一种凶残的炮兵战术在天体物理学中的应用 易博士专栏

飞飞机油

撰文 易疏序（香港大学物理系博士后）

同时弹着战术（time on target，简称TOT）是一种凶残的炮兵战术。从同一门火炮中先后以不同的仰角开炮，由于弹道飞行时间的差异，所有的炮弹同时落在目标上，给敌人一种“五雷轰顶”的效果。

其实除了通过调整炮口仰角来实现同时弹着之外，还有一种“理论上现实”的方法：假设一辆坦克一边飞快地前进，一边向侧前方开炮。如果坦克的速度居然超过了炮弹的飞行速度，那么在侧前方某一个角度上的敌人就会感觉所有的炮弹同时砸到他身上。



这听起来像是天方夜谭，但是在物理世界里，这种通过“坦克跑过炮弹”而造成的“同时弹着战术”却并不罕见。在空气中，一个物体的运动会扰动周围的空气，这种扰动会逐渐向四面八方以声波的形式传递出去。我们可以把声波看成是炮弹，那么这个运动的物体就是一辆同时向四面八方开火的坦克。如果这个物体的运动速度很快，超过了声波的速度，那么在某一个特殊角度的侧前方，所有的声波就会齐头并进，形成一个“同时弹着面”，也就是所谓的“马赫波”。被马赫波击中的感觉，可比被“单独一发炮弹”打中要刺激多了。想象一下超音速飞机从天上划过的那穿云裂帛之声吧。2013年，一颗陨石落到了俄罗斯的车里雅宾斯克，在它以超音速划过天空时，马赫波震碎了附近居民的玻璃，造成了一千多人受伤。



物理中另外一种“坦克跑过炮弹”的情况是一种特殊的电磁波。我们知道，一个带电荷的粒子会在他的周围激发起一个电（磁）场。如果我们把电磁场（或者虚光子）看成是“炮弹”，那么这个带电的粒子就是那个同时向四面八方的坦克。这时有人可能就有疑问了：“电磁场的传播速度已经是光速了，带电粒子还如何超过它的速度呢？“没错，问这个问题的同学一定是知道”真空中的光速时速度的极限“这个常识了。但是，在介质中，比如在水中，光速只有真空中的75%，所以它就可以被轻松的超过了。当一个带电的粒子在水中跑得比光速还快的时候，电磁波的” 马赫波“便出现了。这种电磁波的马赫波还有一个酷炫的别名，叫切伦科夫辐射。

在水下，核反应堆发出的悠悠蓝光，就是逃逸出的带电粒子的切伦科夫辐射。

宇宙里经常有一些超高能量的带电离子闯入大气层，也就是所谓的宇宙射线。虽然说空气中的光速已经是真空里的99.97%了，但是这些能量超高的带电粒子跑得实在是太快了，所以超过了空气中的光速，发出了切伦科夫辐射。通过观察这些切伦科夫辐射的能量和方向，我们可以重建出那些宇宙射线的能量与方向。一些观测宇宙射线的观测站，比如中科院高能物理研究所建在西藏的宇宙线观测站，就是利用了这个原理。

这种“机械波-马赫波 vs 电磁波-切伦科夫辐射”让人不禁产生联想，对于引力波，有没有类似的效应呢? 因为广义相对论预言引力波在真空中的传播速度也是光速，而引力波又几乎”视任何介质如真空“，因此似乎很难让引力波被某个波源追上。前些年有一个著名的乌龙事件，就是有研究团队测出中微子的飞行速度可以超过光速。消息一经传出，马上以及一片骚动。有人[1]赶紧趁热研究了，如果存在超过光速的粒子，那么它辐射的”引力波切伦科夫辐射“会是什么样的。最终，中微子超光速事件被证明是由于光缆接触不良的时间延迟造成的错误结论。

眼看超光速的粒子是指望不上了，不过让引力波的速度降低还是有希望的。考虑到宇宙中充斥着大量的暗物质粒子。当引力波穿过大量的暗物质粒子组成的区域时，它会这些粒子发生作用，从而降低引力波的相速度[2]。不过由于引力波和物质的作用实在是太弱了，所以粒子能通过这种方式辐射的能量也可以忽略不计[3]。不过在宇宙早期，暗物质密度很大的时候。一些接近光速运动的原初黑洞发出的引力波切伦科夫也许能产生可以被观测到的效应。“原处黑洞和原初引力波打架，很好玩的！”一位教授如是说。

本文作者：易疏序是《环球科学》资深译者和老朋友，中科院高能物理研究所粒子天体物理学博士，目前在香港大学物理系做博士后研究，研究双星系统。易博士偶尔给我球写写文章，如果有问题想问他，可以在下面留言。

参考文献：

[1] Schwartz, C. 2011, Modern Physics Letters A, 26, 2223

[2] Grishchuk, L. P., & Polnarev, A. G. 1980, General Relativity and Gravitation II, 2, 393

[3] https://www.researchgate.net/publication/313796855_On_gravitational_wave-Cherenkov_radiation_from_photons_when_passing_through_diffused_dark_matters

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