唯一 一种可以超越光速的方法

科技领航人

发布时间: 05-12
19:55
优质科学领域创作者
在我们的宇宙中,有一些规则是所有人都必须遵守的。任何两个量子相互作用时,能量、动量和角动量总是守恒的。任何粒子在时间上向前运动的系统的物理性质都与镜像中的同一系统的物理性质相同,粒子转变成反粒子,时间的方向相反。还有一个终极的宇宙速度极限,适用于每一个物体:没有任何东西能超过光速,任何有质量的东西都不能达到这种速度。

多年来,人们已经制定了非常聪明的计划,试图绕过这最后的限制。理论上,他们把超光速粒子当作可能超过光速的假想粒子,但超光速粒子必须有假想的质量,而且在物理上并不存在。在广义相对论中,充分扭曲的空间可以在光必须穿过的地方创造出替代的、缩短的路径,但我们的物理宇宙没有已知的虫洞。虽然量子纠缠可以在远处产生“幽灵”行为,但没有任何信息的传输速度比光快。

但是有一种方法可以打败光速:进入除完美真空以外的任何介质。下面是它的工作原理。

上图:光不过是一种电磁波,具有垂直于光传播方向的同相振荡电场和磁场。波长越短,光子的能量就越大,但它越容易受到光速变化的影响。

你必须记住,光是一种电磁波。当然,它也表现为一个粒子,但当我们谈论它的传播速度时,更有用的是,它不仅是一个波,而且是一个振荡的、同相电场和磁场的波。当它在真空中传播时,没有任何东西可以限制这些场以它们自然选择的振幅传播,这些振幅由波的能量、频率和波长决定。

但是,当光通过一种介质时,也就是说,存在电荷(可能还有电流)的任何区域,这些电场和磁场的自由传播都会遇到一定程度的阻力。在所有可以自由改变或保持不变的事物中,光的性质保持不变的是它从真空移动到介质、从一种介质移动到真空或从一种介质移动到另一种介质时的频率。

但是,如果频率保持不变,那就意味着波长必须改变,因为频率乘以波长等于速度,这就意味着光速必须随着传播介质的改变而改变。

其中一个壮观的例子是光线通过棱镜时的折射。白光和阳光一样,是由连续的、多种波长的光组成的。长波,如红光,具有较小的频率,而短波,如蓝光,具有较大的频率。在真空中,所有波长以相同的速度传播:频率乘以波长等于光速。蓝色波长的光有更多的能量,因此它们的电场和磁场比红色波长的光强。

当你把这些光通过像棱镜这样的色散介质时,所有不同波长的光的反应都略有不同。你的电场和磁场中的能量越多,它们通过介质时所受的影响就越大。所有光的频率保持不变,但高能量光的波长比低能量光缩短了更多。

因此,尽管所有的光在介质中的传播速度都比真空慢,但红光的传播速度却比蓝光慢一点,这导致了许多迷人的光学现象,比如当阳光穿过水滴和水滴时,会出现彩虹。

然而,在太空的真空中,光别无选择——不管它的波长或频率如何——只能以一种速度传播:真空中的光速。这也是任何形式的纯辐射(例如引力辐射)必须行进的速度,也是在相对定律下任何无质量粒子都必须行进的速度。

但宇宙中的大多数粒子都有质量,因此它们必须遵循稍有不同的规则。如果你有质量,真空中的光速仍然是你的极限速度,但不是被迫以这个速度旅行,而是你永远无法达到的极限;你只能接近它。

你在大质量粒子中投入的能量越多,它就越接近光速,但它的速度必须越慢。地球上有史以来能量最大的粒子,是大型强子对撞机上的质子,在真空中可以以惊人的接近光速飞行:299792455米每秒,相当于光速的99.999999%。

然而,不管我们向这些粒子注入多少能量,我们只能在小数点右边加上更多的“9”,我们永远达不到光速。

或者,更准确地说,我们永远无法在真空中达到光速。也就是说,对于大质量粒子来说,最终的宇宙速度极限299792458米/秒是不可能达到的,同时也是所有无质量粒子必须达到的速度。

但是,如果我们不是通过真空,而是通过介质旅行,会发生什么呢?事实证明,当光通过介质时,它的电场和磁场会感受到它们所通过的物质的影响。当光进入介质时,它的作用是立即改变光的传播速度。这就是为什么,当你看到光进入或离开一个媒介,或从一个媒介过渡到另一个媒介时,它似乎会弯曲。光虽然可以在真空中自由传播,但它的传播速度和波长在很大程度上取决于它所穿过的介质的性质。

然而,粒子的命运却不同。如果一个原本通过真空的高能粒子突然发现自己通过了一种介质,它的行为将不同于光。

首先,它不会立即经历动量或能量的变化,因为作用在它身上的电力和磁力——随着时间的推移改变了它的动量——与它已经拥有的动量相比是微不足道的。与其像光看起来那样瞬间弯曲,不如说它的轨迹变化只能以渐进的方式进行。当粒子第一次进入介质时,它们会以与进入介质前大致相同的特性(包括相同的速度)继续移动。

第二,能够改变粒子在介质中轨迹的大事件几乎都是直接的相互作用:与其他粒子的碰撞。这些散射事件在粒子物理实验中非常重要,因为这些碰撞的产物使我们能够重建在碰撞点发生的一切。当一个快速移动的粒子与一组静止的粒子碰撞时,我们称之为“固定目标”实验,它们被用于从产生中微子束到产生对探索自然界某些性质至关重要的反物质粒子的各种实验。

但最有趣的事实是:在真空中运动比光慢,但在进入的介质中比光快的粒子,实际上正在打破光速。这是粒子超越光速的唯一真实的物理方式。它们在真空中永远不能超过光速,但在介质中却可以超过光速。当他们这样做的时候,一些有趣的事情发生了:一种特殊类型的辐射——切伦科夫辐射。

它以发现者帕维尔·切伦科夫命名,这是实验中首次发现的物理效应之一,在它被预测之前,切伦科夫正在研究已经准备好的放射性样品,其中一些被储存在水中。放射性制剂似乎发出微弱的蓝色光,即使切伦科夫正在研究发光——伽马射线会激发这些溶液,当它们去激发时,这些溶液就会发出可见光——他很快就能得出结论,这种光有一个首选的方向,这不是荧光现象,而是完全不同的东西。

如今,在核反应堆周围的水箱里也能看到同样的蓝光:切伦科夫辐射。

这些辐射来自哪里?

当一个非常快的粒子穿过一个介质时,这个粒子通常是带电的,而介质本身是由正电荷(原子核)和负电荷(电子)组成的。带电粒子在穿过这种介质时,有可能与其中一个粒子发生碰撞,但由于原子大多是空的,因此在短距离内发生碰撞的几率相对较低。

相反,粒子对它所穿过的介质产生了影响:它使介质中的粒子极化——在这种情况下,相同的电荷相互排斥,相反的电荷相互吸引——以响应正在通过的带电粒子。然而,一旦带电粒子离开轨道,这些电子就会回到基态,这些跃迁会导致光的发射。具体地说,它们会使蓝光发射成锥形,而锥形的几何结构取决于粒子的速度和特定介质中的光速。

上图:该动画演示了相对论的带电粒子在介质中的运动速度快于光的情况。相互作用使粒子发出称为切伦科夫辐射的辐射锥,这取决于入射粒子的速度和能量。在实验粒子物理学中,检测这种辐射的性质是一项非常有用且广泛使用的技术。

这是粒子物理学中一个非常重要的性质,因为正是这个过程让我们能够探测到难以捉摸的中微子。中微子几乎从不与物质相互作用。然而,在极少数情况下,它们只把能量传递给另一个粒子。

因此,我们能做的就是建造一个巨大的纯液体罐:这种液体不会发生放射性衰变或发射其他高能粒子。我们可以很好地保护它不受宇宙射线、天然放射性和其他各种污染源的影响。然后,我们可以用所谓的光电倍增管在这个容器的外面排列:光电倍增管可以探测单个光子,触发一连串的电子反应,让我们知道光子从哪里来,何时来,朝着什么方向来。

有了足够大的探测器,我们就可以确定每个中微子的许多性质,这些中微子与这些容器中的粒子相互作用。只要中微子“踢”出的粒子超过液体中的光速,就会产生切伦科夫辐射,这是测量这些幽灵般宇宙粒子特性的一个非常有用的工具。

对切伦科夫辐射的发现和理解在许多方面都是革命性的,但它也导致了在实验室粒子物理实验早期令人恐惧的应用。高能粒子束在空气中传播时,不会留下任何光学特征,但如果它通过的介质比介质中的光传播得快,就会产生蓝光。物理学家过去常常闭上一只眼睛,把头伸进光束的轨迹中;如果光束是亮着的,他们会看到一道“闪光”,这是由于他们眼睛中产生的切伦科夫辐射,证实光束是亮着的(毋庸讳言,随着辐射安全重新认识,这一过程被中断了。)。

尽管如此,尽管在这中间的几代人中物理学已经取得了所有的进步,我们所知道的击败光速的唯一方法是找到一种你可以减慢光速的介质。我们只能在一个媒介中超过这个速度,如果我们做到了,这个能说明问题的蓝光——它提供了大量关于产生它的交互作用的信息——就是我们丰富数据的回报。在曲速引擎或超光速粒子成为现实之前,切伦科夫辉光是唯一的出路!

连刘平都能骑射吊锤你,果然还是因为你水平太低,你起码先提升下基本的语文水平嘛。[二哈]何为“破防”?破防指的是“戳中你心窝子,让你烦躁,让你气急败坏,让你战战兢兢”,比如下图所示,昨个我一提你的“光辉往事”,瞬间让你破口大骂,表情包都改为愤怒样子;又如我把你平日碰瓷大V们的手法用在你身上,魔法打败魔法,你又气又不甘又怂下,做出拉黑了,解除拉黑吠一声,赶紧又拉黑的低智操作。[笑cry] 而我呢,昨天说了“最后一条,暂不回复”,那就不能食言去破自己的话,起码短时间内不会再去你的微博下留言。我说完这话后你又“雄起”了,我在时怎么不见你这么勇啊?色厉内荏的味儿够正。[二哈][哈哈] 以后的时间很长,当年贴吧里隔了两年的帖子都能再接上,我们这才哪到哪,今后的岁月里我何时来了兴致,就会开某个账号去你那里游玩下,你要期待我不定时的突访哦。你也别担心我无法联系到你,下面图片里的账号那也只是一部分。[哈哈][笑cry][笑cry]

【一年22例小肠移植手术,这家医院成为全球第一】一年时间,22例手术,对于一个医院一个科室或许并不算多,然而浙江大学附属第一医院小肠移植中心却凭借一年22例小肠移植手术,成为全球第一。这是12月22日,在国家卫生健康委员会就浙江省“十三五”期间卫生健康工作进展成效举行的专题新闻发布会的消息。

小肠移植手术难度很大,单因小肠含有大量的淋巴细胞,是人体的少数几个高免疫反应性器官,80%以上的患者术后会发生免疫排斥反应。此外,小肠是空腔脏器,含有大量的微生物、食物残渣和消化液,移植手术后,小肠内的细菌极易进入血液,引发严重感染。

[话筒]11岁女孩,只剩下7厘米小肠

11岁的嘟嘟(化名)是一个热爱足球的小姑娘,然而去年11月的一场急性肠扭转,两次大手术让她的小肠只剩下7厘米。经过浙大一院梁廷波教授带领的多器官移植团队20余名专家的周密多学科联合会诊(MDT),嘟嘟是因急性肠扭转引发的“短肠综合征”。

这种疾病,每百万人口约有2-5例的发病率,只能通过小肠移植进行救治。不幸中的万幸,经过检查,妈妈与嘟嘟的血型相吻合,她毫不犹豫地捐出自己的一段小肠来救女儿。

“我们想为嘟嘟圆梦,希望她能重新驰骋绿茵场!”浙江大学医学院附属第一医院(浙大一院)党委书记、器官移植专家梁廷波教授与结直肠外科主任、具有丰富小肠移植经验的吴国生教授心中有着共同的期盼与信念——“挑战一切不可能,救回孩子!”

小肠移植被誉为“最难器官移植技术”,然而却也是治疗肠衰竭的重要手段。

世界上第一例成功的小肠移植手术直到1988年才出现。国内小肠移植手术从1994年开始起步,但患者术后均存活时间较短。在欧美等发达国家,小肠移植的供体主要为脑死亡者捐献,由于供受者之间的配型问题和长时间器官缺血等因素,移植术后并发症居高不下,5年存活率仅有50%左右。

2020年10月20日,梁廷波与吴国生两位教授联合主刀,20余名医护人员周末奋战,将一段长约2米、来自妈妈体内的鲜活小肠成功接入嘟嘟(化名)体内,术后母女二人恢复良好。而这也是全国成功开展的首例儿童亲体小肠移植。

吴国生教授介绍,他每年大概接诊20多例肠扭转患者,近八成患者是不可逆性的肠坏死,出现“短肠”甚至“无肠”的情况,从而需要进行小肠移植。这其中,青少年占了不少比例。活体小肠移植具有组织配型好、可以择期施行手术和器官缺血时间短等优点,临床实践证明,活体小肠移植排斥反应发生率只有20%左右,远低于脑死亡捐献(80%),术后长期生存的病人越来越多。

[话筒]共享一段小肠,母女成为最“牵肠挂肚”的人

“晨起体温36.8℃,平均体温37.7℃,全天共尿了6次,每次尿量在250ml~300ml之间…… ”在浙江大学医学院附属第一医院六号楼13楼一间病房的床头上,摆放着一本厚厚的笔记,从2019年4月16日起,每隔一、两个小时,都有详细的输液、呕吐及体温记录。

这本详细的笔记,来自内蒙古赤峰51岁的一位母亲。她躺在病床上,刚接受完动脉血管造影,从大腿根部动脉下穿刺放进探头再深入小肠,以确保血管解剖正常,为几天后的 “切肠”手术做准备。

对面病床上,是她半年无法吃饭、一直靠营养液维持生命的28岁女儿冯依(化名),她本来也即将成为一名母亲,因为妊娠合并肠扭转,造成几乎全部的小肠坏死,只剩下了12厘米的小肠和不到1米的大肠。她不仅失去了龙凤胎,当地医生判断,生命撑不过3年。

2019年7月,具有丰富小肠移植经验的专家吴国生教授及其团队接诊了冯依。经过多位专家的联合会诊,冯依系“妊娠合并肠扭转”。当时处于妊娠期的她,由于体内的孕激素水平升高使肠管平滑肌张力降低,肠蠕动减弱,再加上先天性肠系膜根部距离较短,受到增大子宫的推挤时,肠道蠕动受到限制。过度牵拉和挤压,使小肠扭转、变位,最终引发肠坏死。

“妊娠期肠扭转较罕见,发病率为1/1500~1/60000。”吴国生教授说,这种突发疾病,孕产妇死亡率高达6%~16.6%,胎儿死亡率达26%~44.40%。在他行医近30年的生涯中,一共遇到过3例类似疾病,其中两位患者接受小肠移植手术后,身体好转、存活至今,用这个办法试一试,也许能为冯依带来生的希望。

知道自己的一段小肠可以救宝贝女儿的命,冯依的妈妈喜出望外。“求求您,把我的小肠多切一点给我的女儿。”术前谈话后,冯依妈妈反复跟吴国生教授请求。过去不爱喝牛奶、吃肉的她,最近努力加强营养。

经过浙大一院多个学科、多名专家的合力拼搏,终于让母亲捐出的2.4米小肠成功接入冯依体内,这场母女间的动人故事也画上了圆满的句号。吴国生教授说:“如果冯依术后恢复情况良好,她还有做妈妈的希望和可能!”

[话筒]为打败“癌王”胰腺癌,医生把他的小肠取出来再“种”回去

“一发现就是晚期”,这是曾经人们对“癌王”胰腺癌的直观印象。

胰腺癌的一个特点就是浸润性生长,也就是说肿瘤是没有边界、很难分离的,需要把整个胰腺切除,但胰腺又和十二指肠是特别“亲密”的朋友,所以手术时通常是把胰腺和十二指肠一起切除。

而肠系膜上动脉为人体小肠和右半部分结肠供血,如果直接把它切除会导致小肠坏死,但如果不切除会导致肿瘤切除不彻底。如何在对肿瘤根治性切除的同时完整保留小肠功能?

小肠移植手术可以让这个问题得以化解,通过在体内仔细探查,将好的小肠完整切下来在体外进行修整,同时体内进行肿瘤切除手术,再将小肠重新“种回”体内,这种方法叫做“系统化疗后胰十二指肠切除联合自体小肠移植”。

70岁的杭州人老朱是全球首例“系统化疗后胰十二指肠切除联合自体小肠移植手术”的受益者。他天生就是个闲不住的人,退休后在桐庐置办了一处房子,每天种菜、浇花、钓鱼,这样的田园生活,老朱和老伴儿非常享受。但2018年末,一辈子没生过大病的他,连着好几天胃口不好,吃不下饭。

“他告诉我的时候,这样的症状差不多有一个多月了,我想想看有点不太对劲,这么长时间肯定是有问题的。”老朱的小儿子说,他们找到了浙大一院肝胆胰外科梁廷波教授团队,经过核磁共振等一系列检查,病因明确了:胰腺癌!晚期!

以往,胰腺癌患者化疗后仅30%有机会得到根治手术的机会,更多的患者因为肿瘤侵犯范围大,无法根治。“现在,通过系统性的化疗方案联合小肠移植技术,为更多的患者赢得了更多的救治机会,成为获益者。”浙大一院党委书记梁廷波教授表示。

2019年12月5日,老朱的手术正式开始,由梁廷波教授和吴国生教授共同完成。两位专家同时“开工”,这边在体内仔细切除胰十二指肠,那边对取出的小肠和结肠血管进行灌洗、修整,将未受肿瘤侵犯的血管保留下来,最后再将修整好的小肠和结肠与体内的血管仔细吻合,这样就达到了既最大限度切除肿瘤又保护小肠供血的目的。历时8个多小时,手术成功。

12月30日,老朱出院了,他的精神状态很难让人想到他是个动过“大手术”的人。其实,术后第二天,他就在监护室拔掉了气管插管并在床上可以自由活动;术后第五天,转回了普通病房,之后每一天都可以自己绕着病区走廊走三圈、四圈、五圈,气色越来越好。

梁廷波教授表示,根治胰腺癌用上了小肠移植的技术,这是浙大一院团队在探索疾病救治过程中的一次创新突破,以往胰腺癌患者如果不能根治手术,就意味着患者的复发率大大上升,而胰腺癌诊治和移植技术都是浙大一院的优势专长,两者结合让胰腺癌达到根治,为患者康复加了一道“双保险”。

世界首例多米诺肝小肠联合移植,世界首例年龄最大供者活体小肠移植,国内首例儿童小肠移植、胰十二指肠切除联合自体小肠移植,首例针对家族性腺瘤性息肉病小肠移植,高难度腹腔多器官联合移植等多项创新技术……一年时间,共有来自全国各地近30名换肠人在浙大一院重获新生,他们最大的56岁,最小的5岁。未来,他们将创造更多奇迹。

据悉,浙大一院是目前国内开展大器官移植门类最全的医院之一,截至目前,该院已经完成肝移植总数超过4000例,肾脏移植超过了7000例,小肠移植超过40例。(健康时报记者 石梦竹)


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