光速c=多少

在宇宙中，什麼速度最快？

我們都知道，是

光速

，或者更精確地說是光在真空中（以及時空沒有被彎曲或改變的地方）的速度。

光速，通常用字母

c

表示，沒有任何東西的速度可以超越它。但我們不免好奇，有沒有可能存在著某些方法，可以使其他物質可以超越光速？或許不在真空裡，而是在其他介質裡？

我們都熟悉水的折射現象，以及陽光穿越三稜鏡後散射成彩虹的顏色，之所以會發生折射或散射現象，是因為光從一種介質（空氣）進入了另一種介質（水、三稜鏡）。在空氣、水、三稜鏡中，光的行進速度都會受到阻礙。我們可以想象，相對於虛無的真空，越是“緻密”的介質對光的阻礙就越大，光在這些介質內部傳播的速度也就越慢。

我們用折射率（n）來描述介質對光的阻礙作用，比如，水對光的折射率為4/3，那麼光在水中的速度只有真空中光速的3/4，也就是0。75c。

0。75c！這是否意味著我們可以將某些粒子加速到超過這一速度？

現在，讓我們準備兩個粒子：光子和電子。我們把電子加速到接近光的速度，比如說光速的99。99%。

在真空中，我們會發現，電子的傳播速度永遠會慢光子一拍：

但一旦它們進入到水中，電子就開始逆襲了！由於光子的速度會降低為原來的75%，而電子的速度幾乎不變。那麼在水中，電子的速度就可以超越光的速度：

這就像是在龜兔賽跑中，不是讓烏龜像兔子一樣奔跑，而是設法讓兔子慢一點，比如說在跑道上埋伏一些青菜和蘿蔔來阻礙兔子。

能讓一個粒子“跑”得比光子還快，這本身就是一個很酷炫的事情，但還有更好玩的。

1934年，

切倫科夫

（Pavel Cerenkov）發現，如果帶電粒子（比如電子）在電介質中運動的速度比光在這種介質中執行的速度快，帶電粒子就會發出

藍色的光

。這個現象如今被稱為

切倫科夫輻射

。（切倫科夫也因此獲得了1958年的諾貝爾物理學獎。）

○ 切倫科夫輻射。| 圖片來源：Argonne National Laboratory

切倫科夫立即就把自己的發現告訴了他的導師Sergey Vavilov。而他的導師將這個觀測告知了他的兩個同事：Igor Tamm和IIya Frank。Tamm和Frank基於愛因斯坦的狹義相對論的框架解釋了這一現象，他們也因此榮獲了諾貝爾物理學獎。

為什麼會發出藍光呢？背後的原因其實非常複雜。但簡而言之，它之所以產生是因為帶電粒子的電場干擾了遠處原子內的電子，而這會干擾會對其他原子造成更大的干擾（如下圖）。當把所有這些加起來時，就會產生切倫科夫輻射。但注意，只有帶電粒子的速度比光還快時，這才會發生。

帶電粒子的電場會干擾原子。

在水中，一個帶電粒子超越光速傳播時，是怎樣一幅影象呢？粒子在一個點（下圖紅色X）輻射出光子，光由此向周圍空間傳播開來，形成球面；然後粒子運動到下一個點，繼續輻射光子，形成一個新的球面。由於在水中電子運動的速度快於光速，所以隨著電子的不斷前進，它會將一系列輻射的光拋到後面。注意，這些球面的邊緣會形成一個光錐。

當然，光不止在這些標記X的地方發射，而是沿著帶電粒子的路徑到處發射。光形成的球面邊緣會形成光錐。

這就像是船在水中的航行速度快於水流動的速度，或者超音速飛機在空中飛行的速度超過環境中的聲速時，會形成衝擊波一樣。

圖片來源：NASA

光錐的形狀由粒子的速度和介質中的光速共同決定，如果光錐頂角為θ，那麼，sinθ=c/nv。

如果粒子速度v遠遠大於介質中的光速，那麼形成的光錐比較尖銳；如果粒子運動速度比較小，只是略微大於介質中的光速，那麼光錐比較扁。

一個粒子以接近光速的速度在介質中運動，因為和介質的相互作用，它會逐漸減速到低於光速。於是，粒子發生切倫科夫輻射只持續一段時間，然後會停止。最終，我們可以看到的將不再是光錐，而是波前不斷遠離，擴充套件開來形成一道光環。

切倫科夫輻射最大的應用就是被用於探測幾乎不與物質作用的

中微子

。大型中微子探測器通常包含了上萬噸的水，當中微子進入水中時，它可以轉化為電子和μ子這些帶電粒子，然後，帶電粒子會發生切倫科夫輻射，在探測器中形成光環（如上圖）。根據光環的大小、光到達探測器的時間，就可以推算出中微子的能量和軌跡。這是多麼美妙的應用啊。