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?,F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?那么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(chuàng)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
那么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),而最快的鳥游隼的速度是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,應該使用相對于自身體長的速度才有比較意義。因為一只螞蟻與一只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
比如一種叫南加州螨的螨蟲,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,對于一個1.8米的人來說,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。
但是其實對于普通生物甚至是機器來說,速度達到超音速已經很困難了。
跑的比聲音快會怎么樣?
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于音速,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并超過它們發(fā)出的聲波的。隨著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,它就可以沖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:“你說啥,我聽不到?!?/span>
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
那比光速還快會怎么樣呢?
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么樣呢?
真的可以嘛?
但是我們卻知道宇宙第一大交通規(guī)則——沒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]
我們知道了光以有限的速度傳播,但是它為什么是有限的呢?這個問題愛因斯坦思考完之后,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。時間不再是恒定的了,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·貝托佐(Bill Bertozzi)將電子加速到一系列不同的速度。然后測量了它們的動能,發(fā)現隨著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(yè)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(huán)繞地球運行的GPS衛(wèi)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,拯救了路癡的小編
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(fā)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(顯然光速此時小于c)。當帶電粒子(最常見的是電子)穿過電介質時就會發(fā)生切倫科夫輻射,此時電子的速度大于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,就跟形成沖擊波前沿一樣,只不過電子在穿過時會產生光沖擊波,而且超過的速度是光的相速度,而不是光的群速度。
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(fā)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(fā)現它的蘇聯科學家名字命名——切倫科夫輻射。
發(fā)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(yī)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著很重要的應用。[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。
換句話說,如果你能追上前面的一個人,那么是不是你也就可以看到什么更好的風景呢?
你以為是科普,其實是雞湯
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