光折射原理和光速的关系——真空不空

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190707

宇宙没有真正的真空,真空光速非恒定

物理学家说的真空指的是不含粒子的空间,这只是画面世界的真空,在波的世界里没有真空,画面世界的真空其实是有空间的波动的,只是升物看不到空间的波动,就误把它当作真空了

因为不存在绝对的真空,光在真空中的速度并不是个固定值,而是个约数。因为人类测速时的分辨精度有限,所以把真空中的光速当作固定值也关系不大

为什么粒子的运动速度不能够快于真空中的光速

光在通过真空以外的任何其他透明媒质时,它的传播速度总是小于真空中的光速。光在特定媒质中的行进速度可以通过折射率来计算

光和其他粒子同时通过水时,其他粒子的行进速度可能超过光速。除了在真空中以外,粒子在任何一种媒质中的运动速度都有可能超过光速

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,这种现象提示我们,光在真空中行进时,是沿着空间波动行进的,因此光的行进速度等于空间波动扩散的速度,而其他粒子在真空中行进时并不是沿着空间波动行进,因此会受到空间的阻力,于是速度不可能达到光速

当光和粒子在非真空媒质中行进时,光的行进就受到了物质的干扰,不能完全沿着空间波动行进,此时,光的速度就可能低于粒子的速度

50 光是由运动得比光更快的粒子发出的。那么,既然没有任何东西能运动得比光更快,又怎么可能有光呢?——光的折射

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

我们常常说,粒子不能够运动得“比光快”,“光速”是速度的上限

实际上,如果我们单单这样说,那是说得不够完全的,因为光在通过不同媒质时,它的传播速度并不相同,光在真空中的行进速度最快。在这种场合下,它以每秒300,000公里的速度运动。这个速度就是终极速度

因此,如果想把话说得确切一些。我们就应该这样说:粒子的运动速度不能够“快于真空中的光速”

光在通过真空以外的任何其他透明媒质时,它的传播速度总是小于真空中的光速,有时甚至要慢很多。光在某一特定的媒质中行进得越慢,当它从真空中以倾斜的角度进入这种媒质时,它受到偏折(折射)的角度就越大。偏折的大小是由一个称为“折射率”的物理量决定的

把真空中的光速除以某一特定媒质的折射率,就得出光在这种媒质中的速度。在一般的压力和温度下,空气的折射率约为1.0003,所以光在空气中的速度等于300,000除以1.0003,即每秒约299,910公里。这比真空中的光速小90公里/秒

水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.7,而钻石的折射率是2.42。这就是说,光在水中的传播速度为每秒约224,000公里,在玻璃中为每秒约176, 000公里,在钻石中只有每秒约123,200公里

粒子的运动速度不能快于每秒约300,000公里,但是,即使在水中,它们也确实能够以每秒约256,000公里的速度运动。当它们的速度这样大时,它们在水中的行进速度就超过水中的光速了。事实上,除了在真空中以外,粒子在任何一种媒质中的运动速度都有可能超过那种媒质中的光速

在非真空媒质中运动得比光快的粒子,会发出一种蓝光作为它的尾迹。这种尾迹的角度大小,取决于这个粒子在媒质中的速度比光在同一媒质中的速度快多少

最先观察到比光快的粒子所发射出的这种蓝光的,是一个名叫巴维尔·切伦科夫的俄国物理学家,他在1934年报道了这件事。因此,这种光就被称为“切伦科夫辐射”。1937年,另外两个俄国物理学家——伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆——把这种光同粒子和光在那种媒质中的相对速度联系起来,从而解释了为什么会有这种光。结果,这三个人获得了1958年的诺贝尔物理学奖

人们已经设计出一种特殊的仪器——切伦科夫计数器,用来探测这种辐射,并测定它的强度和发射方向

切伦科夫计数器特别有用,因为它只对速度非常高的粒子才起作用,并且很容易根据这种光的发射角度估计出这些粒子的速度。能量极高的宇宙射线的运动速度已经非常接近真空中的光速,因此,它们就是在空气中也会产生切伦科夫辐射

快子——这是人们所假设的一种只能以超过真空中光速的速度运动的粒子——即使在真空中也应该会留下一道非常短暂的闪光。因此,物理学家希望能依靠探测这种切伦科夫辐射,来证明快子是确实存在的(如果它真的存在的话)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

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