来源:中科院物理所

  古有夸父逐日,其实也就是夸父一直在追赶太阳落下的地方。现在如果简单计算一下,可以知道:夸父只要能跟的上地球自转的速度,就可以一直看到太阳。

夸父可以追上“光”吗?夸父逐日

  假设夸父站在赤道,已知地球平均半径为6371千米 [1],计算可知,只要夸父速度可以达到1668km/h(也就是463m/s),就可以保证一直看到太阳了(假设太阳此时直射赤道,忽略地球公转影响)。

  听上去好像不难?那么我们来看看地球上跑的最快的生物能有多快呢?能不能达到这个速度呢?

夸父可以追上“光”吗?跑快快

  跑的最快的生物有多快?

  What is the fastest speed of the creature?

  如果按照人类体能来估计,100米赛跑中跑的最快的男子的记录是2009年牙买加的博尔特(Usain Bolt)创造的记录,9.58秒,也就是速度大约是10.44m/s。[2] 离463m/s还是差了很大一大截。

夸父可以追上“光”吗? 跑步中的博尔特

  那么地球上的其他生物可以达到逐日的速度嘛?

  陆地上最快的陆生动物是猎豹,其记录的最快速度是120.7km/h(33.53m/s),而最快的鸟游隼的速度是389km/h(108m/s)。[3]

夸父可以追上“光”吗?别看我小,你跑的有我快吗?

  其实不同类别的生物比较时,应该使用相对于自身体长的速度才有比较意义。因为一只蚂蚁与一只大象相比虽然蚂蚁摆动脚的频率更快,但是还是不及大象的速度。

夸父可以追上“光”吗?溜了溜了

  比如一种叫南加州螨的螨虫,能够达到每秒322倍自身长度的移动速度。[4]如果人类可以达到这个速度的话,对于一个1.8米的人来说,速度就可以达到580m/s。已经远远超过音速,也可以实现夸父的梦想了。

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  但是其实对于普通生物甚至是机器来说,速度达到超音速已经很困难了。

  跑的比声音快会怎么样?

  How about running faster than sound?

  世界上跑得最快的生物的速度其实都远远小于音速,音速在1个标准大气压和15摄氏度的条件下,约为340m/s,也就是1224km/h。

夸父可以追上“光”吗?琦玉老师:我不能达到?(开玩笑)

  如果物体的移动速度超过音速,那就会形成一种叫做“音障”的东西。

  因为声音的传播速度是有限的,所以移动的声源是可以追赶并超过它们发出的声波的。随着物体的速度增加到音速,这些声波开始堆积在物体前面。如果物体具有足够的加速度,它就可以冲破声波所形成的屏障。当物体超过该屏障时,会引起堆积的声波附近的压力变化,从而会以爆炸或者音爆的形式传出。[5]

夸父可以追上“光”吗?飞机加速到超音速的过程

  如果我的速度可以达到甚至超过声速,那你跟我讲话,我是不是就可以昂首挺胸的跟你讲:“你说啥,我听不到。”

夸父可以追上“光”吗?我是真听不到,不是假听不到

  其实可以达到音速甚至超过音速的东西有很多,比如打陀螺用的鞭子的末端,以及最重要的应用——超音速飞机。

夸父可以追上“光”吗?超音速飞机形成的普朗特-格劳厄脱凝结云

  那比光速还快会怎么样呢?

  What about faster than the speed of light?

  如果,速度还能更快一点,达到甚至超过光速会怎么样呢?

夸父可以追上“光”吗?真的可以嘛?

  但是我们却知道宇宙第一大交通规则——没有什么可以比光速快,而真空中的光速又恰好是每秒299792458米。[6]

  我们知道了光以有限的速度传播,但是它为什么是有限的呢?这个问题爱因斯坦思考完之后,提出了一个疯狂的解决方案:物体的运动必须以某种方式使时间变慢。时间不再是恒定的了,所以相对论诞生了。

夸父可以追上“光”吗?没错,正是在下

  许多实验都证实了爱因斯坦的预测。

  1964年,麻省理工学院的比尔·贝托佐(Bill Bertozzi)将电子加速到一系列不同的速度。然后测量了它们的动能,发现随着电子的速度接近光速,电子变得越来越重,直到它们重到不可能产生更快的运动了。而这个临界速度就是光速。

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  而在另一项实验中,物理学家约瑟夫·哈菲尔等人在世界各地的商业客机上装了同步的超精确的铯原子钟。正如预言的那样,时钟的时间变慢了。也就是,事物的传播速度越快,它得到的能量越大,时间也就越慢。而环绕地球运行的GPS卫星就要考虑到时间变慢的问题,否则GPS将失去作用。[7]

夸父可以追上“光”吗? GPS定位导航系统,拯救了路痴的小编

  由爱因斯坦的狭义相对论,能量和质量是紧密相连的,所以任何质量随光速变化的东西都需要无限量的能量,从而导致其质量也变得无限大,所以,这是不可能的。

夸父可以追上“光”吗?不可能的

  但是我们知道,当光通过一个透明介质时,光不仅会发生反射与折射等现象,当光在介质内部的时候,光速会减小,且会跟介质的折射率成反比。

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  n是介质折射率,c是光速,v是介质中的光速。[8]

  例如光在水中的传播速度仅仅为0.75c。而在核反应期间或者粒子加速器中,物质的速度可以超过此时的光速(显然光速此时小于c)。当带电粒子(最常见的是电子)穿过电介质时就会发生切伦科夫辐射,此时电子的速度大于光在该介质中的传播速度。

  与音爆类似,波的传播速度比超速物体慢,就跟形成冲击波前沿一样,只不过电子在穿过时会产生光冲击波,而且超过的速度是光的相速度,而不是光的群速度。

夸父可以追上“光”吗?切伦科夫辐射的模拟过程

  此时,你不会听到巨大的声响,而是会看到蓝色的像“灯臂”一样的东西。[9]

  这就是爱达荷州国家实验室的高级测试反应堆中发生的事情。该反应堆侵入水中以帮助保持冷却。当电子跑赢光子时就会产生“大蓝臂”,这个以1934年发现它的苏联科学家名字命名——切伦科夫辐射。

夸父可以追上“光”吗?发生在爱达荷国家实验室先进测试反应堆的核心

  切伦科夫辐射用途也很多,在放射性同位素的医学成像和外照射疗法、天体物理实验和粒子物理实验等方面有着很重要的应用。[9]

夸父可以追上“光”吗?它很重要

  虽然夸父追不上“光子”,但是我们可以取巧,让电子追上它,而我们就可以看到美丽的“切伦科夫辐射”了。

  换句话说,如果你能追上前面的一个人,那么是不是你也就可以看到什么更好的风景呢?

夸父可以追上“光”吗?你以为是科普,其实是鸡汤