电波科学学报

电磁波与声波之间的不解渊源 

来源:电波科学学报 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2021-08-31

对着山谷说话,你会听到重复的回声,持续时间从几秒到几十秒不等。但出乎意料的是,光会出现类似回声的回光现象,而回光的光能持续数百年!最神奇的是,返回光的速度有时比光速还快!

声音是声波,需要物质传播,速度很慢;光是一种电磁波,不需要物质传播,速度极快。然而,这两种完全不同的波有时表现得非常相似。

声音有声障,光也有“光障”

声音在空气中的传播速度约为每秒340米。当飞行器的速度接近这个速度时,它会逐渐赶上来自你自己的声波。飞机前方的声波和空气分子来不及散开,被挤得更密,与飞机猛烈碰撞,产生锥形猛烈冲击波,进而产生巨大的噪音。这种猛烈的撞击是飞机加速的一大障碍。这个障碍物与声速有关,所以称为声障。

也许你想不到,在光的世界里也有类似声障的“光障”(学名“切伦科夫辐射”)。当电子等带电粒子穿过不带电物质时,如果速度超过介质(这里是光通过的物质)中的光速,就会出现奇怪的现象。例如:在水中,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。如果电子以大于 3/4C 的速度穿过水,则水中会出现锥形。蓝色闪光,这种蓝色闪光总是位于电子的前端附近。就像飞机在超过音障时会产生锥形冲击波一样,电子越过光障会产生锥形蓝光!

这很神奇吗?为什么会这样?原来,当粒子在介质中以大于光速的速度运动时,会对介质中的电子产生很大的影响,导致电子轨道发生变化。当电子回到稳定状态时,它们会释放光。这也会大大消耗粒子运动的能量,降低粒子速度。因此,介质中的光速就是粒子行进所通过的光障。

有趣的是,粒子越过光障所产生的光不是荧光。荧光只有一种波长,这种光有可见光和紫外光两种波长。光的波长越短,比值越大,即粒子突破光障所产生的光以紫外光为主,短波紫光和蓝光占可见光的比重较大。但是,由于人眼看不到紫外线,对紫光不敏感,接收到的蓝光较多,所以粒子突破光障所发出的光是蓝色的。

这种现象在核反应堆或粒子加速器附近很常见。由于核反应过程中释放出极高速的电子,电子的速度如此之快,以至于在空气中超过了光速,反应堆周围会发出蓝光。 .蓝光的强度可以显示核反应的强度。

这种现象常用于估计带电粒子的速度。由于光在某些物质中的传播速度是已知的,所以让带电粒子穿过这些物质,看它是否发光,以及光的强度。例如,光在一种玻璃中的传播速度是2/3C,而光在水中的传播速度是3/4C。如果电子穿过玻璃时发光,而穿过水时不发光,那么电子的速度大于2/3C,小于3/4C。

另一种“光障”现象

还有一种情况是光障现象,即不带电粒子穿过带电物质(如各种盐类)时,如果速度超过介质中的光速,还会出现另一种奇怪的现象。一些电荷会很快飞出,电荷的运动会激发无线电或微波范围内的电磁波。

这种情况被称为Askaya辐射,是前苏联物理学家在1962年提出的,但这种现象直到2000年才被观察到。这种辐射也是由于物质不能承受超极限粒子速度,激发各种电荷,电荷的运动导致电磁波的产生。这些能量的产生,都需要消耗粒子行进的动能,所以是粒子穿越的一道光障。

Askaya 辐射最吸引人的用途是科学家用它来捕获中微子。中微子是不带电的微小粒子,不与普通物质发生反应。然而,根据阿斯卡亚辐射,中微子会与离子物质(如盐)相互作用,因此科学家们在地下建立了捕获中微子的位置。当中微子穿过盐时,它们会激发电荷并产生微波。因此我们可以观察到中微子。

声音有回声,光也“返光”

在山谷中说话,声音会被山谷反射,产生回声。回声大体上与原声相似,但有点连续不断地再次颤抖。例如,如果你大喊“你好吗?”面对山谷,一两秒就会响起回声,也是“你好吗?”,但可能是连续几声问候,一个比一个少,颤抖着龙,在山谷中回荡。

没想到,光的“归光”会不断重复,在某个宇宙空间“回荡”。宇宙中经常会突然爆发超新星。天文学家发现,在一颗超新星爆炸之后,我们看到了它,我们会看到一颗又一颗的超新星爆炸。放大,它变得有点虚幻。感觉就像是一张像素尺寸很小的图片,逐渐放大了。虽然画面还是那幅画面,但看起来越来越虚幻了。天文学家告诉我们,超新星爆炸后大于一倍的图像就是超新星的“返回光”!

回声是声音撞击物体并反射回来然后进入人耳时的效果。光也会产生“回光”!那么“回归光明”是怎么来的呢?原来,宇宙充满了不同密度的星云和星际物质。这些物质的分布会在宇宙中形成“谷地”,将突如其来的强光反射回来,将向其他方向传播的光反射回来,再次进入眼睛,使人们看到“回光”。

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