我們常常說,粒子不能夠運動得「比光快」,「光速」是速度的上限。
實際上,如果我們單單這樣說,那是說得不夠完全的,因為光在通過不同媒質時,它的傳播速度並不相同,光在真空中的行進速度最快。在這種場合下,它以每秒300,000公里的速度運動。這個速度就是終極速度。
因此,如果想把話說得確切一些。我們就應該這樣說:粒子的運動速度不能夠「快於真空中的光速」。
光在通過真空以外的任何其他透明媒質時,它的傳播速度總是小於真空中的光速,有時甚至要慢很多。光在某一特定的媒質中行進得越慢,當它從真空中以傾斜的角度進入這種媒質時,它受到偏折(折射)的角度就越大。偏折的大小是由一個稱為「折射率」的物理量決定的。
把真空中的光速除以某一特定媒質的折射率,就得出光在這種媒質中的速度。在一般的壓力和溫度下,空氣的折射率約為1.0003,所以光在空氣中的速度等於300,000除以1.0003,即每秒約299,910公里。這比真空中的光速小90公里/秒。
水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.7,而鑽石的折射率是2.42。這就是說,光在水中的傳播速度為每秒約224,000公里,在玻璃中為每秒約176,000公里,在鑽石中只有每秒約123,200公里。
粒子的運動速度不能快於每秒約300,000公里,但是,即使在水中,它們也確實能夠以每秒約256,000公里的速度運動。當它們的速度這樣大時,它們在水中的行進速度就超過水中的光速了。事實上,除了在真空中以外,粒子在任何一種媒質中的運動速度都有可能超過那種媒質中的光速。
在非真空媒質中運動得比光快的粒子,會發出一種藍光作為它的尾跡。這種尾跡的角度大小,取決於這個粒子在媒質中的速度比光在同一媒質中的速度快多少。
最先觀察到比光快的粒子所發射出的這種藍光的,是一個名叫巴維爾·切倫科夫的俄國物理學家,他在1934年報道了這件事。因此,這種光就被稱為「切倫科夫輻射」。1937年,另外兩個俄國物理學家——伊利亞·弗蘭克和伊戈爾·塔姆——把這種光同粒子和光在那種媒質中的相對速度聯繫起來,從而解釋了為什麼會有這種光。結果,這三個人獲得了1958年的諾貝爾物理學獎。
人們已經設計出一種特殊的儀器——切倫科夫計數器,用來探測這種輻射,並測定它的強度和發射方向。
切倫科夫計數器特別有用,因為它只對速度非常高的粒子才起作用,並且很容易根據這種光的發射角度估計出這些粒子的速度。能量極高的宇宙線的運動速度已經非常接近真空中的光速,因此,它們就是在空氣中也會產生切倫科夫輻射。
快子——這是人們所假設的一種只能以超過真空中光速的速度運動的粒子——即使在真空中也應該會留下一道非常短暫的閃光。因此,物理學家希望能依靠探測這種切倫科夫輻射,來證明快子是確實存在的(如果它真的存在的話)。