宇宙中三種最特別的光

仉博簡

不管電磁輻射的波長為多少，從物理學(xué)的角度看，它們都是光，即電磁波，包括γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波等。其中的可見光是我們最熟悉的光，我們所熟知的彩虹就包含了所有顏色的可見光。

其他都是一些不可見光，但我們有時可以體驗到它們。比如，在一個溫暖的夏日，我們的身體可以感受到太陽的紅外線帶來的熱量。而一些光只有我們接收到足夠的劑量才能體驗到，比如在海灘上長時間曬太陽導(dǎo)致的紫外線灼傷，或者來自放射性物質(zhì)的伽馬輻射帶來的有害影響。

在宇宙中，雖然大部分的光來自億萬顆相對平靜的恒星，或者來自宇宙大爆炸后留下的余熱（宇宙微波背景輻射），但宇宙中也充滿了許多很特別的光。下面，我們列舉其中三個特別的光并對其進行分析。

高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的光

根據(jù)電動力學(xué)相關(guān)的理論，電子等帶電粒子只要進行加速運動，就會產(chǎn)生電磁輻射。一個廣播電臺的發(fā)射天線，能通過迅速變化的電流，或者說是在天線內(nèi)來回擺動的電子發(fā)送信號，就是使電子做加速運動，就會產(chǎn)生一種電磁輻射——無線電波，最終讓你的汽車音響接收到電臺廣播。

要想產(chǎn)生十分強的電磁輻射，來回擺動并不是一種很有效的加速運動，因為這會很快消耗掉大量的能量。所以，為了提高效率，你可以把天線彎曲成一個環(huán)形，然后用可產(chǎn)生超強磁場的裝置讓這些電子在磁場的加速作用下，以接近光速的速度繞著天線進行旋轉(zhuǎn)。

新天線中電子沿著一個環(huán)形路徑不斷旋轉(zhuǎn)下去，它們的速度方向每時每刻都在發(fā)生著改變，而速度的方向發(fā)生改變也屬于加速運動，所以根據(jù)電動力學(xué)，這些旋轉(zhuǎn)的電子仍然能夠發(fā)出電磁輻射。但因為產(chǎn)生的電磁輻射很強，這個天線里的電子不再像以前那樣產(chǎn)生無線電波，而是能量更高的紫外線和X射線。

我們都知道，廣播天線產(chǎn)生的無線電波是朝著四面八方輻射出去的，但這個新天線里每個電子產(chǎn)生的輻射不是朝著四面八方，而是沿著運動的切線方向集中輻射出去的，這樣，每一個產(chǎn)生輻射的電子看起來像是一輛快速轉(zhuǎn)彎的汽車的前燈。

這種電磁輻射最初是在同步加速器（一種環(huán)形的粒子加速器）中觀測到的，因此它被稱為同步加速器輻射或同步輻射。長期以來，物理學(xué)家十分不喜歡同步輻射，因為它會消耗了加速器的能量，但隨后發(fā)現(xiàn)，同步輻射很好操控，可以用來當(dāng)作一種光源來完成其他的科學(xué)實驗。所以，現(xiàn)在許多加速器都裝有利用同步輻射進行實驗的設(shè)備。

同步輻射也可以在宇宙中天然形成，只要某個地方電子遇到了強磁場，就有機會產(chǎn)生同步輻射。人類在太空中第一次檢測到的同步輻射，是M87星系噴射出來的一個長達(dá)5000光年的噴流產(chǎn)生的。脈沖星周圍的星云也會產(chǎn)生同步輻射，因為脈沖星會產(chǎn)生強磁場，而星云里又有很多電子。

在介質(zhì)中超過光

我們都知道，光在真空中的速度是宇宙中最快的速度，任何物質(zhì)和信息的運動和傳播速度都不能超過此速度。但當(dāng)光穿過水、空氣等透明的介質(zhì)時，光速會大為減慢。例如，光在水中的傳播速度僅約為在真空中的速度的四分之三。由于光在介質(zhì)中是如此的“步履蹣跚”，那么其他一些粒子，比如電子、質(zhì)子等，就有機會在介質(zhì)中運動得比光還快。

如果一個物體在介質(zhì)中的運動速度快于音速，比如一架超音速戰(zhàn)斗機高速飛行時，那么它會產(chǎn)生一種被稱為“音爆”的巨大響聲，這是因為由物體運動前方產(chǎn)生的音波無法及時離開物體，因此被“堆積”了起來，形成了一種聲音的圓錐形沖擊波，并向四周擴散。此外，當(dāng)快艇的速度超過水波速度時，也會在水面上產(chǎn)生很大的弓形沖擊波，并在水面上擴散。與之類似的是，一個帶電粒子（比如電子）比光更快地通過一個介質(zhì)時，也會產(chǎn)生一種由光子構(gòu)成的圓錐形沖擊波，并向四周輻射出去，而且?guī)щ娏Ｗ舆\動的速度越快，產(chǎn)生的輻射就越強。

這種輻射最初是1934年由蘇聯(lián)物理學(xué)家切連科夫發(fā)現(xiàn)的，因此被稱為“切連科夫輻射”。切連科夫輻射通常出現(xiàn)在核反應(yīng)堆和高能物理實驗設(shè)備中，帶電粒子高速穿過這些設(shè)備中的水池時，就會產(chǎn)生這種輻射?？梢姽獠ǘ尾糠值那羞B科夫輻射看起來呈亮藍(lán)色，但實際上，切連科夫輻射產(chǎn)生的大部分光線其實是肉眼看不見的紫外線，而且只有帶電粒子運動速度極快時，才會使可見光波段變得明顯而得見。

在許多物理實驗中，檢測切連科夫輻射是一種檢測高能粒子的重要方法之一。此外，來自宇宙射線和伽馬射線暴的一些高能粒子進入地球大氣層時，其運動速度能超過光在空氣中的速度，可以發(fā)出切連科夫輻射。通過檢測它們所發(fā)出的切連科夫輻射，物理學(xué)家可以了解有關(guān)宇宙射線和伽馬射線暴的相關(guān)信息。

來自急剎車的光

最后我們要介紹的特別的光叫做軔致輻射，又稱剎車輻射或制動輻射，是帶電粒子受到其他電荷影響，在運動過程中發(fā)生減速時產(chǎn)生的一種輻射。

軔致輻射最常見的例子是電子遇到原子核時產(chǎn)生的。具體地說，當(dāng)電子快速移動時，有時它會近距離靠近原子核，電子的能量越高，那么它就有更多的機會靠近原子核。如果溫度足夠高，電子就不會被捕獲并與原子核形成原子。相反，電子只會感覺到一個短暫的相互吸引的力，輕微地被拉動，導(dǎo)致它在運動過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)并減速，而速度發(fā)生改變就是加速運動，根據(jù)電動力學(xué)，電子必然會發(fā)出電磁輻射。

這只能發(fā)生在高能環(huán)境中，因此，韌致輻射在通常情況下是以X射線的形式出現(xiàn)的。在醫(yī)學(xué)和工業(yè)中，我們就經(jīng)常利用這個原理來產(chǎn)生X射線的。而在宇宙中，有一個特別的環(huán)境非常適合制造韌致輻射，那就是宇宙中的龐然大物——星系團。

星系團是由數(shù)百到數(shù)千個星系構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，它們通常都聚集在有著數(shù)百萬光年的范圍內(nèi)。星系團中，星系之間還有著熾熱的但極為稀薄的等離子體，它們被稱為星系團內(nèi)介質(zhì)。對于一個星系團來說，星系團內(nèi)介質(zhì)的總質(zhì)量可達(dá)可見星系總質(zhì)量的3～5倍。這些介質(zhì)含有許多電子和原子核，電子近距離遭遇原子核的事件會經(jīng)常上演，所以它們會產(chǎn)生大量的韌致輻射。當(dāng)我們用X射線望遠(yuǎn)鏡觀察這些星系團時，我們就能看到巨大且明亮的X射線輻射團。