介质中超光速运动与契伦科夫辐射

根据狭义相对论

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物体的运动速度v不可能超过真空中的光速c。但是光在介质中的传播速度会小于真空中的传播速度，这也是光从真空进入一种均匀介质时发生折射的原因(光的反射跟折射遵循同一条定律)。因此，理论上介质中物体的运动速度是可能超过介质中光速的。那么，当物体在介质中的运动超过光速时会发生什么呢？

1934左右，前苏联物理学家契伦科夫注意到水中铀盐会发出浅蓝色的光，他根据辐射的各向异性判断蓝色的光不是荧光。这种发光现象后来被称为契伦科夫辐射。后来，另外两位前苏联物理学家伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆成功地解释了契伦科夫辐射的成因——带电粒子在介质中的超光速运动。他们三人因对契伦科夫辐射的研究获得了1958年的诺贝尔物理学奖。契伦科夫辐射的能量随频率和空间距离的分布可由Tamm-Frank(塔姆—弗兰克)公式

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描述。根据公式，频率越大的部分能量越高，而可见光从蓝光到红光频率逐渐降低，从而契伦科夫辐射看上去偏蓝色。对于铀盐，铀在衰变时会释放出速度接近真空光速的α离子和β离子(即电子)等带电离子，后者的速度可以达到真空光速的9/10，而水中的光速约为真空光速的3/4，因此水中超光速运动的β离子就会产生偏蓝色的契伦科夫辐射。

在屏蔽某些核反应堆的池水中也会出现微弱的浅蓝色光辉。在这种情况下，看得见的契伦科夫辐射是由于从反应堆发射出来的高能电子的速度超过水中的光速引起的。

阿肯色一号反应堆2号机组产生的契伦科夫辐射现象(图片来自Wikipedia)

契伦科夫辐射在高能物理中可以用以侦察带电粒子并测量它们的速度。契伦科夫探测器就是具有这种功能的仪器，它可用于确定高速带电亚原子粒子（如质子）的存在及探测其能量，在某些情况下还可以用于识别不同质量的带电粒子。1955年反质子的发现就得益于这种仪器的帮助。根据契伦科夫辐射原理还可以制成宇宙射线计数器。此外，国内外都有生物医学领域的团队在研究基于契伦科夫辐射的动物活体成像技术。不过，由于频率越高，波长就越低，衍射能力就越弱。从而可见光中蓝光穿透能力是最弱的。目前即使是比可见光穿透能力更强的近红外光在活体成像方面几乎都没有临床应用。不知道用契伦科夫辐射发出的蓝光实现活体成像有多大临床应用价值。

水鸟运动速度超过水面波速，从而产生冲击波。

当波源运动速度超过波速时就会产生冲击波，因此契伦科夫辐射本质上是一种冲击波(也称激波)，它有特征的锥形冲击波前。实际生活中冲击波现象并不少见。例如水鸟在水面上游泳时，其速度就可以超过水波的传播速度，从而产生冲击波，身后会留下“V”形航迹。当物体在空气中的运动速度超过音速时也会产生冲击波，这时物体前面的波可能被以较高的密度挤压在一起，从而表现出产生骤然巨响的音爆。超音速飞机在进行超音速飞行时就会产生音爆现象。鞭子末梢的运动速度也可能超过声速，从而产生音爆，让人听到尖锐的响声。