科學已經證明光速既可超越,也可放慢,為何還說光速極限和不變?

現代物理學中光速已經是一個常量,每秒準確值為299792458米,也就是約30萬km/s。愛因斯坦早在100多年前的狹義相對論中,就提出了光速極限和光速不變的兩個杠杠,成為了現代物理學不可逾越的天花板。

光速極限的意思就是,在我們宇宙,任何物質運動都無法達到光速,更不可能超過光速,一個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都是一樣的,不會隨著觀測者是否相對運動而改變。

100多年來,這已經成為一個鐵律,沒人能夠推翻。但在一些實驗中,科學家們時常會爆料,有物質運動快于光速,而且光速還能變慢甚至停頓!這又是咋回事?我們一起來了解一下。

唯一被證實的物質運動超光速現象

很早以前,人們就觀察到了水等透明介質經放射線照射會發出淡藍色輝光,但被解釋為是熒光,就連居里夫人也這樣認為。前蘇聯科學家帕維爾·阿列克謝耶維奇·切倫科夫決定要弄清楚這個問題。

上個世紀三十年代,連簡單測量光強度的儀器也沒有,切連科夫只能完全依靠自己的眼睛來觀測,為了能夠對光強度敏感,他每天必須讓眼睛在黑暗中適應1小時,然后才去觀測介質中出現的淡淡輝光。

一連幾年,切倫科夫調換著各種介質,一遍遍反復試驗,最終他發現這不是熒光,因為熒光應該是向四面八方發出的球面波,而這種射線激發的輝光卻是圓錐形波。因此從1934年開始,他發表了一系列論文,詳細論述了這一現象的性質,人們把這種現象稱為「切倫科夫輻射」。

后來,他的同事伊利亞·米哈伊洛維奇·弗蘭克和伊戈爾·葉夫根尼耶維奇·塔姆也加入了研究,最終得出的結論是,這是一種超光速現象!這是自從愛因斯坦發出光速天花板以來發現的第一個超光速現象,也是迄今為止唯一一個物質運動超光速現象!

但超光速現象為何會發生輝光呢?

許多科學家對這種現象很著迷,力圖通過各種實驗弄清楚這個問題。經過幾年的共同努力,切倫科夫等三人終于弄明白了這個問題,原來是帶電粒子在介質中運動速度超過光速時,就會發出一種電磁輻射,這種輻射是以錐形發出的,這就是切倫科夫輻射的來源。

之所以會產生這種現象,有點像超音速飛機產生的音爆,當飛機速度達到音速并超過音速的那一剎那,音波無法超過飛機運動速度,因此無法離開飛機機體而堆積起來,這樣就形成了一個錐形震波。

與此類似,當一個帶電粒子超過光速運行時,也會產生光子振波,表現為藍色輻射錐,而藍色輝光就是粒子運動超光速時產生的光子振波現象。弄清了這個原理,切倫科夫和他的兩位同事共同榮獲并分享了1958年諾貝爾物理學獎。

這個原理有非常重要的意義,人們利用這個原理捕捉來自宇宙的各種高能帶電粒子。如一些高能帶電粒子進入地球大氣層后,有的就會超過光速而產生藍光。人們還在地球上或冰層下面、地底下建造設置了大量捕捉各種粒子的氣泡室或水池,當這些粒子轟擊人們準備好的介質時,就會發生超光速效應而留下輝光和路徑,,這樣,就讓這些平常無法見到的物質顯形,讓科學家們得以研究。

光速不但會變慢,還能停住

從上面介紹的情況看,光速只是在真空中最快,在介質中未必最快。那麼光速在介質中有多慢呢?這里有個大致的參數:與真空光速相比,光速在空氣中可達99.97%,在冰中可達77%,在水中只能達到約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中的傳播速度來看,最慢的是鉆石,每秒約12.4萬公里。這在日常生活巨觀世界中,還是一個可望不可及的速度。那麼,還能夠讓它慢下來嗎?

幾十年來,科學家們一直在做這個嘗試,證明了不但能讓光速慢一點再慢一點,還能夠把光停住!

1999年,丹麥物理學家萊恩·韋斯特加德·豪(Lene Vestergaard Hau)領導的哈佛大學一個科學團隊,就成功將一束光減緩到每秒約17米,到了2001年,她就能夠將一束光完全凍結。何謂凍結?就是停住了!而且解開這束光的束縛后,它又能恢復每秒30萬公里。

說起來容易做起來很難,這涉及到波色~愛因斯坦凝聚態理論。這個理論認為,玻色子在接近絕對零度的極低溫度下會呈現某種特殊狀態,即玻色~愛因斯坦凝聚態。這個預言提出幾十年后,直到1995年科學家們終于制備實現了這個物質形態。

波色~愛因斯坦凝聚態有許多奇異性質,其中之一就是當激光照射這種狀態的原子時,會使其對一定頻率的折射率驟增,從而讓光束在其中速度驟降。萊恩團隊得到的每秒17米光速,就是利用這個原理,讓光速穿過一群超冷的鈉原子云得到的。

后來,萊恩團隊采取光脈沖完全壓縮并包含在低溫原子中時,突然關閉耦合激光器的辦法,讓原子云的特性發生改變,光脈沖無法透出低溫原子云,被困在里面。當她們重新打開耦合激光器后,被凍住的光脈沖就會重新釋放出來。

她的這項成果意義非常重大,為量子計算奠定了堅實基礎。現在,科學家們「捉住」光的時間越來越長。

2013年,德國達姆施塔特大學一個科學團隊成功將光停住并儲存了60秒。這次是采用一個完全不透明的晶體,將其溫度降低到接近絕對零度,再用一束激光照射,讓其原子形成量子疊加態,這個晶體就變得透明起來,能夠讓一定波長的光通過。然后讓另一束激光進入這個已經變得透明的晶體,接著立即讓晶體失去透明性,這樣,就鎖住了進入晶體的激光。

這種方法有點像先制備一個暗室,并打開門讓一束光進入,隨即關上門,光就被關在這個暗室里。一分鐘后再打開對面的一扇窗,光又跑了出去。

2021年,中國科技大學郭光燦院士帶領的團隊利用同樣原理,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,封閉存儲在5毫米的晶體中,過了60分鐘才把它放出來,這束光依然生龍活虎,相位存儲「保真度」高達96.4±2.5%。

光速的這些變化并沒有否定相對論

上面說的科學實驗,既有超越光速的物質,又能將光速變慢,是不是就說明愛因斯坦相對論有關光速的論斷是錯誤的,相對論從此就推翻了呢?非也。

稍有物理學基礎的朋友都能夠看出來,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中的表現。而狹義相對論有關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,光速在介質中的運行速度并不是老子天下第一。這一點其實很好理解,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,光的運行速度還不如子彈或穿甲彈。

光速在介質中為啥速度會慢下來呢?這是因為光在介質中會產生折射,折來折去不斷地折騰,當然就慢了下來。不同的介質折射率不一樣,光在其中的運行速度就不一樣;其他的粒子運動方式與光子不一樣,因此就有可能在介質中超過光速。

科學實驗讓光速更慢下來,就是通過改變介質的折射率實現的。折射率越大,光通過這個介質所需時間就越長,因此看起來光速就越慢了。讓光停住則除了提升介質的折射率,還需要通過對光場激發轉變成一群原子的激發,這些原子就會像一張漁網,把這些光子捕獲豬。

比如郭光燦院士團隊讓600米的光在5毫米晶體中停留1小時,首先是將摻銪硅酸釔晶體(Eu3+: Y2SiO5)介質折射率提升幾十萬倍,通過激發形成原子「漁網」,讓進入這群原子的光只能在晶體里來回震蕩,無法離開晶格當中的位置。

其實這些實驗,都是在愛因斯坦相對論框架下進行的,與愛因斯坦提出的光速極限和光速不變完全不矛盾。


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