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第15章 现代科学新发现:光速不是极限

在牛顿力学中,物体的质量被看作是不变的。在相对论中,质量随着运动速度不同而有所改变,速度增大,质量变大,因此静止不动的物体质量(即静止质量)最小;当速度达到真空中光速C时,质量趋向无穷大。为此,爱因斯坦断言:“在相对论中,光速C具有极限速度的意义,任何实在物体既不能达到光速,也不能超出这个速度。”但是1972~1974年美国一些天文学家就发现塞佛特星系3C120自身膨胀的速度达到光速的4倍。1977年以前,又陆续发现类星体3C273、3C345和3C279各自的两组成部分的分离速度分别光速7倍、10倍和19倍。近年来,天文学家用分辨率极好的长基线射电干涉仪,又新发现了10个类星体的两子源分离速度均达到光速的7或8倍。看来,河外射电源两组成部分分离的超光速膨胀现象并非是罕见的事例了。无独有偶,俄国物理学家巴维尔·切伦科夫早在1934年发现了在非真空媒质中比光子还跑得快的粒子。粒子与类星体这两个大不相同的物体居然能达到或超过光速,这些事实向我们揭示:其中必然有相同的规律。

类星体能超过光速或接近光速,说明它有极强的截导电磁粒子能力。大多数天文学家认为,类星体都有一个黑洞,其周围有强大的引力场,当气体沿着螺旋线旋入黑洞时,可以有多达40%的质量转化为能量,而且有众多的恒星围绕着黑洞飞速旋转。要达到这一目的并不难,它完全可以凭掉下的势能来促进旋转,以因旋转而增大的磁层来加快掉下的速度,如此反复最终就会形成极强的截导能力和射电能力,使之有强大的电磁屏蔽层和强大的射电功率,这样类星体运动的前方形成负压区,后面又有极强的作用力推动,最终能达到接近光速或超过光速的效果。

那么粒子达到光速有什么特点呢?切伦科夫观察到,比光还跑得快的粒子会发出一种蓝光作为它的尾迹,这种尾迹的角度大小取决于这个粒子在媒质中的速度比光在同一媒质中的速度快多少。这说明该粒子也是离不开向后方发射电磁粒子流形成斥力来帮助推进的,也证明了粒子的速度是与截导电磁粒子的能力成正比的。那么,是什么促使它有这么强的截导能力呢?在回答这个问题前,我们必须弄清光子是怎样产生的。

1906年,爱因斯坦提出光子的概念。他认为光能是集中在被称为光子(或光量子)的微粒上,当光子照射到金属表面时,电子把这一能量一部分用来克服金属表面对它的吸力,余下的就变为电子离开金属表面后的动能。按照能量守恒原理可写作:

hγ=1/2mv2m+Po

式中Po是电子脱出金属表面所需作的功,称为脱出功(亦称脱出函数)。h为普朗克常数。

1916年,密立根对一些金属进行测量,得出了光电子的最大动能mv2m/2和入射频率γ之间的严格的线性关系。直线在横轴上的交点γ0,说明光频率小于γ0时不能从金属中击出光电子来,不同的金属其γ0值不同,但对于所有的金属直线的斜率却是不变的。这直线的斜率为6.6262×10-34焦耳·秒。这个数值与普朗克常数h的值是一致的。代表该直线的方程式可写作:

1/2mv2m=h(γ-γ0)

后来,卢康斯克和普雷列日夫及康普顿等改进了研究光电效应的装置,更加精确地确定了光电子的能量和频率之间的关系。康普顿认为,入射光是由许多光子组成,这些光子不但具有能量hγ而且具有动量hγ/c,它们是与静止的电子碰撞,使电子具有一定的动能。

由此,我们不难看出,入射光的频率越高,光电子内部获得有序化程度就越高,它截导电磁粒子的能力自然就越强。光电子的动能是与截导电磁粒子的能力成正比的。显然,光电子能否获得最大的动能完全取决于它内部微磁体的有序化程度。这里,我们忍不住要问:超光速是怎样形成的?

激光器自1960年问世以来,改变了普通光源有限的发光能力。激光器发出的光单色性好(单频率),方向性好,亮度也极高。激光的亮度可比太阳表面的亮度高达上百亿倍。激光何以产生如何高亮度的呢?大家知道,各种激光器都是由工作物质、谐振控和激发源组成。工作物质是用以实现粒子数反转和产生光的受激发射的物质体系;光源谐振腔的作用是使特定量子状态的受激发射加强,大幅度提高光子简并度;激发源的作用是提供工作物质能量,使它处于粒子数反转状态。总之,它是由两个根本条件构成:第一,就是要找到上能量级粒子寿命较长的粒子数,即具有实现能级粒子数的反转工作物质;第二,要建立一个谐振腔,当某一频率信号(外来的,也可以是腔内自发的)在腔内谐振,在工作物质中多次往返时有足够机会去感应处于粒子数反转状态的工作物质,才能产生激光。被感应的辐射具有和去感应的辐射同方向、同位相、同频率与同偏振的特征。这些被感应的辐射,继续去感应其它粒子,造成连锁反应、雪崩似的获得放大效果,因而产生强烈的激光。这里仍然说明了光子的产生与截导电磁粒子能力的密切关系。另外,我们将粒子的结构与激光器的功能联系起来,可以这样认为,粒子是由一对极性相同(即旋转方向一致)的夸克和一个极性相反的夸克组成,是一个稳定的“三位一体”结构,它们中间都有一个核球体(夸克核)。当粒子经过反转、谐振、辐射后,稳定的结构被破坏了,其实质上也是因为夸克核是向受力最强的反面运动而造成的。三个夸克核被合为一体,并且使各夸克的微粒向同一方面旋转,这时它已具备了与类星体下掉时初期阶段的同样条件。当它进一步受激后,旋转速度猛然提高,形成强大的磁层和电磁粒子流。我们看到的光,也就是由它发射出的电磁粒子与空间的粒子碰撞产生的损击效应(电效应)而形成的。它同类星体接近光速或超过光速所需的条件是一致的,尽管它们获得条件的方式不同。换一句话说,如果一个物体体积小于类星体无数倍,单位质量大于类星体,发射的电磁粒子的动量大于类星体许多倍,这样就会出现质量趋向无穷大。实际上这也是任何物质都趋向于受力最弱的方向运动造成的。也就是说,在该物体的运动前方出现了空穴。整个宇宙的压力都会向这个空穴里灌,处在空穴中的物质的质量也就趋向无穷大,因此它的速度可以大大超过光速。

自1911年荷兰物理学家昂尼斯发现超导现象以来,超导科技渐渐地渗透入了人类的视野,据有关资料统计,目前医学成像、电子学、国防系统、工业部门、发电配电、科学研究等诸多高新领域都已完全离不开超导技术,并且超导正呈显出迈入人们日常生活的蓬勃之势。

超导是一种神秘的现象,它在超低温或超高温的情形下改变导体的性质,使之显现出普通状态下根本没有的神奇特性,譬如:可以让导体变成无电阻状态等等。利用超导技术可以制造出人类梦寐以求的“永动机”吗?超导技术将会主导人们未来的生活吗?

现在,让我们一齐走近超导现象,揭开超导的神秘面沙。

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