夸父可以追上“光”嗎？_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-11-17 12:37
原創：中科院物理所
古有夸父逐日，其實也就是夸父一直在追趕太陽落下的地方。現在如果簡單計算一下，可以知道：夸父只要能跟的上地球自轉的速度，就可以一直看到太陽。
夸父逐日
假設夸父站在赤道，已知地球平均半徑為6371千米 [1]，計算可知，只要夸父速度可以達到1668km/h(也就是463m/s)，就可以保證一直看到太陽了（假設太陽此時直射赤道，忽略地球公轉影響）。
聽上去好像不難？那麼我們來看看地球上跑的最快的生物能有多快呢？能不能達到這個速度呢？
跑快快
跑的最快的生物有多快？
What is the fastest speed of the creature?
如果按照人類體能來估計，100米賽跑中跑的最快的男子的記錄是2009年牙買加的博爾特（Usain Bolt）創造的記錄，9.58秒，也就是速度大約是10.44m/s。[2] 離463m/s還是差了很大一大截。
跑步中的博爾特
那麼地球上的其他生物可以達到逐日的速度嘛？
陸地上最快的陸生動物是獵豹，其記錄的最快速度是120.7km/h（33.53m/s），而最快的鳥遊隼的速度是389km/h（108m/s）。[3]
別看我小，你跑的有我快嗎？
其實不同類別的生物比較時，應該使用相對於自身體長的速度才有比較意義。因為一隻螞蟻與一隻大象相比雖然螞蟻擺動腳的頻率更快，但是還是不及大象的速度。
溜了溜了
比如一種叫南加州蟎的蟎蟲，能夠達到每秒322倍自身長度的移動速度。[4] 如果人類可以達到這個速度的話，對於一個1.8米的人來説，速度就可以達到580m/s。已經遠遠超過音速，也可以實現夸父的夢想了。
但是其實對於普通生物甚至是機器來説，速度達到超音速已經很困難了。
跑的比聲音快會怎麼樣？
How about running faster than sound?
世界上跑得最快的生物的速度其實都遠遠小於音速，音速在1個標準大氣壓和15攝氏度的條件下，約為340m/s，也就是1224km/h。
琦玉老師：我不能達到？（開玩笑）
如果物體的移動速度超過音速，那就會形成一種叫做“音障”的東西。
因為聲音的傳播速度是有限的，所以移動的聲源是可以追趕並超過它們發出的聲波的。隨着物體的速度增加到音速，這些聲波開始堆積在物體前面。如果物體具有足夠的加速度，它就可以衝破聲波所形成的屏障。當物體超過該屏障時，會引起堆積的聲波附近的壓力變化，從而會以爆炸或者音爆的形式傳出。[5]
飛機加速到超音速的過程
如果我的速度可以達到甚至超過聲速，那你跟我講話，我是不是就可以昂首挺胸的跟你講：“你説啥，我聽不到。”
我是真聽不到，不是假聽不到
其實可以達到音速甚至超過音速的東西有很多，比如打陀螺用的鞭子的末端，以及最重要的應用——超音速飛機。
超音速飛機形成的音障
那比光速還快會怎麼樣呢？
What about faster than the speed of light?
如果，速度還能更快一點，達到甚至超過光速會怎麼樣呢？
真的可以嘛？
但是我們卻知道宇宙第一大交通規則——沒有什麼可以比光速快，而真空中的光速又恰好是每秒299792458米。[6]
我們知道了光以有限的速度傳播，但是它為什麼是有限的呢？這個問題愛因斯坦思考完之後，提出了一個瘋狂的解決方案：物體的運動必須以某種方式使時間變慢。時間不再是恆定的了，所以相對論誕生了。
沒錯，正是在下
許多實驗都證實了愛因斯坦的預測。
1964年，麻省理工學院的比爾·貝託佐（Bill Bertozzi）將電子加速到一系列不同的速度。然後測量了它們的動能，發現隨着電子的速度接近光速，電子變得越來越重，直到它們重到不可能產生更快的運動了。而這個臨界速度就是光速。
光
而在另一項實驗中，物理學家約瑟夫·哈菲爾等人在世界各地的商業客機上裝了同步的超精確的銫原子鐘。正如預言的那樣，時鐘的時間變慢了。也就是，事物的傳播速度越快，它得到的能量越大，時間也就越慢。而環繞地球運行的GPS衞星就要考慮到時間變慢的問題，否則GPS將失去作用。[7]
GPS定位導航系統，拯救了路痴的小編
由愛因斯坦的狹義相對論，能量和質量是緊密相連的，所以任何質量隨光速變化的東西都需要無限量的能量，從而導致其質量也變得無限大，所以，這是不可能的。
不可能的
但是我們知道，當光通過一個透明介質時，光不僅會發生反射與折射等現象，當光在介質內部的時候，光速會減小，且會跟介質的折射率成反比。
n是介質折射率，c是光速，v是介質中的光速。[8]
例如光在水中的傳播速度僅僅為0.75c。而在核反應期間或者粒子加速器中，物質的速度可以超過此時的光速（顯然光速此時小於c）。當帶電粒子（最常見的是電子）穿過電介質時就會發生切倫科夫輻射，此時電子的速度大於光在該介質中的傳播速度。
與音爆類似，波的傳播速度比超速物體慢，就跟形成衝擊波前沿一樣，只不過電子在穿過時會產生光衝擊波，而且超過的速度是光的相速度，而不是光的羣速度。
切倫科夫輻射的模擬過程
此時，你不會聽到巨大的聲響，而是會看到藍色的像“燈臂”一樣的東西。[9]
這就是愛達荷州國家實驗室的高級測試反應堆中發生的事情。該反應堆侵入水中以幫助保持冷卻。當電子跑贏光子時就會產生“大藍臂”，這個以1934年發現它的蘇聯科學家名字命名——切倫科夫輻射。
發生在愛達荷國家實驗室先進測試反應堆的核心
切倫科夫輻射用途也很多，在放射性同位素的醫學成像和外照射療法、天體物理實驗和粒子物理實驗等方面有着很重要的應用。[9]
它很重要
雖然夸父追不上“光子”，但是我們可以取巧，讓電子追上它，而我們就可以看到美麗的“切倫科夫輻射”了。
換句話説，如果你能追上前面的一個人，那麼是不是你也就可以看到什麼更好的風景呢？
你以為是科普，其實是雞湯
部分圖片來源於網絡
參考文獻：
[1] 地球半徑-百度百科
[2] 100 metres-維基百科
[4] Paratarsotomus macropalpis-維基百科
[7] Why can’t anything travel faster than light?