切倫科夫輻射，來證明快子是確實(shí)存在的（如果它真的存在的話）。