声音的传播是需要的介质来进行传递,光的传递过程是不需要介质的,很常见的一个实验就是,在真空的环境中,可以看到光但是却不会听见声音。利用这一原理,人类在抗噪音方面就有了一个很好的应对措施。声音的速度相对光速是的慢的,音速飞机的飞行过程中,当速度过声音的速度的时候,就会产生一声巨响,会让人误以为是飞机故障,其实这是音爆现象,也叫作音雷,那么由此及彼,过光速会产生什么呢?
光速运行现象在历拿到了一个诺奖!
的确,光速的带电粒子会产生大量光子,这种现象完全可以称为光爆。发现者和确认这个现象的物理学家叫切伦科夫,因此现在物理学界把这种现象称为切伦科夫辐射,而不是光爆。而切伦科夫也因为这项研究而拿到1958年的诺贝尔物理学奖。
核反应堆的“光爆”现象,因为核反应堆释放出一些在水中跑得比光还快的粒子,于是产生了大量光子,让泡在水中的核反应堆呈现出诱人而危险的蓝光,这些光被称为切伦科夫辐射。
不过,爱因斯坦的狭义相对论不是说,光速是不可能的,光速就是宇宙中较快的速度,那怎么还会有光速粒子存在?是啊,爱因斯坦的狭义相对论的发表,的确让一些人错过了诺奖,大多数人就此认为光速不可越,不管在什么条件下都无法越!
但现在我们知道事实不是这样,不能越的光速仅仅是真空光速!但悲哀的是,当时的许多科学家并未清晰地意识到这一点。因此他们错失了一个诺奖,或者您也可以这么想,正因为大多数科学家都默认光速都是无法越的,因此这样的发现和冲刺才值得一个诺奖!
因此现在光速这个词就有了两个含义:
一者是真空中光子的速度,这个速度无法被越。
另一个含义则是光子的实际速度,但光子在不同介质中运动时,就不再能保持速度榜了,这时候就给了其它粒子光速的机会。
光子不仅能在真空中运动,还能在许多其它介质中运动,比如在空气中,在水中,在玻璃、钻石这类透明材料中等等。在不同的介质中,光子的速度不一样,当然这些介质中的光速只会比真空中的光速慢,而不会比真空光速快。当光速发生变化时,就会让光在穿过不同介质的接触面时,发生折射现象。
折射率就是真空光速和介质光速的比值,折射率越大表明,光在这种介质中的运行速度越慢。
现在,物理学家已经有了许多实测数据,因此我们知道在不同介质中光子的速度差异很大,如果真空光速记作C,那么光在生活中常见介质里的速度分别为:
空气中的光速为99.97%C
冰中的光速为76%C
(20摄氏度)纯水中的光速为75%C
酒精和丙酮中的光速都是73.5%C (在水杯中小心加入纯酒精,能看到两种液体的接触界面,就是因为光速差异导致的折光现象,但酒精和丙酮的液体接触面上就无法看到这样的分界面)
玻璃中的光速为66.67%C
水晶中的光速为50%C
钻石中的光速为41%C
晶体碘中的光速为29.94%C
此外不同溶液的折光系数也有差异,和溶质以及溶质的浓度有关系。
光速导致光爆现象的发现
早在切伦科夫之前,就有人预言过这样的事情,奥利弗希·维赛德在1888年和1889年,阿诺德索末菲在1904年都曾发表过这方面的理论研究论文,但随着狭义相对论的发表以及被广泛接受,曾经预言过光速之后会发生什么的物理学家的论文,自然也就被当成过时的论文被人们彻底抛弃了。也有人看到过这样的现象,放射性物质在水溶液中发光,比如研究镭的居里夫人就看到过并进行了记录,但她没有进一步追问这是怎么回事,默认这些光是放射性的镭自己产生的。
但俄国物理学家切伦科夫(cherenkov ),却专心的探究这个现象,并将其作为自己的博士研究课题,而对放射性物质在水中发光现象的探究,较终让他获得诺贝尔奖,虽然他并没有解释清楚原因,但他的研究排除了许多可能性,比如是放射性物质直接发出了光子这样的可能性。
在切伦科夫研究的基础上,另外两位物理学家Tamm和Frank较终解释清楚了这些光子的来源:“这种奇特的辐射不能用常见的机制来解释,例如快电子与单个原子的相互作用或电子的辐射散射。另一方面,如果我们注意到在介质中移动的电子即使是匀速移动,只要它的移动速度大于介质中的光速,它就会发光,那么我们就不仅可以定性也可以定量地解释这种现象“。
切伦科夫辐射现象的用处
确定了光速带电粒子会发光这事情对物理学很重要,一些重要的物理学实验,依赖对这种现象的观察,比如日本的级神冈实验。这个实验使用的是神岗的一个废弃矿山而得名,该实验的目的是探测中微子以及质子的衰变。理论计算表明当质子衰变时,在水溶液中会释放出比光速快的电子,于是就会产生切伦科夫辐射,该实验的目的就是发现这个现象。质子就是普通氢的原子核,质子的衰变速度和宇宙的命运有关,因为宇宙中的可见物质主要是氢。
惠更斯是光波动说的提出者和捍卫者,但不幸的是他的对手是牛顿,牛顿坚持光的粒子说,导致光的波动说被长期忽视,直到后来有了更多实验证据,是无法用光粒子说解释的时候,爱因斯坦站出来成功的将光的粒子说和波动说调和在一起,提出了的波粒二象性。