这个物理技巧让你超越光速

在我们的宇宙中，有几条规则必须遵守。

• 每当任意两个量子相互作用时，能量、动量和角动量总是守恒的。
• 任何向前移动的粒子系统的物理与镜子中反射的同一系统物理相同，粒子被反粒子交换，时间方向反转。
• 而且每个天体都有一个终极的宇宙速度极限：在真空中，没有任何东西能超过光速，任何拥有非零静止质量的物体也永远无法达到那个被吹嘘的速度。

多年来，人们开发了非常巧妙的方案来试图绕过最后的限制。理论上，他们引入了快子作为假设粒子，可能超过光速，但快子必须有虚质量，且它们不存在于物理上。

在广义相对论中，足够扭曲的空间可以创造替代的、缩短的光路路径，但我们的物理宇宙中没有已知的虫洞。而量子纠缠可以产生远距离的“诡异”动作在这个过程中，任何信息都不会以超光速传输。

不过，有一种方法可以战胜光速：进入任何非完美真空的介质。以下是如何战胜光速的物理原理。

你得记住，光是一种电磁波。当然，它也表现为粒子，但当我们谈论它的传播速度时，更有用的不仅是波，而是一波振荡的、同相、相互垂直的电磁场波。

当它穿越太空真空时，没有任何限制让这些场以它们自然选择的振幅传播，这幅幅由波的能量、频率和波长决定。（而这些又是相互关联的。）

但当光通过介质——即任何存在电荷（可能还有电流）的区域——这些电场和磁场会遇到一定程度的阻力，阻碍它们自由传播。在所有可以自由变化或保持不变的事物中，光保持恒定的性质是它在从真空到介质、从介质到真空，或从一种介质到另一种介质时的频率。

然而，如果光的频率保持不变，意味着它的波长必须发生变化。由于频率乘以波长等于速度，而介质中的波长变短而频率保持不变，这意味着光传播的速度也必须随着传播介质的变化而变慢。

一个壮观的例子是光通过棱镜时的折射。白光——像阳光一样——由连续且多样波长的光组成。较长波长的光，如红光，频率较小;而波长较短的，如蓝光，频率较大。

在真空中，所有波长传播速度相同：频率乘以波长等于光速。蓝色波长能量更大，因此其电场和磁场比红色波长的光强。

然而，当你将这些光通过像棱镜这样的色散介质时，所有不同波长的响应都会略有不同。你电场和磁场中的能量越大，它们通过介质时感受到的效应就越大。

所有光的频率保持不变，但高能（更蓝）的光的波长缩短幅度比低能（更红）的光要大得多。

因此，尽管所有光在介质中的传播速度比真空中慢，但红色光的减速幅度略小于蓝色光，这导致了许多迷人的光学现象，比如当阳光穿过水滴和水滴时，出现了彩虹。

然而，在太空真空中，光别无选择——无论波长或频率如何——只能以一种速度运动：真空中的光速。这也是任何纯辐射形式（如引力辐射）必须以的速度传播，同时也是相对论定律下任何无质量粒子必须以的速度传播。

但宇宙中大多数粒子都有质量，因此它们必须遵循略有不同的规则。如果你有质量，真空中的光速仍然是你的最终速度极限，但它不是被强制以那个速度移动，而是你永远无法达到的极限;你只能接近它。

你向大质量粒子注入的能量越多，它就能越接近光速，但它必须始终以更慢的速度移动。地球上有史以来能量最高的粒子，即大型强子对撞机中的质子，在真空中可以极接近光速：299,792,455米每秒，约为光速的99.999999%。

无论我们向这些粒子注入多少能量，我们只能在小数点右侧加上更多的“9”。我们永远无法将一个大质量粒子加速到等于光速的速度;只能加速到低于光速的速度。

不过，更准确地说，我们应该澄清，大质量粒子永远无法达到光速在真空中.也就是说，极限的宇宙速度极限299,792,458米/秒对于有质量粒子来说是无法达到的，同时也是所有无质量粒子必须以的速度移动的。

那么，如果我们不是通过真空，而是通过介质，会发生什么呢？事实证明，当光通过介质时，其电场和磁场会感受到所经过物质的影响。

这会在光进入介质时，立即改变光的传播速度。这就是为什么当你观察光进入或离开介质，或从一种介质转变到另一种介质时，它看起来会弯曲。

光虽然在真空中可以自由传播，但其传播速度和波长高度依赖于它所穿透介质的性质。

然而，粒子的命运却不同。如果一个原本穿越真空的高能粒子突然发现自己在介质中移动，它的行为将与光不同。

首先，这些粒子不会立即经历动量或能量的变化，因为作用于粒子的电磁力——随时间改变动量——相比它已经拥有的动量微不足道。粒子的轨迹不会像光看起来那样瞬间弯曲，只能以渐进的方式前进。

当粒子首次进入介质时，它们会以大致相同的性质继续运动，包括进入前所拥有的速度。

其次，能够改变粒子在介质中轨迹的重大事件几乎都是直接相互作用：与其他粒子的碰撞。这些散射事件在粒子物理实验中极为重要，因为碰撞产物使我们能够重建碰撞点发生的事件。

当高速粒子与一组静止粒子碰撞时，我们称之为“固定目标”实验，它们被用于从产生中微子束到产生反物质粒子，这些粒子对探索自然界某些属性至关重要。

但最有趣的事实是：在真空中运动速度比光速慢，但在它们所穿透的介质中速度快的粒子，确实正在突破光速。这是粒子超越光速的唯一真实物理方式。

它们在真空中永远无法超过光速，但在介质中可以超过光速。当它们超过时，会发生一件令人着迷的事情：一种特殊的辐射——切伦科夫辐射—— 被发射出去。

以发现者命名，帕维尔·切连科夫这是那种物理效应，最早在实验中被观察到，甚至在被预测之前。切连科夫正在研究已制备的放射性样品，其中一些被储存在水中。

这些放射性制剂似乎会发出微弱的蓝色光，尽管切连科夫研究的是发光——即伽马射线激发这些溶液，这些溶液在去激发时会发出可见光——但他很快得出这种光有偏好的方向。

这不是荧光现象，而是完全不同的东西。

如今，这种蓝色光芒在核反应堆周围的水箱中也能看到：切伦科夫辐射。

是什么解释了这种辐射的起源？

当你有一个非常快的粒子在介质中运动时，这个粒子通常会带电：电子、正电子、质子、原子核，甚至自由中子（由带电成分组成：夸克）。

与此同时，介质本身也由物质组成：正电（原子核）和负电（电子）。带电粒子在穿越介质时，有可能与其中的某个粒子碰撞，但由于原子大多是空的空间，短距离内碰撞的概率相对较低。

即使没有直接碰撞，粒子也会对它所穿过的介质产生电磁效应：它使介质中的粒子偏振——同类电荷相互排斥，异电相吸——以应对穿过的带电粒子。

然而，一旦带电粒子离开，这些电子会回到最初较低能量的状态，这些跃迁引发光的发射。具体来说，它们会发射出锥形的蓝光，锥体的几何形状取决于粒子的速度和该介质中的光速。

这在粒子物理学中极为重要，因为正是这个过程让我们能够探测到难以捉摸的中微子。中微子几乎不与物质相互作用。然而，在极少数发生相互作用时，它们只将能量传递给另一个粒子：即它们碰撞并相互作用的粒子。

正是在那个撞击中携带中微子信息的粒子上，它突然获得了大量动能。

我们能做的，或者说，检测它的方式是建造一个巨大的液体罐，里面装满了非常纯净的液体：这种液体不会放射性衰变，也不会释放其他高能粒子。

我们可以很好地屏蔽它免受宇宙射线、自然放射性物质以及各种其他污染源的侵害。然后，我们可以在这个罐子外部安装所谓的光电倍增管：这些管子能够探测单个光子，触发一连串电子反应，使我们能够知道光子来自哪里、何时、朝哪个方向。

有了足够大的探测器，我们可以确定这些罐子中每个与粒子相互作用的中微子的许多性质。只要中微子“踢”出的粒子超过液体中的光速，就会产生切伦科夫辐射，这对于测量这些幽灵宇宙粒子的性质极为有用。

切伦科夫辐射的发现和理解在许多方面具有革命性意义，但它也在实验室粒子物理实验的早期阶段带来了令人恐惧的应用。高能粒子束在空气中传播时不留下光学特征，但如果它穿过一种介质中蓝光速度超过光速，就会发射蓝光。

物理学家们过去会闭上一只眼睛，把头伸进光束路径;如果光束开启，他们会看到因切伦科夫辐射产生的“闪光”，确认光束已开启。（不用说，随着辐射安全培训的出现，这一过程被终止，尽管1970年代发生了一起著名的事故，阿纳托利·布戈尔斯基头部接受了粒子物理束的巨大辐射。2026年，他依然活着。）

尽管物理学在几代人间取得了巨大进步，我们所知的唯一方法就是找到一种介质，让光速变慢。我们只能在介质中超越这个速度，如果能做到，这种标志性的蓝色光芒——提供了大量关于其相互作用的信息——将成为我们丰富的数据奖励。

在曲速引擎或快子成为现实之前，切伦科夫光辉是唯一能让你梦想超越光的途径！

本文最初发表于2022年7月。2026年9月进行了更新。

本文刊登于大思考.