当运动超过光速！核反应堆摄人心魄的幽幽蓝光
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共3650字，30图。预计阅读时间：30分钟。
本文是小火箭洲际弹道导弹与核武器系列文章第2季的第1篇。在第1季，小火箭与大家一起计算了制造一枚原子弹所需的铀的重量，分析了以钚为原料的内爆式原子弹，讲述和探讨了第二次世界大战期间的三位一体核试验、广岛原子弹与长崎原子弹，回顾了曼哈顿计划中的奥本海默博士和冯诺依曼博士等人的逸闻，统计了美国和俄罗斯的核武器的数量和投掷工具的情况。
（第1季内容链接我会列在公号文章最下面，受平台编辑器对链接支持程度不同的影响，在腾讯新闻客户端上读到本文的好友看不到链接，可微信搜索小火箭进行添加，在历史文章中查看相关内容。）
无论是打开能够发射潜射洲际弹道导弹的战略核潜艇的核反应堆还是俯瞰核电站的核反应堆，我们都能够看到上图这样的幽幽蓝光。
有人认为这是荧光，其实这是粒子在介质中的穿行速度超过光速时产生的一种神奇的现象！
小火箭在本文就要与大家一起对其进行探讨。
穷小子
切连科夫是个苦孩子，他生于苏联沃罗涅兹地区的一个农民家庭。虽然从小就对科学抱有浓郁的好奇心，但是他最终还是因为家里凑不出学费而未能上大学。
后来，外出打工4年后的切连科夫终于凑齐了学费和生活费，得以进入沃罗涅兹大学数学物理学院读书。
读大学一年级时，他已经20岁了。
不过，从此以后，命运就再也不敢怠慢这样一位渴求知识的少年了。26岁的切连科夫进入苏联科学院做理论物理研究。
而在他30岁这一年，命运终于为他多年来遭受的苦做出了补偿。
一天雨后，切连科夫向试验装置不经意地一瞥。总感觉里面有一种蓝莹莹的光。
他兴奋地问实验室的同事们，他是不是发现了一种的新的现象。
然而，同事们大多对此嗤之以鼻：这个乡下来的穷小子，连荧光都没有见过啊！多么司空见惯的现象！
但是，切连科夫的直觉告诉他，绝对不是荧光这么简单。他更换了核装置中的水，这种蓝光依然存在。当他用纯水来替换掉原有的普通水之后，蓝光依然存在。
这下子，大家都被吸引了。的确，这并不是伦琴博士早些年用X射线照射荧光物质产生的荧光。合格的纯水中，杂质微乎其微，根本没有可以被激发出荧光的物质。
会不会是放射线照射水产生的辐射光？
不是！切连科夫设计了一个巧妙的装置，把辐射源遮挡住，只允许电子穿过，而这种蓝莹莹的光像幽灵一样，依然挥之不去。
这下子，研究所沸腾了！居然真的是一种新的现象！
这种蓝光被称作为神奇的切连科夫辐射，简称为切连科夫辐射。
诺贝尔奖
切连科夫发现了切连科夫辐射，不过虽然他的直觉很棒，头脑也足够灵活，但是终因年少时错过了太多原本应该用于学习的时间，导致数学计算能力较弱。
他发现了这种蓝光，却始终无法用理论来对其进行解释。
当年曾经轻视过切连科夫，把他叫做乡下人的“城里人”塔姆和弗兰科，此时早已甘愿成为切连科夫同志的副手，全心全意共同对这种蓝光进行研究了。
（弗兰科比切连科夫小4岁，但他的老爸是大学教授，弗兰科上中学前就已经能够熟练应用微积分了。而塔姆则比切连科夫大9岁，是莫斯科大学的物理学教授。）
在3人的通力合作下，谜底揭开：
切连科夫辐射是运动粒子与介质中的束缚电荷及诱导电流所产生的集体效应。本质上讲，是粒子在运动途中各点所激发介质中的电磁场的冲击波包络面。
（人话版本的解释方式，小火箭会努力在下文给出，上面这个是官方正式解读版本。）
1940年，36岁的切连科夫获得博士学位，从此可以被称作是切连科夫博士了。
公元1958年12月10日，第58届诺贝尔物理学奖颁发给了切连科夫、塔姆和弗兰科。
这是苏联人第一次荣获诺贝尔物理学奖。
这个从小以挖土豆谋生，靠扛枕木和穿着露脚趾的鞋在冰雪覆盖的苏联大地上奔跑着为人送货才攒够学费的穷小子，带领另外2位苏联科学家摘取了苏联第一个诺贝尔物理学奖，发现了粒子在介质中超光速的奥秘！
超光速
更本质上来讲，切连科夫辐射就是粒子在超光速运行中产生的现象，类似飞行器在超声速飞行中产生的那种音爆，切连科夫辐射可以类比为光爆。
啥？超光速？无论是我们的小学老师还是初中老师，都告诉过我们光速是宇宙中最快的速度，是无法超越的。在这里提超光速，那爱因斯坦的棺材板岂不是要压不住了？
别着急。所谓光速不变与光速不可超越，的确是爱因斯坦博士的狭义相对论的核心。但是，不要忘记一个前提，那就是这里的光速，指的是真空中的光速。
而实际上，在水和玻璃这样的可以透光的介质中，光速是会变慢的。这就给物体的运动速度超过光速提供了可行性。
光在两种不同的介质里传播速度不同，故在两种介质的交界处，其传播方向会发生变化，这就产生了光的折射现象。而真空中光速与介质中光速的比值，就是折射率。
水和人的眼角膜的折射率为1.33，也就是说，光在水和角膜中传播的速度为真空中的75%。钻石的折射率为2.417，光在钻石中跑的速度只有真空中的41.4%，不到一半了。钻石果然厉害啊！
空气在可见光波段的折射率约为1.0003，所以光在空气中的速度约为299700公里/秒，比在真空中的速度慢90公里/秒。
当物体的运动速度接近真空中的光速时，相对论效应就开始显现了。
读小火箭的文章到这里，有没有感受到爱因斯坦博士和洛伦兹老爷子那慈祥目光的凝视呢？
当粒子在介质中飞行的速度超过介质中的光速时，运动事件来不及以电磁波的形式正常向前传播，在压缩成一个激波波面后，摄人心魄的切连科夫辐射就产生了！
这么说来，切连科夫辐射这种介质中超光速的现象的确应该与超声速现象很像了。
上图是美国宇航局NASA用现代摄影技术抓拍到的一架T-38喷气式教练机超声速瞬间产生的激波。
有关该飞机，详见小火箭的公号文章《她是宇航员的摇篮，是太空传奇的见证者》。
既然我们现在已经能够通过工程师们提供的技术看到超声速的激波了，那么，超光速的切连科夫辐射，可以看见么？
小火箭我先试着在网上查找，发现，只有这种图。还只是个示意图。
这是在原子核物理教材中非常常见的切连科夫辐射示意图。
哈哈！把箭头画成蓝色的就想要我们相信切连科夫辐射真的是蓝色的么？
我不禁感慨了！
图画成这样，难怪现在的孩子们不爱学物理了！
怒了！小火箭我要自己推公式，写程序，在小火箭计算中心里把切连科夫辐射搞出来！
上图和上上图是小火箭计算中心承接的某型高超声速飞行器在再入大气层后的全机流场和温度场计算结果。
我有这样的算力，用这个来算介质中的超光速岂不容易？
哈！通过最近这几天连续熬夜才终于得出计算结果的经历，表明：这并不容易！
光与声音很不同，光本质上是电磁波，而声音本质上是一种机械波。我掌握的N-S方程和我开发的小波基计算流体力学算法对光一点儿办法都没有。
（此处省略一堆演算纸和数千行程序）
好在我十几年前读书的时候，对原子核物理有一些兴趣，当时遗留下来一些东西。经过这些天的努力，最终，小火箭终于搞通了切连科夫辐射的诸多细节，并成功做了建模和可视化：
这就是小火箭计算的一枚高速运动的粒子在水中从左向右高速运动时，因超过水中的光速而产生的切连科夫辐射现象的计算图！
很开心，终于有这么一张像点样子的图了。注意“激波”内的精细结构。超光速时的情形从视觉上来看，比超声速要绚丽一些。
的确！切连科夫辐射是蓝色的！（黄色部分的电磁波在进入我们眼睛之前就散射掉了，更紫的光则在紫外频段。）
粒子在水中超光速产生的现象和上图这架T-38教练机在空气中超声速产生的激波竟然如此相似。
这是位于美国爱达华州始建于1967年的250兆瓦级先进反应堆。
美国海军大部分能够发射洲际弹道导弹的战略核潜艇和海狼级攻击型核潜艇的核反应堆以及半数以上的美国工业级核反应堆的技术都是在爱达荷州的这个反应堆里率先进行试验的。
掀开爱达荷州先进核反应堆的保护盖子，就能够看到，反应堆核心部位正在放出幽幽蓝光。
现在，我们知道了，这是切连科夫辐射效应产生的光。
这是单粒子超光速运动的情况，把粒子增多，同时因色散效应而滤除其他频段，就剩下了蓝紫光。（紫外的部分，肉眼看不见。）
美国里德学院里，也藏着一个核反应堆，峰值功率为250千瓦。这是该反应堆发出的切连科夫辐射。通过和爱达荷州那个反应堆的比较可以发现，介质不同、反应堆的设计细节不同，辐射光的颜色也略有不同，但基本上也都是在蓝紫光的频段。
结束语
说起来，厉害了！
切连科夫辐射让核反应装置天生就带上了一种光环，让人远远看到就能从幽幽蓝色光芒中体会到那种摄人心魄的能量。
但是，这种效应能够有什么实际应用呢？
有的。
日本的超级神冈探测器就是用切连科夫辐射的原理来探测中微子的。
而说起中微子探测，在我国大亚湾核电站，也深藏有这样的造型极其科幻的探测器。
本文结束，期待好友们下次看到核反应堆的时候，能够记起切连科夫与小火箭！
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