科學(xué)已經(jīng)證明光速既可超越，也可放慢，為何還說(shuō)光速極限和不變？

現(xiàn)代物理學(xué)中光速已經(jīng)是一個(gè)常量，每秒準(zhǔn)確值為299792458米，也就是約30萬(wàn)km/s。愛因斯坦早在100多年前的狹義相對(duì)論中，就提出了光速極限和光速不變的兩個(gè)杠杠，成為了現(xiàn)代物理學(xué)不可逾越的天花板。

光速極限的意思就是，在我們宇宙，任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)都無(wú)法達(dá)到光速，更不可能超過(guò)光速，一個(gè)最微小的粒子也不例外；光速不變的意思是，真空光速在任何參考系觀測(cè)都是一樣的，不會(huì)隨著觀測(cè)者是否相對(duì)運(yùn)動(dòng)而改變。

100多年來(lái)，這已經(jīng)成為一個(gè)鐵律，沒人能夠推翻。但在一些實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們時(shí)常會(huì)爆料，有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)快于光速，而且光速還能變慢甚至停頓！這又是咋回事？我們一起來(lái)了解一下。

唯一被證實(shí)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)超光速現(xiàn)象

很早以前，人們就觀察到了水等透明介質(zhì)經(jīng)放射線照射會(huì)發(fā)出淡藍(lán)色輝光，但被解釋為是熒光，就連居里夫人也這樣認(rèn)為。前蘇聯(lián)科學(xué)家帕維爾·阿列克謝耶維奇·切倫科夫決定要弄清楚這個(gè)問題。

上個(gè)世紀(jì)三十年代，連簡(jiǎn)單測(cè)量光強(qiáng)度的儀器也沒有，切連科夫只能完全依靠自己的眼睛來(lái)觀測(cè)，為了能夠?qū)鈴?qiáng)度敏感，他每天必須讓眼睛在黑暗中適應(yīng)1小時(shí)，然后才去觀測(cè)介質(zhì)中出現(xiàn)的淡淡輝光。

一連幾年，切倫科夫調(diào)換著各種介質(zhì)，一遍遍反復(fù)試驗(yàn)，最終他發(fā)現(xiàn)這不是熒光，因?yàn)闊晒鈶?yīng)該是向四面八方發(fā)出的球面波，而這種射線激發(fā)的輝光卻是圓錐形波。因此從1934年開始，他發(fā)表了一系列論文，詳細(xì)論述了這一現(xiàn)象的性質(zhì)，人們把這種現(xiàn)象稱為“切倫科夫輻射”。

后來(lái)，他的同事伊利亞·米哈伊洛維奇·弗蘭克和伊戈?duì)枴と~夫根尼耶維奇·塔姆也加入了研究，最終得出的結(jié)論是，這是一種超光速現(xiàn)象！這是自從愛因斯坦發(fā)出光速天花板以來(lái)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超光速現(xiàn)象，也是迄今為止唯一一個(gè)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)超光速現(xiàn)象！

但超光速現(xiàn)象為何會(huì)發(fā)生輝光呢？

許多科學(xué)家對(duì)這種現(xiàn)象很著迷，力圖通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)弄清楚這個(gè)問題。經(jīng)過(guò)幾年的共同努力，切倫科夫等三人終于弄明白了這個(gè)問題，原來(lái)是帶電粒子在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)光速時(shí)，就會(huì)發(fā)出一種電磁輻射，這種輻射是以錐形發(fā)出的，這就是切倫科夫輻射的來(lái)源。

之所以會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，有點(diǎn)像超音速飛機(jī)產(chǎn)生的音爆，當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到音速并超過(guò)音速的那一剎那，音波無(wú)法超過(guò)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，因此無(wú)法離開飛機(jī)機(jī)體而堆積起來(lái)，這樣就形成了一個(gè)錐形震波。

與此類似，當(dāng)一個(gè)帶電粒子超過(guò)光速運(yùn)行時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生光子振波，表現(xiàn)為藍(lán)色輻射錐，而藍(lán)色輝光就是粒子運(yùn)動(dòng)超光速時(shí)產(chǎn)生的光子振波現(xiàn)象。弄清了這個(gè)原理，切倫科夫和他的兩位同事共同榮獲并分享了1958年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這個(gè)原理有非常重要的意義，人們利用這個(gè)原理捕捉來(lái)自宇宙的各種高能帶電粒子。如一些高能帶電粒子進(jìn)入地球大氣層后，有的就會(huì)超過(guò)光速而產(chǎn)生藍(lán)光。人們還在地球上或冰層下面、地底下建造設(shè)置了大量捕捉各種粒子的氣泡室或水池，當(dāng)這些粒子轟擊人們準(zhǔn)備好的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生超光速效應(yīng)而留下輝光和路徑，，這樣，就讓這些平常無(wú)法見到的物質(zhì)顯形，讓科學(xué)家們得以研究。

光速不但會(huì)變慢，還能停住

從上面介紹的情況看，光速只是在真空中最快，在介質(zhì)中未必最快。那么光速在介質(zhì)中有多慢呢？這里有個(gè)大致的參數(shù)：與真空光速相比，光速在空氣中可達(dá)99.97%，在冰中可達(dá)77%，在水中只能達(dá)到約75%，在酒精中約73%，在玻璃中約67%，在鉆石中約41%。

從光速在這些常見介質(zhì)中的傳播速度來(lái)看，最慢的是鉆石，每秒約12.4萬(wàn)公里。這在日常生活宏觀世界中，還是一個(gè)可望不可及的速度。那么，還能夠讓它慢下來(lái)嗎？

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在做這個(gè)嘗試，證明了不但能讓光速慢一點(diǎn)再慢一點(diǎn)，還能夠把光停??！

1999年，丹麥物理學(xué)家萊恩·韋斯特加德·豪（Lene Vestergaard Hau）領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)，就成功將一束光減緩到每秒約17米，到了2001年，她就能夠?qū)⒁皇馔耆珒鼋Y(jié)。何謂凍結(jié)？就是停住了！而且解開這束光的束縛后，它又能恢復(fù)每秒30萬(wàn)公里。

說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)很難，這涉及到波色~愛因斯坦凝聚態(tài)理論。這個(gè)理論認(rèn)為，玻色子在接近絕對(duì)零度的極低溫度下會(huì)呈現(xiàn)某種特殊狀態(tài)，即玻色~愛因斯坦凝聚態(tài)。這個(gè)預(yù)言提出幾十年后，直到1995年科學(xué)家們終于制備實(shí)現(xiàn)了這個(gè)物質(zhì)形態(tài)。

波色~愛因斯坦凝聚態(tài)有許多奇異性質(zhì)，其中之一就是當(dāng)激光照射這種狀態(tài)的原子時(shí)，會(huì)使其對(duì)一定頻率的折射率驟增，從而讓光束在其中速度驟降。萊恩團(tuán)隊(duì)得到的每秒17米光速，就是利用這個(gè)原理，讓光速穿過(guò)一群超冷的鈉原子云得到的。

后來(lái)，萊恩團(tuán)隊(duì)采取光脈沖完全壓縮并包含在低溫原子中時(shí)，突然關(guān)閉耦合激光器的辦法，讓原子云的特性發(fā)生改變，光脈沖無(wú)法透出低溫原子云，被困在里面。當(dāng)她們重新打開耦合激光器后，被凍住的光脈沖就會(huì)重新釋放出來(lái)。

她的這項(xiàng)成果意義非常重大，為量子計(jì)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。現(xiàn)在，科學(xué)家們“捉住”光的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。

2013年，德國(guó)達(dá)姆施塔特大學(xué)一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)成功將光停住并儲(chǔ)存了60秒。這次是采用一個(gè)完全不透明的晶體，將其溫度降低到接近絕對(duì)零度，再用一束激光照射，讓其原子形成量子疊加態(tài)，這個(gè)晶體就變得透明起來(lái)，能夠讓一定波長(zhǎng)的光通過(guò)。然后讓另一束激光進(jìn)入這個(gè)已經(jīng)變得透明的晶體，接著立即讓晶體失去透明性，這樣，就鎖住了進(jìn)入晶體的激光。

這種方法有點(diǎn)像先制備一個(gè)暗室，并打開門讓一束光進(jìn)入，隨即關(guān)上門，光就被關(guān)在這個(gè)暗室里。一分鐘后再打開對(duì)面的一扇窗，光又跑了出去。

2021年，中國(guó)科技大學(xué)郭光燦院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用同樣原理，采用摻銪硅酸釔晶體（Eu3+: Y2SiO5）為材料，成功將一段600米的光脈沖，封閉存儲(chǔ)在5毫米的晶體中，過(guò)了60分鐘才把它放出來(lái)，這束光依然生龍活虎，相位存儲(chǔ)“保真度”高達(dá)96.4±2.5%。

光速的這些變化并沒有否定相對(duì)論

上面說(shuō)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，既有超越光速的物質(zhì)，又能將光速變慢，是不是就說(shuō)明愛因斯坦相對(duì)論有關(guān)光速的論斷是錯(cuò)誤的，相對(duì)論從此就推翻了呢？非也。

稍有物理學(xué)基礎(chǔ)的朋友都能夠看出來(lái)，上述各種例子列舉的光速被超越或變慢，都是有條件的，就是光速在不同介質(zhì)中的表現(xiàn)。而狹義相對(duì)論有關(guān)光速極限和光速不變的理論，是指光速在真空中的特性。

這就是說(shuō)，光速在介質(zhì)中的運(yùn)行速度并不是老子天下第一。這一點(diǎn)其實(shí)很好理解，比如一束光如果遇到一塊鐵板或木板，就被擋住了，而一顆子彈或穿甲彈，則能輕易把它們射穿，因此在木板或鐵板中，光的運(yùn)行速度還不如子彈或穿甲彈。

光速在介質(zhì)中為啥速度會(huì)慢下來(lái)呢？這是因?yàn)楣庠诮橘|(zhì)中會(huì)產(chǎn)生折射，折來(lái)折去不斷地折騰，當(dāng)然就慢了下來(lái)。不同的介質(zhì)折射率不一樣，光在其中的運(yùn)行速度就不一樣；其他的粒子運(yùn)動(dòng)方式與光子不一樣，因此就有可能在介質(zhì)中超過(guò)光速。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)讓光速更慢下來(lái)，就是通過(guò)改變介質(zhì)的折射率實(shí)現(xiàn)的。折射率越大，光通過(guò)這個(gè)介質(zhì)所需時(shí)間就越長(zhǎng)，因此看起來(lái)光速就越慢了。讓光停住則除了提升介質(zhì)的折射率，還需要通過(guò)對(duì)光場(chǎng)激發(fā)轉(zhuǎn)變成一群原子的激發(fā)，這些原子就會(huì)像一張漁網(wǎng)，把這些光子捕獲豬。

比如郭光燦院士團(tuán)隊(duì)讓600米的光在5毫米晶體中停留1小時(shí)，首先是將摻銪硅酸釔晶體（Eu3+: Y2SiO5）介質(zhì)折射率提升幾十萬(wàn)倍，通過(guò)激發(fā)形成原子“漁網(wǎng)”，讓進(jìn)入這群原子的光只能在晶體里來(lái)回震蕩，無(wú)法離開晶格當(dāng)中的位置。

其實(shí)這些實(shí)驗(yàn)，都是在愛因斯坦相對(duì)論框架下進(jìn)行的，與愛因斯坦提出的光速極限和光速不變完全不矛盾。

就說(shuō)這些，歡迎討論，感謝閱讀。

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