爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,光速是宇宙中物质速度的上限,质能转换方程也清晰地显示出,没有什么带质量的物体其速度可以达到或者超过光速。这也造就了光速成为宇宙速度的霸主。但是,光速其实是可以被超越的。
众所周知,光速大约是每秒30万公里。但是我们可能并没有注意到,科学家在定义这个速度的时候有一个前提,那就是在真空中传播的速度。如果说光在任何环境下的速度,那么这个速度并不是不可超越的,真正不能超越的是光在真空中的速度。
光速被超越的情况
事实上,在一些介质中,光的速度是没有真空光速快的。这时如果某些物体(或粒子)的速度大于介质光速,就会发出电磁辐射,我们将它称为切伦科夫射线。例如,光在水中的速度仅有真空光速的0.75倍,这也是我们为何能在核反应堆周围看见蓝光的原因。
由于光在重水里的速度偏小,被粒子加速器加速的带电粒子在水中传播的速度就会超过光速,因此会发出蓝色辉光的切伦科夫射线。
这种现象的原理就和“音爆”现象类似,当飞机的速度超过空气中的声速时,就会受到空气块的压迫,我们将其称为音障。飞机突破音障之时就会产生巨大的爆破声。而当带电粒子在水中的速度超过光速时,就会以蓝色辉光的形式将能量释放,产生“超光速”。
真空能够实现超光速吗
刚才我们也讲到,介质中的光速是可以被超越的,那真空中是否可行。这里我们就要定义一下什么才能被称得上超光速。其实宇宙中超光速并不是不可以,宇宙本身膨胀的速度就是超光速的。量子力学中的量子纠缠从理论上来讲也可以算得上信息的超光速传递。
既然这么多现象都是超光速的,为何光速还是被认为是速度的上限。这里我们不得不提到另一个前提条件,那就是质量。另外相对论也有自己的局限,并不能完全的解释快子,更不能解释普通物质在时空中的超光速的现象。在狭义相对论中,快子有质量也有信息,然而它的速度确是不能低于光速的。
不过,快子是否存在本身在物理学界就存在争议,而超光速也只是在数学上成立的假设,至于观测到的宇宙超光速更是无从解释。
光速被超越时光会倒流吗?
速度本质上其实是一个物体在单位时间内空间位置的转移。爱因斯坦也曾提出,要保持光速不变,一个物体如果要保持速度,就得在空间和时间上做出调整。速度是相对的,而光速的不变则意味着它是绝对的。
如果一辆汽车以光速在向前运动,根据“多普勒频移”现象,光的波长就会缩短,我们所看到的汽车长度也会变短。这时的时间也会变得极其缓慢,仿佛就像静止一样。当时间超过光速,那么时间就有可能发生倒流。
当然,这一切都是建立在相对论的理论基础之上,对于它的验证还有很长的路要走。