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光在不同介质中传播的速度相同吗,光在不同介质中的速度怎么算

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光在true 空中的传播速度是每秒299,792,458米,相对于任何参考系都是常数。事实上,不仅是光子,任何没有静止质量的物质都可以而且只能以光速运动。

对于有静止质量的物质,无论怎么努力,都达不到光速。为什么?因为巧妇难为无米之炊。具有静止质量的物质在运动过程中会产生一个与引力质量相当的惯性质量,惯性质量会随着运动速度的增加而增加。当速度接近光速时,惯性质量会趋近于无穷大,继续加速需要无穷的能量。虽然宇宙中有许多能量,但它们不是无限的。既然宇宙中没有无限的能量,那么如何将一个质量无限大的物体推向光速呢?静态质量的物体是无法达到或超过光速的,这是true 空中针对光速的。现实中最接近true 空的环境是宇宙,平均密度只有1x10 ∧-28kg每立方米,宇宙密度很低,几百接近true /kloc-0。

光速为每秒299,792,458米,但在true 空中,光很难自由驰骋。大多数情况下,它是在介质中运动的,不同介质中的光速是不一样的。

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光在介质中运动的速度明显降低。发现在折射率n≈1.33的水中,光的传播速度只有true 空中的75%,为其他物质超越光速创造了条件,于是出现了在介质中超越光速的现象,这就是切伦科夫辐射现象。切伦科夫辐射现象是唯一观测到的介质中物体的超光速现象。它是由前苏联的物理学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切伦科夫在1934年发现的,这种现象因此得名。

切伦科夫辐射现象简单来说就是指物体在介质中运动的速度超过光速时产生的一种波长较短的电磁辐射,而在介质中能够超过光速的物体通常指的是电子。

切伦科夫辐射现象是唯一可以观测到的超光速现象,也非常漂亮,相当科幻。如果你有幸参观了核电站的启动,你会清楚地记得美丽的亮蓝色光辉,这是切伦科夫辐射的典型特征,而这种亮蓝色光辉经常被用在各种科幻影视作品中。那么这种科幻蓝光是怎么产生的,切伦科夫辐射现象又是怎么回事呢?虽然切伦科夫辐射现象是由物理学家切伦科夫发现的,但在当时,他未能对产生这一现象的原因给出完美的解释。直到三年后的1937年,物理学家伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆才成功解释了切伦科夫辐射形成的原因,于是三人在21年后的1958年共同获得了诺贝尔物理学奖。

切伦科夫辐射的条件实际上与另外两种常见现象相似。

船在水中航行时,会产生水波。当船航行速度很快,超过水波时,会在水面形成很大的弓形冲击波。这是因为船速过快,使船产生的水波不能迅速离开船体,造成堆积。

类似的现象还有超音速飞机的音爆。飞机在飞行过程中会产生轰鸣声,以音速向四周传播。对于一架普通的飞机,我们不会注意到这一点,但是对于一架超音速飞机,情况就有些不同了。由于飞行的速度超过了声音传播的速度,声波无法快速离开飞机,于是不断叠加叠加,最终形成多个可见的冲击波。切伦科夫辐射也是如此,因为电子在介质中的速度超过了光速,所以有叠加效应。

为什么切伦科夫辐射会产生明亮的蓝色辉光?这其实是一个误区。事实上,大多数切伦科夫辐射是在紫外线波段进行的,这是不可见的。

切伦科夫辐射的强度与电子的速度和介质中的电子数成正比。电子移动得越快、越多,切伦科夫辐射的强度就越大,在短波长会有很强的强度,所以切伦科夫辐射在可见光波段会出现亮蓝色。由此我们也知道,只有带电粒子加速更充分,才会在可见光波段出现明亮的蓝光,所以现实中可观测到的切伦科夫辐射现象,要么是在核电站产生的,要么是借助粒子加速器产生的。切伦科夫辐射在现实中有很多应用,比如可以用来探测高能粒子。这是因为进入地球的高能粒子在大气中的运动速度会超过光速,所以会发生切伦科夫辐射。

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