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【新刊推荐】光速能被超越吗?  

2014-03-28 14:57:49|  分类: 新刊推荐 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【新刊推荐】光速能被超越吗? - kxsj - Newton-科学世界


根据相对论,光速是“自然界的最高速度”。光速不变本来就难以理解,还是自然界的最高速度就更是不可思议了。2011年,曾有权威机构报道称“一种中微子的运动速度超过光速”,在社会上引起了巨大的轰动,至今令人记忆犹新。虽然最终证实实验结果是错误的,但是,为什么超光速会产生巨大的影响呢?让我们来看看光速意味着什么?如果真的存在超光速的现象,又会发生什么呢?

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光速是什么?

20119月,欧洲核子研究中心(CERN)等国际研究机构发表了“中微子的速度超过了光速”的实验结果,令世人震惊。有媒体也随之报道“也许可以进行回到过去的时间旅行了”,引起了社会一时的轰动,肯定有读者对此记忆犹新。

翌年人们就知道了,由于设备问题,这个实验结果是错误的,“中微子的速度超过光速”的结论也撤销了。那么,为什么超光速会产生巨大的影响呢?

这是因为现代物理学的基础理论“相对论”是以“光速是不可超越的自然界最高速度”为前提的。不仅物体的运动速度如此,超过光速传递信息(超光速通信)也是不可能的。

感觉上声音传播的速度很快,但也只不过是光速的100万分之1

真空中的光速是每秒30万公里(准确地说是每秒299792.458公里)。地球的周长约为4万公里,所以光在1秒之内传播的距离相当于绕地球7周半。

高铁的运行时速为300公里,也就是每秒0.08公里。这个速度只是光速的1000万分之3。人造物体中,速度最快的是行星探测器,它也只能达到每秒1020公里左右,不及光速的万分之1

看电视的时候,感觉声音(声波)瞬时就能到达耳朵,但是声音的速度仅仅为光速的100万分之1左右。可见光速之快是多么难以想象。

如果移动光源,光的速度会不会超过每秒30万公里呢?

有没有办法使光的速度超过每秒30万公里呢?想一想自己身边的物体的速度也许会有启发。

有的棒球投手能够投出时速超过150公里的高速球。那么普通人有没有办法把球投出超过时速150公里呢?实际上有很简单的方法。在飞驰的列车内将球朝着行驶方向投出就行了。

假定列车是以时速100公里的速度前进的,只要以时速超过50公里的速度把球投出,球相对于地面的速度就超过每小时150公里。如:100公里/小时(列车的速度)50公里/小时(列车中看到的球的速度)150公里/小时(地面上看到的球的速度)。

那么,用光来试验一下如何呢?也就是让光源在高速运动的情况下发光。

实际上,1964年在CERN进行了这样的光速测定实验,测定了以接近光速运动的“π介子”(π-meson)衰变后形成的两束光(伽马射线)的光速。 

π介子相当于光源,如果上例中的速度叠加算法成立的话,那么“接近光速+光速=约2倍光速”,光就应该以大约通常光速的2倍的速度传播。但是实验证明,光速的值还是每秒30万公里,没有变化。可见光速不受光源运动的影响。


光不是一种特别的存在

自然界的最高速度是光,但是以这个速度传播的不单单是光。人们认为光的基本粒子(光子)的质量为零。那么,只要质量为零,不是光的物体也能够以光速传播。

在我们身边以自然界最高速度传播的只有光,爱因斯坦就以光为基础创立了相对论,但是不等于说光是自然界的一种特别的存在。

人们认为,光以外能以光速传播的还有“引力波”,引力波的基本粒子(引力子)的质量也是零。所谓的引力波是相对论预言存在的物质,也就是时空的扭曲以波的形式传播。但是,目前世界上还没有任何一个实验小组成功地检测到它的存在。(编者更正:出刊时,尚未发布检测到引力波的新闻。317日,哈佛大学的科学家宣布发现了引力波存在的确凿证据。更多信息请参阅:)

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在水中,能够超过“光的速度”

自然界的最高速度是光速,但是这是指“真空中的光速”。实际上光在空气、水等介质中的速度比在真空中慢。介质的原子、分子在一定程度上阻碍了光的传播。在空气中的光速约为真空中的99.97%,在水中约为75%,在钻石中仅为约41%

那么,能不能说在水和其他介质中的最高速度,也是光在“介质中的速度”呢?不是。即使是在介质中,最高的速度也还是“真空中的光的速度”。也就是说,在介质中其他的粒子能够超过光的速度,这种现象并不违背相对论。

电子等带电粒子在介质中超过介质中的光速时,会发出被称为“切连科夫辐射”(Cerenkov radiation)的一种“光的冲击波”。由2002年诺贝尔物理学奖获得者小柴昌俊博士研究而著名的、位于日本岐阜县神冈矿山地下的中微子观测装置“神冈”(Kamiokande),以及其后续的“超级神冈”,就使用了巨大的水槽观测切连科夫辐射来间接观测不能直接观测的中微子。

中微子是不带电荷的中性基本粒子,但它能与原子核发生核反应放出带电粒子,所以可以被间接地观测到。1987年,在“神冈”观测到来自于距离地球16万光年的恒星大爆发(超新星1987A)产生的中微子。中微子的质量和电子(9.1×10-31千克)相比是非常小的(具体的值不明),因此在“神冈”观测到的中微子几乎都是以光速飞到地球来的。

 

那么,光速的极限是什么?如果存在超光速粒子,我们是否就能和过去通信?膨胀的宇宙,导致远处的星系远离我们的速度超过光速,这合理吗?宇宙初期的超光速膨胀是怎么回事呢?

(更多精彩图片及完整内容请阅览《科学世界》2014年第4

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