音障原理是不是多普勒效应 有音障也有光障

音障我们很熟悉,因为突破音速现在对我们来说已经不是难事,但光障可以说有也可以说没有,这要分情况。主要是光速能否被突破的问题,答案也是:可以或者不可以!下面就分析下这个问题。

如果没有光速限制会发生什么?

为了防止物体回到过去,从而保持质量能量的局部守恒,保证现实的因果性和局域性,因此宇宙就有个速度极限,而这个速度极限正是光速,也就是说没有任何东西能比真空中的光速更快。你可能会想这个因果关系跟光速有啥关系?我们举个例子,如果物体的速度真的可以超过光速会发生什么?

音障原理是不是多普勒效应 有音障也有光障(1)

假如有个人手里拿着一把枪,这个枪属于高科技,发射的子弹能比光速快,那么在你看到它扣动扳机之前,你就已经死了!那么是谁杀了你?没有人看到它扣动了扳机。所以现在的因果性就会完全混乱。

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还有如果引力传播的速度超过了光速,那么我们的基础科学也无法发展,因为宇宙中的所有物体的引力都会先于光速到达我们这里,引力也会传播的无限远,没有任何限制,所有的物体引力就会交织在一起,我们地球包括太阳系的任何天体在内,总是能感觉到一种无形的力量在操控,但我们又看不见这些施加引力的天体。所以有光速限制是一件好事。不要期待什么超光速!下面我们回到问题上。

真空中没有所谓的光障

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超音速飞机以比音速还快的速度飞行,从而打破音障。因为声音只是空气分子的振动和传递。一架飞机的速度接近音速,那么飞机就会赶上向外传播的的声波,声波就会堆积在一起形成一堵空气压力墙,会让脆弱的飞机解体。材料足够强大的飞机可以穿透这道气压墙,产生一股锥形激波尾随其后。当这种突破音障时经过地面观测者,我们就会听到音爆。

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打个比方,如果宇宙飞船的速度超过光速,就会产生完全由光构成的激波。问题是在真空中没有什么比光速更快,所以太空飞船永远不可能快到打破光速的障碍。这不是一个工程学的问题,而是一个基础物理学的问题。

当一个物体接近光速时,它需要越来越多的能量来加速。要使一艘宇宙飞船在真空中精确地达到光速,确实需要无限的能量。这一事实每天都在粒子加速器中得到验证。利用电能消耗,粒子加速器将能量转化为微小粒子的动能,比如质子和电子,它们在真空中以接近光速的速度运动。

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每年,粒子加速器都在改进以达到更高的速度。例如,一个十年的记录是粒子在真空中以99.99%的光速运动,然后下一个十年,一个改进的机器达到了99.999%的光速,接下来的十年看到了99.9999%的记录(这些数字只是为了说明,并不准确)。目前的记录由大型强子对撞机保持,它使质子的速度达到了真空中光速的99.999997%。太空中的飞船在真空中永远无法达到光速,因此永远无法打破光的屏障,产生光激波。

在物质中存在光障,而且我们已经观察到了

上文所讨论的一切都只适用于真空。当不在真空中时,情况就变了。当光穿过一种物质,如水或玻璃时,介质中的光速比真空中的光速要慢得多。所以在不违反任何基本定律的情况下,物体在物质中的速度可以超过光速。

音障原理是不是多普勒效应 有音障也有光障(6)

正如你所预料,一个物体以比材料中的光更快的速度穿过材料时,确实会产生光激波(类似光障)。这种光波被称为切伦科夫辐射。为了让这种效果能被肉眼看到,物体必须在密度相当大的物质中快速移动。例如,核反应堆以极高的速度吐出电子,这是核反应的副产品。高速电子穿过冷却水的速度比水中的光速还快,因此会产生锥形激波。切伦科夫辐射是一种怪异的蓝光。

虽然空气这种材质对光来水非常接近真空,但它并不是真正的真空。空气中的光速比真空中的光速小一些,所以物体实际上可以在不超过真空中光速的基本极限的情况下,可以打破空气中的光速屏障,形成光激波,发出锥形辐射。在空气中获得切伦科夫辐射比在水中要困难得多,因为在空气中需要更高的速度。

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但这种现象也确实发生了。超新星以惊人的速度喷射出高能粒子(但这些粒子小于真空中的光速)。当这些粒子撞击地球大气层时,它们被称为宇宙射线。有些宇宙射线和它们的副产品速度确实足够快,当它们在空气中传播时,就会产生光波。尽管来自宇宙射线的大气切伦科夫辐射太过微弱,肉眼无法看到,但这种现象确实被仪器探测到了,这是科学家研究宇宙射线的重要途径。

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