神奇的光
隔着玻璃,我们若想拍摄橱窗里面的东西,总是被玻璃那恼人的反光所影响:在阳光的直射下,我们一般很难看清水中的鱼儿,因为阳光在水面的反光只会让我们看到波光粼粼的水面。
但是有一种光源,它发出的光照射到金属、水面、玻璃等光滑物体表面时不会引起反光。不要以为这种光源发出的光比较弱才不会引起反光的,相反,这种光源发出的光异常强烈,就是说这种光非常亮。它囊括了从远红外线到红外线、可见光、紫外线再到X射线范围内的所有频率的光,而且每一部分的光都比普通光要亮得多。据测定,其X射线波段的光要比普通X光亮百万倍。也不要以为这种光经过了处理才不会反光的,它天生就具有这种性质。
这种光还有比较神奇的一点,就是这种光是带电粒子像驴子拉磨一样不断转圈而发出的,这种发光方式比较特殊,特殊得科学家们初始没有认识到它的价值,反而认为它浪费了很多能量,使科学家对这种光的出现很是烦恼。
粒子转圆产生光
由于带电粒子直线加速时需要千万米长的加速轨道才能把粒子加速到所需速度,这在现实中很不实际,因此科学家发明了回旋加速器,让带电粒子在回旋加速器中循环往复地转圈,在其转圈的过程中对其加速。但是科学家发现,当带电粒子被加速到一定速度后,虽然施加同样的能量,但粒子的速度再也无法提高,同时质量也不再增加(据狭义相对论,能量和质量可以相互转换)。既然带电粒子的动能没有增加,质量也没有增加,而我们施加的能量却还在不断被消耗掉,所消耗的能量哪里去了?经过研究,科学家发现不断转圈的带电粒子在不断向外辐射电磁波!是这些电磁波消耗了大量的能量。
为什么转圈的电荷会向外辐射电磁波呢?根据电磁理论,变化的电场会产生磁场,那么转圈的电荷就会产生变化的电场,这变化的电场又会产生变化的磁场,电磁场的向外传播就形成了向外辐射的电磁波。而且若电荷旋转速度加快,其向外辐射的电磁波能量就会增强。
根据这一现象,科学家给出了惊人的预测:当带电粒子的旋转达到一定速度后,还会向外辐射可见光,甚至紫外线、X射线等。是不是这样呢?
后来,人们又发明了更高级的加速器,质子可可以在这种加速器中加速到接近光速。这时,粒子不再沿着切线方向向两个方向对称地辐射电磁波,而是电磁波能量集中向正向(前进方向)辐射,向反向辐射的能量趋向零。也就是说加速的粒子只是向前发射高能量光子,所发射的这种高能量光子既有电磁波,也有可见光,还有X射线,这正应了科学家的预测!
科学家把这种光叫做同步辐射光,同步辐射光显然是阻碍粒子加速的障碍,因为光子的反冲作用使之难以进一步加速。为了清除这个障碍,物理学家们想尽了办法但却无可奈何。最后科学家们终于明白,要想让带电粒子不产生同步辐射光,只能让被加速粒子直线运动,但直线加速器又很难建造。因此,科学家对无法避免的同步辐射光异常懊恼。