一種兇殘的炮兵戰術在天體物理學中的應用

撰文 易疏序（香港大學物理系博士後）

同時彈著戰術（time on target，簡稱TOT）是一種兇殘的炮兵戰術。從同一門火炮中先後以不同的仰角開炮，由於彈道飛行時間的差異，所有的炮彈同時落在目標上，給敵人一種「五雷轟頂」的效果。

其實除了通過調整炮口仰角來實現同時彈著之外，還有一種「理論上現實」的方法：假設一輛坦克一邊飛快地前進，一邊向側前方開炮。如果坦克的速度居然超過了炮彈的飛行速度，那麼在側前方某一個角度上的敵人就會感覺所有的炮彈同時砸到他身上。

這聽起來像是天方夜譚，但是在物理世界裡，這種通過「坦克跑過炮彈」而造成的「同時彈著戰術」卻並不罕見。在空氣中，一個物體的運動會擾動周圍的空氣，這種擾動會逐漸向四面八方以聲波的形式傳遞出去。我們可以把聲波看成是炮彈，那麼這個運動的物體就是一輛同時向四面八方開火的坦克。如果這個物體的運動速度很快，超過了聲波的速度，那麼在某一個特殊角度的側前方，所有的聲波就會齊頭並進，形成一個「同時彈著面」，也就是所謂的「馬赫波」。被馬赫波擊中的感覺，可比被「單獨一發炮彈」打中要刺激多了。想像一下超音速飛機從天上划過的那穿雲裂帛之聲吧。2013年，一顆隕石落到了俄羅斯的車裡雅賓斯克，在它以超音速划過天空時，馬赫波震碎了附近居民的玻璃，造成了一千多人受傷。

物理中另外一種「坦克跑過炮彈」的情況是一種特殊的電磁波。我們知道，一個帶電荷的粒子會在他的周圍激發起一個電（磁）場。如果我們把電磁場（或者虛光子）看成是「炮彈」，那麼這個帶電的粒子就是那個同時向四面八方的坦克。這時有人可能就有疑問了：「電磁場的傳播速度已經是光速了，帶電粒子還如何超過它的速度呢？「沒錯，問這個問題的同學一定是知道」真空中的光速時速度的極限「這個常識了。但是，在介質中，比如在水中，光速只有真空中的75%，所以它就可以被輕鬆的超過了。當一個帶電的粒子在水中跑得比光速還快的時候，電磁波的」 馬赫波「便出現了。這種電磁波的馬赫波還有一個酷炫的別名，叫切倫科夫輻射。

在水下，核反應堆發出的悠悠藍光，就是逃逸出的帶電粒子的切倫科夫輻射。

宇宙里經常有一些超高能量的帶電離子闖入大氣層，也就是所謂的宇宙射線。雖然說空氣中的光速已經是真空里的99.97%了，但是這些能量超高的帶電粒子跑得實在是太快了，所以超過了空氣中的光速，發出了切倫科夫輻射。通過觀察這些切倫科夫輻射的能量和方向，我們可以重建出那些宇宙射線的能量與方向。一些觀測宇宙射線的觀測站，比如中科院高能物理研究所建在西藏的宇宙線觀測站，就是利用了這個原理。

這種「機械波-馬赫波 vs 電磁波-切倫科夫輻射」讓人不禁產生聯想，對於引力波，有沒有類似的效應呢? 因為廣義相對論預言引力波在真空中的傳播速度也是光速，而引力波又幾乎」視任何介質如真空「，因此似乎很難讓引力波被某個波源追上。前些年有一個著名的烏龍事件，就是有研究團隊測出中微子的飛行速度可以超過光速。消息一經傳出，馬上以及一片騷動。有人[1]趕緊趁熱研究了，如果存在超過光速的粒子，那麼它輻射的」引力波切倫科夫輻射「會是什麼樣的。最終，中微子超光速事件被證明是由於光纜接觸不良的時間延遲造成的錯誤結論。

眼看超光速的粒子是指望不上了，不過讓引力波的速度降低還是有希望的。考慮到宇宙中充斥著大量的暗物質粒子。當引力波穿過大量的暗物質粒子組成的區域時，它會這些粒子發生作用，從而降低引力波的相速度[2]。不過由於引力波和物質的作用實在是太弱了，所以粒子能通過這種方式輻射的能量也可以忽略不計[3]。不過在宇宙早期，暗物質密度很大的時候。一些接近光速運動的原初黑洞發出的引力波切倫科夫也許能產生可以被觀測到的效應。「原處黑洞和原初引力波打架，很好玩的！」一位教授如是說。

本文作者：易疏序是《環球科學》資深譯者和老朋友，中科院高能物理研究所粒子天體物理學博士，目前在香港大學物理系做博士後研究，研究雙星系統。易博士偶爾給我球寫寫文章，如果有問題想問他，可以在下面留言。

參考文獻：

[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

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