夸父可以追上“光”吗？_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-11-17 12:37
原创：中科院物理所
古有夸父逐日，其实也就是夸父一直在追赶太阳落下的地方。现在如果简单计算一下，可以知道：夸父只要能跟的上地球自转的速度，就可以一直看到太阳。
夸父逐日
假设夸父站在赤道，已知地球平均半径为6371千米 [1]，计算可知，只要夸父速度可以达到1668km/h(也就是463m/s)，就可以保证一直看到太阳了（假设太阳此时直射赤道，忽略地球公转影响）。
听上去好像不难？那么我们来看看地球上跑的最快的生物能有多快呢？能不能达到这个速度呢？
跑快快
跑的最快的生物有多快？
What is the fastest speed of the creature?
如果按照人类体能来估计，100米赛跑中跑的最快的男子的记录是2009年牙买加的博尔特（Usain Bolt）创造的记录，9.58秒，也就是速度大约是10.44m/s。[2] 离463m/s还是差了很大一大截。
跑步中的博尔特
那么地球上的其他生物可以达到逐日的速度嘛？
陆地上最快的陆生动物是猎豹，其记录的最快速度是120.7km/h（33.53m/s），而最快的鸟游隼的速度是389km/h（108m/s）。[3]
别看我小，你跑的有我快吗？
其实不同类别的生物比较时，应该使用相对于自身体长的速度才有比较意义。因为一只蚂蚁与一只大象相比虽然蚂蚁摆动脚的频率更快，但是还是不及大象的速度。
溜了溜了
比如一种叫南加州螨的螨虫，能够达到每秒322倍自身长度的移动速度。[4] 如果人类可以达到这个速度的话，对于一个1.8米的人来说，速度就可以达到580m/s。已经远远超过音速，也可以实现夸父的梦想了。
但是其实对于普通生物甚至是机器来说，速度达到超音速已经很困难了。
跑的比声音快会怎么样？
How about running faster than sound?
世界上跑得最快的生物的速度其实都远远小于音速，音速在1个标准大气压和15摄氏度的条件下，约为340m/s，也就是1224km/h。
琦玉老师：我不能达到？（开玩笑）
如果物体的移动速度超过音速，那就会形成一种叫做“音障”的东西。
因为声音的传播速度是有限的，所以移动的声源是可以追赶并超过它们发出的声波的。随着物体的速度增加到音速，这些声波开始堆积在物体前面。如果物体具有足够的加速度，它就可以冲破声波所形成的屏障。当物体超过该屏障时，会引起堆积的声波附近的压力变化，从而会以爆炸或者音爆的形式传出。[5]
飞机加速到超音速的过程
如果我的速度可以达到甚至超过声速，那你跟我讲话，我是不是就可以昂首挺胸的跟你讲：“你说啥，我听不到。”
我是真听不到，不是假听不到
其实可以达到音速甚至超过音速的东西有很多，比如打陀螺用的鞭子的末端，以及最重要的应用——超音速飞机。
超音速飞机形成的音障
那比光速还快会怎么样呢？
What about faster than the speed of light?
如果，速度还能更快一点，达到甚至超过光速会怎么样呢？
真的可以嘛？
但是我们却知道宇宙第一大交通规则——没有什么可以比光速快，而真空中的光速又恰好是每秒299792458米。[6]
我们知道了光以有限的速度传播，但是它为什么是有限的呢？这个问题爱因斯坦思考完之后，提出了一个疯狂的解决方案：物体的运动必须以某种方式使时间变慢。时间不再是恒定的了，所以相对论诞生了。
没错，正是在下
许多实验都证实了爱因斯坦的预测。
1964年，麻省理工学院的比尔·贝托佐（Bill Bertozzi）将电子加速到一系列不同的速度。然后测量了它们的动能，发现随着电子的速度接近光速，电子变得越来越重，直到它们重到不可能产生更快的运动了。而这个临界速度就是光速。
光
而在另一项实验中，物理学家约瑟夫·哈菲尔等人在世界各地的商业客机上装了同步的超精确的铯原子钟。正如预言的那样，时钟的时间变慢了。也就是，事物的传播速度越快，它得到的能量越大，时间也就越慢。而环绕地球运行的GPS卫星就要考虑到时间变慢的问题，否则GPS将失去作用。[7]
GPS定位导航系统，拯救了路痴的小编
由爱因斯坦的狭义相对论，能量和质量是紧密相连的，所以任何质量随光速变化的东西都需要无限量的能量，从而导致其质量也变得无限大，所以，这是不可能的。
不可能的
但是我们知道，当光通过一个透明介质时，光不仅会发生反射与折射等现象，当光在介质内部的时候，光速会减小，且会跟介质的折射率成反比。
n是介质折射率，c是光速，v是介质中的光速。[8]
例如光在水中的传播速度仅仅为0.75c。而在核反应期间或者粒子加速器中，物质的速度可以超过此时的光速（显然光速此时小于c）。当带电粒子（最常见的是电子）穿过电介质时就会发生切伦科夫辐射，此时电子的速度大于光在该介质中的传播速度。
与音爆类似，波的传播速度比超速物体慢，就跟形成冲击波前沿一样，只不过电子在穿过时会产生光冲击波，而且超过的速度是光的相速度，而不是光的群速度。
切伦科夫辐射的模拟过程
此时，你不会听到巨大的声响，而是会看到蓝色的像“灯臂”一样的东西。[9]
这就是爱达荷州国家实验室的高级测试反应堆中发生的事情。该反应堆侵入水中以帮助保持冷却。当电子跑赢光子时就会产生“大蓝臂”，这个以1934年发现它的苏联科学家名字命名——切伦科夫辐射。
发生在爱达荷国家实验室先进测试反应堆的核心
切伦科夫辐射用途也很多，在放射性同位素的医学成像和外照射疗法、天体物理实验和粒子物理实验等方面有着很重要的应用。[9]
它很重要
虽然夸父追不上“光子”，但是我们可以取巧，让电子追上它，而我们就可以看到美丽的“切伦科夫辐射”了。
换句话说，如果你能追上前面的一个人，那么是不是你也就可以看到什么更好的风景呢？
你以为是科普，其实是鸡汤
部分图片来源于网络
参考文献：
[1] 地球半径-百度百科
[2] 100 metres-维基百科
[4] Paratarsotomus macropalpis-维基百科
[7] Why can’t anything travel faster than light?