核反应堆里的齿轮克夫辐射,为什么能超越光速呢?

爱达荷国家实验室的先进实验反应堆核心发出的蓝光,并非由于其中包含蓝光,而是因为这是一个核反应堆,其中的带电粒子在被水包围的情况下运动速度超过了介质中的光速,从而产生了切伦科夫辐射,就像图中发出的蓝光一样。需要注意的是,没有任何物质能比光速更快。当爱因斯坦提出相对论时,他提出了一个不可违背的假设:宇宙中存在一个终极速度极限,只有无质量的粒子才能达到这个极限。所有的大质量粒子只能接近这个极限,但永远无法达到。根据爱因斯坦的理论,光速对于所有参照系中的观察者来说都是一样的,任何形式的物质都不可能达到光速。
然而,这一理论忽略了介质对光速的影响。在介质中,如空气、水、玻璃、丙烯酸等气体、液体或固体中,光的传播速度都会变慢。而高能粒子在介质中的速度也只能比真空中的光速慢,而不是比介质中的光速慢。通过利用这一特性,我们实际上可以比光走得更快。
太阳发出的光以299,792,458米/秒的速度穿过真空空间,这是宇宙速度的极限。然而,一旦光线照射到介质上,这些光子的速度就会下降,因为它们只能以光速穿过介质。尽管没有任何大质量粒子能在真空中达到光速,但它们可以轻易地达到甚至超过介质中的光速。
在介质中,如空气、水、玻璃等,光的速度都会变慢,因此,如果你要和迄今为止发现的能量最高的宇宙射线粒子赛跑,带着一个光子到仙女座星系然后返回,大约500万光年的旅程,这个粒子将会以大约6秒的时间输掉比赛。
我们可以使物质粒子在真空中加速到接近光速的速度,但永远无法达到或超过光速。然而,这并不意味着我们永远不能超过光速;这只意味着我们不能在真空中走得比光还快。在介质中是非常不同的。你可以通过一束通过棱镜照射地球的阳光看到这一点。在真空中,光在空气中运动的速度可能非常接近光速,以至于无法察觉它的不同,但通过棱镜的光显然是弯曲的。这是因为在密度更大的介质中,光速会显著降低:在水中的速度为2.25亿米/秒,而在玻璃中速度为1.97亿米/秒。这种缓慢的速度,加上各种守恒定律,确保了光在介质中弯曲和扩散。
白光通过棱镜时的行为表明,不同能量的光在介质中以不同的速度运动,而不是在真空中。牛顿是第一个解释反射、折射、吸收和透射以及白光分解成不同颜色的能力的人。这一特性导致了一个惊人的预测:只要处于光速低于真空光速的介质中,你就有可能比光速还快。
例如,许多核过程通过聚变、裂变或放射性衰变导致带电粒子(如电子)的发射。虽然这些带电粒子可能是高能的、快速运动的,但它们在真空中永远无法达到光速。如果让那个粒子穿过一个介质,即使是像水这样简单的东西,它也会突然发现它在那个介质中运动的速度比光速还快。只要物质粒子和超光速粒子带电,它会发出一种特殊形式的辐射特性:切伦科夫辐射。
核反应堆实验RA-6(阿根廷共和国6号)显示了特征的切伦科夫辐射。中微子(或者更准确地说,反中微子)是在1956年的一个类似核反应堆中首次被发现的。现代实验继续观察中微子的特性,但正以前所未有的速度努力量化它,而切伦科夫辐射的探测已经彻底改变了粒子物理学。切伦科夫辐射典型表现为蓝色光芒,当带电粒子被释放出来的传播速度比光在一个特定的媒介,如水中的速度时产生。
反应堆内部的反应会导致高能量粒子的排放,这些粒子在水中的移动速度比光还快,但反应堆周围有大量的水,以保护外部环境免受有害辐射的影响。这种设计非常有效!带电粒子之间的相互作用发生在运动和媒介(带电)粒子穿越时,导致粒子辐射和交互的一个特定的能源都容许方向:径向向外,垂直方向的运动。

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