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举个栗子:光与声有不解渊源?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 243次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:光与声有不解渊源?

对着山谷喊话,会听到重复的回声,持续几秒到几十秒。但让人想不到的是,光竟然也会有类似回声的返光现象,光的返光能持续几百年!最惊人的是,返光传播速度有时是超光速的!

声音是声波,需要物质来传播,速度很慢;光是电磁波,不需要物质传播,速度极快。但是,这两种截然不同的波,表现有时却很相似。

【声音有音障,光也有“光障”】

声音在空气中的传播速度约是 340 米/秒,当飞行器的速度接近这个速度时,将会逐渐追上自己发出的声波。飞行器前面的声波和空气分子来不及散开,从而被挤压得较致密,与飞行器激烈冲撞,产生圆锥形剧烈冲击波,进而产生巨大的噪音。这种剧烈冲击是飞行器加速的很大障碍,这个障碍与音速有关,所以称为音障。

也许你想不到,光的世界里也存在类似音障的“光障”(科学上叫做“切伦科夫辐射”)。当电子等带电粒子在不带电的物质中穿越时,如果速度超过光在介质(这里指光所经过的物质)中的速度,就会出现奇妙的现象。例如:水中,光的传播速度是真空光速(C)的 3/4,那么 3/4C 就是水的光障,如果有一个电子以大于 3/4C 的速度穿过水,水中就会出现圆锥形的蓝色闪光,这蓝色闪光始终位于电子的前方附近。就像飞行器超过音障时制造圆锥形冲击波一样,电子超过光障则会制造圆锥形蓝光!

这很奇妙啊?为什么会这样?原来粒子以大于介质中光速的速度穿行时,会对介质中的电子产生极大的冲击,导致电子轨道的改变,当电子重新回到稳定状态时,就会释放出光。这同时会大大消耗穿行粒子的能量,使粒子速度降低。因此,介质中光速是粒子穿行的光障。

有意思的是,粒子超越光障所产生的光并不是荧光,荧光只有一种波长,而这种光是可见光波段和紫外线波段都有,其中波长越短的光所占的比例越大,也就是,粒子突破光障产生的光以紫外线为主,短波的紫光和蓝光占可见光的比例较大。但由于人眼睛看不见紫外线,对紫色光也不敏感,而接收到的蓝色光又较多,于是在人看来,粒子突破光障发出的光就是蓝色的了。

这种现象在核反应堆或粒子加速器附近常见,由于核反应过程中会释放出速度极高的电子,电子速度高到超过了光在空气中的速度,反应堆周围就会发出蓝光。蓝色光强度可以显示出核反应的强烈程度。

这个现象经常用于估测带电粒子的速度,由于光在一些物质中的传播速度是已知的,让带电粒子穿过这些物质,看它是否发光以及发光的强度,例如光在一种玻璃中的传播速度是 2/3C,光在水中的传播速度是 3/4C,如果电子穿过玻璃时发光,但穿过水时不发光,那么电子的速度就大于 2/3C,小于 3/4C。

【另一种“光障”现象】

还有一种情况的光障现象,就是不带电的粒子在带电的物质(例如各种盐类)中穿越时,如果速度超过介质中的光速,也会出现另一种奇妙的现象。一些电荷会飞速飞出,电荷的运动又激发出射电或微波范围的电磁波。

这种情况叫做阿斯卡亚辐射,是前苏联物理学家在 1962 年提出的,但这种现象直到 2000 年才被观测到。这种辐射的产生也是因为物质中电荷受不了超极限的粒子速度,各种电荷被激发出来,电荷的运动又导致了电磁波的产生。这些能量的产生都需要消耗穿行粒子的动能,因此是粒子穿行的光障。

阿斯卡亚辐射最吸引人的用途就是科学家在用它来捕捉中微子。中微子是不带电的微小粒子,与一般的物质不反应,但根据阿斯卡亚辐射,中微子与离子类的物质(例如盐)发生作用,于是科学家在地下设置了捕捉中微子的物质,当中微子穿过盐时,就会激发出电荷,并导致微波产生。从而我们可以观察到中微子。

【声音有回声,光也有“返光”】

在山谷中说话,声音会被山谷反射,从而产生回声,回声一般与最初的声音差不多,只是有点持续不断而又发颤。例如,你如果面对山谷喊一声“你好吗?”,一两秒后,就会传来回声,也是“你好吗?”,但有可能是连续几声问好,一声比一声小,颤悠悠,在山谷回荡。

让人想不到的是,光的“返光”也会重复不断,在一定宇宙空间中“回荡”。宇宙中经常有超新星的突然爆发,天文学家发现,一颗超新星爆发后,我们看到了,之后还会接二连三地看到这颗超新星爆发的景象,与第一次看到的景象一样,只是影像被放大了,变得有点虚了。那感觉就像是一个像素不大的图片,被逐渐放大了,虽然图像还是那个图像,但看上去变得越来越虚。天文学家告诉我们,这之后看到的一个比一个大的超新星爆发图像就是超新星爆发的“返光”!

回声是声音碰到物体反射回来再进入人的耳朵后产生的效果,光竟然也会产生“返光”!那么“返光”又是如何产生的?原来宇宙中遍布着星云和疏密不同的星际物质。这些物质的分布会形成宇宙中的“山谷”,反射突然出现的强烈光,把沿着别的方向传播的光反射回来,再次进入眼睛,从而人就看到了“返光”。

声音的传播是随着距离传得越远,回声回来得越晚,回声越小,“返光”也是这样,越先反射回来的光越强,随着时间的推移,光传播越远,回来越晚,“返光”越来越暗淡。

有意思的是,“返光”比回声持续的时间长多了,一颗 1572 年爆发的超新星,现在还可以看到它的“返光”,2008 年,天文学家还在银河系中看到了其微弱的返光。因此,科学家可以利用返光来研究历史上的超新星爆发,以及宇宙中过去的辉煌景象。

在观察“返光”的过程中,科学家还发现了一个难解的现象:上面已经说过,我们看到的返光图像会越来越大,越来越虚。但不可思议的是,有时科学家会看到返光图像的尺寸在几个月内扩大了几光年!图像的扩大是因为光向外传播后又被反射到地球引起的,上面的现象意味着,光在几个月里走完了几年才能走完的路程!这真是个惊人的现象,需要深入研究。宇宙深处好像是藏着很多秘密,等待我们去发掘。

由这些声与光之间的相似现象,你能找出声与光的渊源吗?通过对声音的研究,是否能揭示难解的光现象谜团呢?


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