爱因斯坦在相对论中提出了光速不变原理,他给光速设定了上限——299,792,458米每秒。光速一直以来被认为是不可超越的,没有其他物体能有更快的速度。
其实,光速也并非难以企及,光在真空中的传播速度虽然很快,但在某些介质中的传播速度却慢得像蜗牛。
光在水中的传播速度只有真空中的75%,这意味着某些快速移动的粒子在水中可以超过光速。
1934年苏联科学家契伦科夫发现,核反应堆中的冷却水会发出一种淡蓝色的微弱可见光,他认为这是高速带电粒子在透明介质中穿行时产生的。
带电粒子既可来自外源,也可由γ射线的康普顿散射或光电效应产生。契伦科夫在实验中发现这种微光与通常的荧光或磷光不同 ,具有明显的方向性、强偏振以及随介质变化不大的谱分布等一系列特点,与普通的光明显不同。
他还发现带电粒子穿透力很强且运动速度仅仅略小于真空光速,在核反应堆芯的冷却水中,速度甚至超越光速,由此产生奇异的蓝辉光。
当然,超过的只是光在水中的速度,而非真空光速,这种现象被称作契伦科夫辐射,他也因此被授予1958年的诺贝尔物理学奖。
我们都知道,当一个物体运动比声音还快的时候,音波的速度无法快到足以离开物体,因此波“堆积”了起来,形成了一个弓形震波(bow shock),也就是音爆现象。
同样的电子的速度超过冷却水中的光速,导致前方的光无法离开,因此被堆积起来,形成带有蓝辉光的冲击波或者紫外光,也就是类似音爆的“光爆”现象。
虽然没有打破光速的极限速度,但科学家在降低光速实验上,成果非常丰硕。
1999年,哈佛大学的物理学家Lene Vestergaard使用接近绝对零度的超流性气态原子云成功将一受控光束的速度降低至每秒17米。
后来,他们又将金属原子组成的原子云冷却至接近绝对零度后形成所谓的“玻色-爱因斯坦凝聚” 状态,在这种低温状态下,原子的速度几乎等于零,被迫相互重叠形成。
而光子是具备波粒二象性的,这种冷凝物相当于一根“囚牢”,能够将光囚禁,使它无限接近零,短时间内停滞不前。这样一来,光速被成功降到“零”。
可见光速并不是无法企及的,只不过现在只能在介质中超越光速,想要超越真空光速,以当前科技水平是不可能的。之前一直被寄予厚望的中微子超光速实验,后来被质疑为计算错误导致的“乌龙事件”。