在宇宙中，什么速度最快？
我们都知道，是光速，或者更精确地说是光在真空中（以及时空没有被弯曲或改变的地方）的速度。
光速，通常用字母c表示，没有任何东西的速度可以超越它。但我们不免好奇，有没有可能存在着某些方法，可以使其他物质可以超越光速？或许不在真空里，而是在其他介质里？
我们都熟悉水的折射现象，以及阳光穿越三棱镜后散射成彩虹的颜色，之所以会发生折射或散射现象，是因为光从一种介质（空气）进入了另一种介质（水、三棱镜）。在空气、水、三棱镜中，光的行进速度都会受到阻碍。我们可以想象，相对于虚无的真空，越是“致密”的介质对光的阻碍就越大，光在这些介质内部传播的速度也就越慢。
我们用折射率（n）来描述介质对光的阻碍作用，比如，水对光的折射率为4/3，那么光在水中的速度只有真空中光速的3/4，也就是0.75c。
0.75c！这是否意味着我们可以将某些粒子加速到超过这一速度？
现在，让我们准备两个粒子：光子和电子。我们把电子加速到接近光的速度，比如说光速的99.99%。
在真空中，我们会发现，电子的传播速度永远会慢光子一拍：
但一旦它们进入到水中，电子就开始逆袭了！由于光子的速度会降低为原来的75%，而电子的速度几乎不变。那么在水中，电子的速度就可以超越光的速度：
这就像是在龟兔赛跑中，不是让乌龟像兔子一样奔跑，而是设法让兔子慢一点，比如说在跑道上埋伏一些青菜和萝卜来阻碍兔子。
能让一个粒子“跑”得比光子还快，这本身就是一个很酷炫的事情，但还有更好玩的。
1934年，切伦科夫（Pavel Cerenkov）发现，如果带电粒子（比如电子）在电介质中运动的速度比光在这种介质中运行的速度快，带电粒子就会发出蓝色的光。这个现象如今被称为切伦科夫辐射。（切伦科夫也因此获得了1958年的诺贝尔物理学奖。）
○ 切伦科夫辐射。| 图片来源：Argonne National Laboratory
切伦科夫立即就把自己的发现告诉了他的导师Sergey Vavilov。而他的导师将这个观测告知了他的两个同事：Igor Tamm和IIya Frank。Tamm和Frank基于爱因斯坦的狭义相对论的框架解释了这一现象，他们也因此荣获了诺贝尔物理学奖。
为什么会发出蓝光呢？背后的原因其实非常复杂。但简而言之，它之所以产生是因为带电粒子的电场干扰了远处原子内的电子，而这会干扰会对其他原子造成更大的干扰（如下图）。当把所有这些加起来时，就会产生切伦科夫辐射。但注意，只有带电粒子的速度比光还快时，这才会发生。
○ 带电粒子的电场会干扰原子。
在水中，一个带电粒子超越光速传播时，是怎样一幅图像呢？粒子在一个点（下图红色X）辐射出光子，光由此向周围空间传播开来，形成球面；然后粒子运动到下一个点，继续辐射光子，形成一个新的球面。由于在水中电子运动的速度快于光速，所以随着电子的不断前进，它会将一系列辐射的光抛到后面。注意，这些球面的边缘会形成一个光锥。
○ 当然，光不止在这些标记X的地方发射，而是沿着带电粒子的路径到处发射。光形成的球面边缘会形成光锥。
这就像是船在水中的航行速度快于水流动的速度，或者超音速飞机在空中飞行的速度超过环境中的声速时，会形成冲击波一样。
○ 图片来源：NASA
光锥的形状由粒子的速度和介质中的光速共同决定，如果光锥顶角为θ，那么，sinθ=c/nv。
如果粒子速度v远远大于介质中的光速，那么形成的光锥比较尖锐；如果粒子运动速度比较小，只是略微大于介质中的光速，那么光锥比较扁。
一个粒子以接近光速的速度在介质中运动，因为和介质的相互作用，它会逐渐减速到低于光速。于是，粒子发生切伦科夫辐射只持续一段时间，然后会停止。最终，我们可以看到的将不再是光锥，而是波前不断远离，扩展开来形成一道光环。
切伦科夫辐射最大的应用就是被用于探测几乎不与物质作用的中微子。大型中微子探测器通常包含了上万吨的水，当中微子进入水中时，它可以转化为电子和μ子这些带电粒子，然后，带电粒子会发生切伦科夫辐射，在探测器中形成光环（如上图）。根据光环的大小、光到达探测器的时间，就可以推算出中微子的能量和轨迹。这是多么美妙的应用啊。
文：乌鸦少年
图：Pany
发表于 2018-12-1 22:09
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