如何超越光速

现代物理学中光速已经是一个常量，每秒准确值为299792458m，也就是约30万km/s。爱因斯坦早在100多年前的狭义相对论中，就提出了光速极限和光速不变的两个杠杠，成为了现代物理学不可逾越的天花板。

光速极限的意思就是，在我们宇宙，任何物质运动都无法达到光速，更不可能超过光速，一个最微小的粒子也不例外；光速不变的意思是，真空光速在任何参考系观测都是一样的，不会随着观测者是否相对运动而改变。

100多年来，这已经成为一个铁律，没人能够推翻。但在一些实验中，科学家们时常会爆料，有物质运动快于光速，而且光速还能变慢甚至停顿！这又是咋回事？我们一起来了解一下。

很早以前，人们就观察到了水等透明介质经放射线照射会发出淡蓝色辉光，但被解释为是荧光，就连居里夫人也这样认为。前苏联科学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切伦科夫决定要弄清楚这个问题。

上个世纪三十年代，连简单测量光强度的仪器也没有，切连科夫只能完全依靠自己的眼睛来观测，为了能够对光强度敏感，他每天必须让眼睛在黑暗中适应1小时，然后才去观测介质中出现的淡淡辉光。

一连几年，切伦科夫调换着各种介质，一遍遍反复试验，最终他发现这不是荧光，因为荧光应该是向四面八方发出的球面波，而这种射线激发的辉光却是圆锥形波。因此从1934年开始，他发表了一系列论文，详细论述了这一现象的性质，人们把这种现象称为“切伦科夫辐射”。

后来，他的同事伊利亚·米哈伊洛维奇·弗兰克和伊戈尔·叶夫根尼耶维奇·塔姆也加入了研究，最终得出的结论是，这是一种超光速现象！这是自从爱因斯坦发出光速天花板以来发现的第一个超光速现象，也是迄今为止唯一一个物质运动超光速现象！

但超光速现象为何会发生辉光呢？

许多科学家对这种现象很着迷，力图通过各种实验弄清楚这个问题。经过几年的共同努力，切伦科夫等三人终于弄明白了这个问题，原来是带电粒子在介质中运动速度超过光速时，就会发出一种电磁辐射，这种辐射是以锥形发出的，这就是切伦科夫辐射的来源。

之所以会产生这种现象，有点像超音速飞机产生的音爆，当飞机速度达到音速并超过音速的那一刹那，音波无法超过飞机运动速度，因此无法离开飞机机体而堆积起来，这样就形成了一个锥形震波。

与此类似，当一个带电粒子超过光速运行时，也会产生光子振波，表现为蓝色辐射锥，而蓝色辉光就是粒子运动超光速时产生的光子振波现象。弄清了这个原理，切伦科夫和他的两位同事共同荣获并分享了1958年诺贝尔物理学奖。

这个原理有非常重要的意义，人们利用这个原理捕捉来自宇宙的各种高能带电粒子。如一些高能带电粒子进入地球大气层后，有的就会超过光速而产生蓝光。人们还在地球上或冰层下面、地底下建造设置了大量捕捉各种粒子的气泡室或水池，当这些粒子轰击人们准备好的介质时，就会发生超光速效应而留下辉光和路径，，这样，就让这些平常无法见到的物质显形，让科学家们得以研究。

从上面介绍的情况看，光速只是在真空中最快，在介质中未必最快。那么光速在介质中有多慢呢？这里有个大致的参数：与真空光速相比，光速在空气中可达99.97%，在冰中可达77%，在水中只能达到约75%，在酒精中约73%，在玻璃中约67%，在钻石中约41%。

从光速在这些常见介质中的传播速度来看，最慢的是钻石，每秒约12.4万公里。这在日常生活宏观世界中，还是一个可望不可及的速度。那么，还能够让它慢下来吗？

几十年来，科学家们一直在做这个尝试，证明了不但能让光速慢一点再慢一点，还能够把光停住！

1999年，丹麦物理学家莱恩·韦斯特加德·豪（Lene Vestergaard Hau）领导的哈佛大学一个科学团队，就成功将一束光减缓到每秒约17米，到了2001年，她就能够将一束光完全冻结。何谓冻结？就是停住了！而且解开这束光的束缚后，它又能恢复每秒30万公里。

说起来容易做起来很难，这涉及到波色~爱因斯坦凝聚态理论。这个理论认为，玻色子在接近绝对零度的极低温度下会呈现某种特殊状态，即玻色~爱因斯坦凝聚态。这个预言提出几十年后，直到1995年科学家们终于制备实现了这个物质形态。

波色~爱因斯坦凝聚态有许多奇异性质，其中之一就是当激光照射这种状态的原子时，会使其对一定频率的折射率骤增，从而让光束在其中速度骤降。莱恩团队得到的每秒17米光速，就是利用这个原理，让光速穿过一群超冷的钠原子云得到的。

后来，莱恩团队采取光脉冲完全压缩并包含在低温原子中时，突然关闭耦合激光器的办法，让原子云的特性发生改变，光脉冲无法透出低温原子云，被困在里面。当她们重新打开耦合激光器后，被冻住的光脉冲就会重新释放出来。

她的这项成果意义非常重大，为量子计算奠定了坚实基础。现在，科学家们“捉住”光的时间越来越长。

2021年，德国达姆施塔特大学一个科学团队成功将光停住并储存了60秒。这次是采用一个完全不透明的晶体，将其温度降低到接近绝对零度，再用一束激光照射，让其原子形成量子叠加态，这个晶体就变得透明起来，能够让一定波长的光通过。然后让另一束激光进入这个已经变得透明的晶体，接着立即让晶体失去透明性，这样，就锁住了进入晶体的激光。

这种方法有点像先制备一个暗室，并打开门让一束光进入，随即关上门，光就被关在这个暗室里。一分钟后再打开对面的一扇窗，光又跑了出去。

2021年，中国科技大学郭光灿院士带领的团队利用同样原理，采用掺铕硅酸钇晶体（Eu3+: Y2SiO5）为材料，成功将一段600米的光脉冲，封闭存储在5毫米的晶体中，过了60分钟才把它放出来，这束光依然生龙活虎，相位存储“保真度”高达96.4±2.5%。

上面说的科学实验，既有超越光速的物质，又能将光速变慢，是不是就说明爱因斯坦相对论有关光速的论断是错误的，相对论从此就推翻了呢？非也。

稍有物理学基础的朋友都能够看出来，上述各种例子列举的光速被超越或变慢，都是有条件的，就是光速在不同介质中的表现。而狭义相对论有关光速极限和光速不变的理论，是指光速在真空中的特性。

这就是说，光速在介质中的运行速度并不是老子天下第一。这一点其实很好理解，比如一束光如果遇到一块铁板或木板，就被挡住了，而一颗子弹或穿甲弹，则能轻易把它们射穿，因此在木板或铁板中，光的运行速度还不如子弹或穿甲弹。

光速在介质中为啥速度会慢下来呢？这是因为光在介质中会产生折射，折来折去不断地折腾，当然就慢了下来。不同的介质折射率不一样，光在其中的运行速度就不一样；其他的粒子运动方式与光子不一样，因此就有可能在介质中超过光速。

科学实验让光速更慢下来，就是通过改变介质的折射率实现的。折射率越大，光通过这个介质所需时间就越长，因此看起来光速就越慢了。让光停住则除了提升介质的折射率，还需要通过对光场激发转变成一群原子的激发，这些原子就会像一张渔网，把这些光子捕获猪。

比如郭光灿院士团队让600米的光在5毫米晶体中停留1小时，首先是将掺铕硅酸钇晶体（Eu3+: Y2SiO5）介质折射率提升几十万倍，通过激发形成原子“渔网”，让进入这群原子的光只能在晶体里来回震荡，无法离开晶格当中的位置。

其实这些实验，都是在爱因斯坦相对论框架下进行的，与爱因斯坦提出的光速极限和光速不变完全不矛盾。

就说这些，欢迎讨论，感谢阅读。

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