问爱善：伽马射线喷流真的能比光速更快吗？

资深撰稿人 Ethan Siegel 

资深撰稿人 Starts With A Bang小组

Oct 5, 2019, 02:00am

从一声爆炸开始

    宇宙就在那里,等待着你去发现它。

艺术家的一个活跃星系核的印象。在吸积盘中心的超大质量黑洞将一个狭窄的高能物质喷流射进垂直于黑洞吸积盘的太空，之内的任何物理结构的粒子或辐射甚至像这一样异域的在一个真空中移动的速度从来都不应该比光更快。DESY, SCIENCE COMMUNICATION LAB

    宇宙中有一个速度的终极限制：一个真空中的光速C。如果你没有任何质量------不管你是光波（一个光子）、一个胶子或甚至是一个引力波------这是当你穿过一个真空时你一定移动的速度，而如果你有质量你只能比光速c更慢移动。因此为什么最近有一个声称本身是一种高能光形式的伽马射线射流能比光速更快传播的故事呢？这是杰夫·兰德鲁姆博士想知道的，他问道：

    什么给的呢？伽马射线真的有可能超过光速从而"逆反"时间吗？时间逆转仅仅是一个允许这些假设的超光速粒子符合相对论的理论宣称还是有这一现象的经验证据呢？

    让我们通过观察规制宇宙的基本物理原理开始。

所有无质量粒子都以光速传播，但光速的变化取决于它正在通过真空还是正在通过一种介质。如果你要将用一个光子来与从来发现的最高能量的宇宙射线粒子进行到仙女座星系然后返回的比赛，一个500万光年的旅程，这个粒子将输掉这个比赛大约6秒。然而，如果你要个长波长的射电光子和短波长的伽马射线光子比赛，只要它们只穿过真空传播，它们应该同时到达。 NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET

    光以各种波长、频率和能量而来。尽管光固有的能量被量化为离散能量包（即光子），但有一些所有形式的光都共享的属性。

    任何波长的光，从皮米波长的伽马射线到一万亿倍更长的射电波，在真空中都以光速移动。

    任何光子的频率等于光速除以波长：波长越大，频率越短，波长越短，频率越高。

    一个光子固有的能量与频率成正比：最高频率/最短波长光是能量最高的，而最低频率/最长波长光是能量最低的。

    然而，一旦你离开一个真空，不同波长的光将非常不同的行为。

光只不过是一个电磁波，有直于光的传播方向的同相振荡的电场和磁场垂。波长越短，光子的能量就越高能，但它越容易感受到穿过一个介质速度中的变化。 AND1MU / WIKIMEDIA COMMONS

    你必须记住光是一种电磁波。当我们谈论光的波长时，我们正在谈论关于同相的振荡的电场和磁场创造的波状模式中每两个"节点"之间的距离。

    然而，当你让光通过一个介质时，突然间在每个方向中都有带电粒子：创造它们自身电场（可能为磁场）的粒子。当光线穿过它们时，它的电场和磁场与介质中的粒子相互作用，这个光线被迫以一个更慢的速度移动：光在该特定介质中的速度。

    不过实际上发生你可能没有料到的是光依靠光的波长被减速的量。

一个连续光束被一个棱镜散开的动画图示。如果你有紫外线和红外线的眼睛，你应该能够看到紫外光比紫光/蓝光甚至更弯曲，而红外光将保持比红光更不那么弯曲的。LUCASVB / WIKIMEDIA COMMONS

    为什么发生这个呢？为什么更长波长（更红）的光子当穿过一个介质时比更短波长（更蓝）光子更少弯曲（因此移动得更快）、因此被更大量弯曲的更慢移动呢？

    记住任何介质是靠原子组成的，原子反过来是由原子和电子组成的。当你给一个介质施加电场或磁场时，介质本身将响应这个场：介质被极化。这对所有波长的光发生。然而，对于更长的波长，介质中的变化是更慢的，电磁波每秒有更少的周期。由于电磁学总是抵抗电场和磁场的变化，更快变化的场（对应波长较短、频率更高、能量更大的光子）将被光传播通过的介质更有效的抵抗。

这个光穿过一个分散棱镜并分离成清晰的确定的颜色的描画是当许多中高能光子撞击一个晶体时发生的。请注意在一个真空（棱镜之外）中所有光怎样以相同的速度传播并且不散开的。然而，随更蓝色光比更红色光更减慢，穿过一个棱镜的光被成功的分散。 WIKIMEDIA COMMONS USER SPIGGET

    这是我们知道的唯一一个使光以比在真空中的光速更慢移动的"技巧"：让它通过一个介质。当我们这样做时，最短波长的光------这是能量最高的------与更长波长、更低能量的光相比被更大的减慢。如果我们毕竟穿过任何介质照射我们选择的任何频率的光，如果有任何伽马射线被生成的话应该在所有不同形式的光中传播得最慢。

    这是为什么这个标题是如此令人费解的：伽马射线射流怎样比光移动得更快呢？如果我们观察一下科学论文本身（这里提供的自由预印），我们能看到有另一个帮助澄清这个故事的成分：这种辐射没有正在比真空中的光速更快移动，而是在围绕这些伽马射线源的充满粒子的光中的速度v。

一个就像艺术家在一个渲染中描绘的一样的伽马射线爆发被认为源自于一个被一个大外壳、球体或物质的晕包围的宿主星系的密集区域。这种物质将一个固有到该介质的光速，而穿过它的单个粒子，虽然总是比真空中的光速更慢的，但可能比光在该介质中的速度更快。GEMINI OBSERVATORY / AURA / LYNETTE COOK

    当你让一个大质量的粒子穿过空间的真空中移动时，它一定始终以一个比真空中的光速c更慢的速度移动。但是，如果哪个粒子进入一个光速现在为 v 的介质，v小于 c，则粒子的速度将突然的现在大于光在该介质中的速度是可能的。

    当这个发生时，这个粒子从它与介质的相互作用将产生一种特殊的辐射类型：叫做切伦科夫辐射的蓝色/紫外线光。在所有条件下，粒子可能被禁止比真空中光的速度更快传播，但在介质中没有什么能阻止粒子比光更快的传播的。

爱达荷州国家实验室的高级测试反应堆核没有正在发蓝色的光，因为不牵连任何蓝色光，而是因为这是一个产生相对论的带电粒子的被水包围的核反应堆，当粒子穿过那个水时，它们超过了光在该介质中的速度，导致它们来发出切伦科夫辐射，这种辐射显示这个发光的蓝光。. ARGONNE NATIONAL LABORATORY

    这个新研究正在指的是一个我们有许多不同的似乎都有同一的一般设置的：极高能量的光子从一个富物质环境的空间中的剧烈事件被终结发射的高能天体物理学现象的事实。这适用于长/中伽马射线爆发、短周期伽马射线爆发以及X射线耀斑。

    研究人员确实的引入一个新的、简单的将解释在脉冲伽马射线爆发中看到的奇异特性的模型。他们模拟了这个伽马射线发射为源自一个快速移动粒子的喷射，这与我们所知道的一致。但他们随后引入一个快速移动的撞击波跑进这种膨胀的喷射中，并且随着介质的密度（和其它特性）的变化，那个波然后将从比光慢的移动加速到在介质中比光速更快移动。

在这个艺术渲染中，一个耀斑星正在加速产生л离子的质子，产生中微子和伽马射线。还会产生光子。虽然你可能不会认为以光速移动的粒子与以光速 99.99999% 移动的粒子之间的差别不大，但后一种情况非常令人感兴趣，因为进入和移出一个介质（或不同介电常数的介质之间））当粒子开始在一个特定介质中比光更快移动时你能创造一个冲击。ICECUBE/NASA

    事情是当粒子移动穿过一个介质时，无论是比光更快还是比光更慢，它们都会以任何一种方式发射辐射。如果你比光移动更快，你会产生切伦科夫和碰撞辐射。如果你比光移动更慢，当你移动速度慢于光时你产生康普顿辐射（电子/光子散射）或同步辐射冲击辐。

    如果同时做这两个，这意味着你在旅程的某一部分通过介质的移动速度比光更慢，在旅程的另一部分比光更快，对伽马射线达地球你应该看到两组光曲线特征。

    比光更慢的辐射应该表现出一个时间前进信号：其中早些发生的事件更早到达，而后来发生的事件更晚到达。

    但比光更快的辐射应该产生一个时间逆转的信号：其中稍后发生的事件更早到达，而更早发生的事件更晚到达。这个信号比辐射传播得更快。

    观察下面的动画来看为什么是这样。

这个动画展示当一个相对论的、带电粒子在一种介质中移动的速度比光更快时发生的。相互作用造成粒子发出一种叫做切伦科夫辐射的圆锥辐射，这依赖于入射粒子的速度和能量。检测这种辐射的特性是实验粒子物理学中一项非常有用和广泛的技术。 VLASTNI DILO / H. SELDON / PUBLIC DOMAIN

    在这里，你能看到一个粒子在一种介质中移动的速度比光更快。粒子与介质相互作用，在每个点产生光信号，从粒子位于该时刻所在的位置球状向外传播。但是，即使光以光速移动，粒子能更快移动因为我们处于一种介质中。你检测到的光与最后一帧中显示的波前始终一道位于粒子后面。

    这意味着首先到达的信号将是最后被发射的信号，而最后到达的信号则刚好与我们的传统体验相反是第一个发出的信号：如果它是一个迎头朝你脸的拳头而不是一个粒子，那么首先你会感受到撞击，然后你会看到就在你面前的拳头迅速远离你。这只在一种介质中是可能的。在真空中，光速总是赢得每场比赛。

来自哈吉拉涅米洛夫（Hakkila/Nemiroff）论文的图 1 描述一个接收的伽马射线爆发脉冲（左侧、橙色）和最拟合它的单调曲线（黑色曲线，左侧）。当你从实际信号中减去这个曲线时你得到留数，并且信号的一部分显示为残差的时间反逆。这就是"亚发光脉冲成超发光的"想法出自的地方：如此好的拟合这个数据。J. HAKKILA AND R. NEMIROFF, APJ 833, 1 (2019)

    伽马射线爆发由多个脉冲组成，看起来像尖峰一样的迅速上升然后下降得更慢一点。这些脉冲被一个额外的更小的叫做留数的信号连接并显示出很大的复杂性。然而，一个详细的检查表明脉冲留数不是独立的而是被相互链接的：有些留数是其它脉冲的时间逆反留数。

    这是由乔恩·哈基拉和罗伯特·涅米洛夫提出的新模型试图来解释的大现象。大交易不是任何东西在真空中比光更快，它不会的。最大的交易是这被观测到了，可能有一个简单的天体物理学原因的莫名其妙的现象：一个比光更慢的喷射（在介质中）成超发光的（在那个介质中）。

    源自这两个阶段的脉冲具有重叠的到达时间，而去纠缠是我们怎样能在信号中看到这种类似反射行为的。这也许不是最终的答案，但它是这个人类迄今所遭遇的否则无法解释的现象的最好解释。

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天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

从一声爆炸开始撰稿人小组

    从一声爆炸开始致力于探索我们对宇宙的了解以及我们怎样知道它的,重点是物理学、天文学和宇宙告诉我们的关于宇宙本身的科学故事。由博士科学家写作并被..编辑创作

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