jádro pokročilého testovacího reaktoru v Národní laboratoři Idaho nesvítí modře, protože tam nějaké jsou… modrá světla zapojena, ale spíše proto, že se jedná o jaderný reaktor produkující relativistické, nabité částice, které jsou obklopeny vodou. Když částice procházejí touto vodou, překračují rychlost světla v tomto médiu, což způsobuje, že emitují Cherenkovovo záření, které se jeví jako toto zářící modré světlo.
Argonne National Laboratory
nic se nemůže pohybovat rychleji než rychlost světla. Když Einstein uvedl svou teorii relativity, byl to jeho nedotknutelný postulát: že existuje konečný kosmický rychlostní limit a že ho mohou dosáhnout pouze bezhmotné částice. Všechny masivní částice se k němu mohly přiblížit, ale nikdy by se k němu nedostaly. Rychlost světla byla podle Einsteina stejná pro všechny pozorovatele ve všech referenčních rámcích a žádná forma hmoty ji nikdy nemohla dosáhnout.
ale tato interpretace Einsteina vynechává důležitou námitku: to vše platí pouze ve vakuu čistě, dokonale prázdného prostoru. Prostřednictvím média jakéhokoli typu — ať už je to vzduch, voda, sklo, akryl, nebo jakýkoli plyn, kapalina, nebo pevná látka — světlo cestuje měřitelně pomalejší rychlostí. Energetické částice, na druhé straně, jsou vázány pouze cestovat pomaleji než světlo ve vakuu, ne světlo v médiu. Využitím této přírodní vlastnosti můžeme skutečně jít rychleji než světlo.
světlo vyzařované sluncem prochází vakuem prostoru přesně 299,792,458 m / s: the. .. konečný kosmický rychlostní limit. Jakmile však toto světlo zasáhne médium, včetně něčeho jako zemská atmosféra, tyto fotony klesnou rychlostí, protože se pohybují pouze rychlostí světla tímto médiem. Zatímco žádná masivní částice nikdy nemůže dosáhnout rychlosti světla ve vakuu, může snadno dosáhnout nebo dokonce překročit rychlost světla v médiu.
Fjodor Yurchikhin / ruská kosmická agentura
Představte si paprsek světla, který cestuje přímo od Slunce. Ve vakuu prostoru, pokud nejsou přítomny žádné částice nebo hmota, bude skutečně cestovat při konečném kosmickém rychlostním limitu, c: 299,792,458 m / s, rychlost světla ve vakuu. Ačkoli lidstvo produkovalo extrémně energetické částice v urychlovačích a urychlovačích — a detekovalo ještě energičtější částice pocházející z extragalaktických zdrojů-víme, že tuto hranici nemůžeme překonat.
na LHC mohou zrychlené protony dosáhnout rychlosti až 299 792 455 m / s, jen 3 m / s pod rychlostí světla. U LEP, který urychlil elektrony a pozitrony místo protonů ve stejném tunelu CERN, který LHC nyní zaujímá, byla nejvyšší rychlost částic 299 792 457.9964 m / s, což je nejrychlejší zrychlená částice, jaká kdy byla vytvořena. A kosmický paprsek s nejvyšší energií se přiblíží s mimořádnou rychlostí 299,792,457. 99999999999999918 m / s, což by ztratilo závod s fotonem na Andromedu a zpět o pouhých šest sekund.
všechny částice bez hmoty cestují rychlostí světla, ale rychlost světla se mění v závislosti na… ať už jde o cestování vakuem nebo médiem. Pokud byste měli závodit s nejvyšší energií částice kosmického záření, která byla kdy objevena s fotonem do galaxie Andromeda a zpět, cesta ~5 milionů světelných let, částice by ztratila závod přibližně o 6 sekund.
NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
můžeme urychlit částice hmoty velmi blízko rychlosti světla ve vakuu, ale nikdy ji nemůžeme dosáhnout nebo překročit. To však neznamená, že nikdy nemůžeme jít rychleji než světlo; znamená to pouze, že nemůžeme jít rychleji než světlo ve vakuu. V médiu je příběh velmi odlišný.
můžete to vidět sami tím, že projdete paprskem slunečního světla, který zasáhne zemi hranolem. Zatímco světlo pohybující se vzduchem může cestovat rychlostí tak blízkou rychlosti světla ve vakuu, že jeho odchod je nepostřehnutelný, světlo hranolem se jasně ohýbá. To je způsobeno skutečností, že rychlost světla výrazně klesá v hustším médiu: je to jen ~225 000 000 m / s ve vodě a jen 197 000 000 m / s v korunovém skle. Tato pomalá rychlost, v kombinaci s různými zákony ochrany, zajišťuje, že světlo se ohýbá i rozptyluje v médiu.
chování bílého světla, jak to prochází hranolem ukazuje, jak světlo odlišné… energie se pohybují různými rychlostmi médiem, ale ne vakuem. Newton byl první, kdo vysvětlil odraz, lom, absorpci a přenos, stejně jako schopnost bílého světla rozdělit se do různých barev.
Univerzita v Iowě
tato vlastnost vede k úžasné předpovědi: možnost, že se můžete pohybovat rychleji než světlo, pokud jste v médiu, kde je rychlost světla pod rychlostí světla ve vakuu. Například mnoho jaderných procesů způsobuje emise nabitých částic – například elektronu-fúzí, štěpením nebo radioaktivním rozpadem. I když tyto nabité částice mohou být energické a rychle se pohybující, nikdy nemohou dosáhnout rychlosti světla ve vakuu.
ale pokud tuto částici projdete médiem, i když je to něco tak jednoduchého jako voda, najednou zjistí, že se pohybuje rychleji než rychlost světla v tomto médiu. Dokud je toto médium tvořeno částicemi hmoty a částice rychlejší než světlo je nabita, bude emitovat zvláštní formu záření, která je charakteristická pro tuto konfiguraci: čerenkov (vyslovováno Čerenkov) záření.
reaktor jaderný experimentální RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, ukazující charakteristiku… Čerenkovské záření z emitovaných částic rychleji než světlo ve vodě. Neutrina (nebo přesněji antineutrina), která Pauli poprvé předpokládala v roce 1930, byla detekována z podobného jaderného reaktoru v roce 1956. Moderní experimenty nadále pozorují nedostatek neutrin, ale tvrdě pracují na jeho kvantifikaci jako nikdy předtím, zatímco detekce Cherenkovova záření způsobila revoluci ve fyzice částic.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Čerenkovské záření se charakteristicky jeví jako modrá záře a je emitováno vždy, když nabitá částice cestuje rychleji než světlo v konkrétním médiu. Nejčastěji je to vidět, jak je uvedeno výše, ve vodě obklopující jaderné reaktory. Reakce uvnitř způsobují emise vysokoenergetických částic, které se pohybují rychleji než světlo ve vodě, ale podstatné množství vody obklopuje reaktor, aby chránily vnější prostředí před škodlivými emisemi záření.
to je pozoruhodně efektivní! Existují elektromagnetické interakce, které se vyskytují mezi nabitou částicí v pohybu a (nabitými) částicemi tvořícími médium, kterým prochází, a tyto interakce způsobují, že cestující částice emitují záření určité energie ve všech povolených směrech: radiálně směrem ven, kolmo ke směru jejího pohybu.
tato animace ukazuje, co se stane, když se relativistická nabitá částice pohybuje rychleji než světlo… v médiu. Interakce způsobují, že částice emitují kužel záření známý jako Cherenkovovo záření, který je závislý na rychlosti a energii dopadající částice. Detekce vlastností tohoto záření je nesmírně užitečná a rozšířená Technika v experimentální částicové fyzice.
vlastni dilo / h. Seldon / public domain
ale protože částice vyzařující záření je v pohybu, a protože se pohybuje tak rychle, všechny emitované fotony budou posíleny. Namísto získání prstence fotonů, který se jednoduše pohybuje směrem ven, bude tato částice — pohybující se rychleji než světlo v médiu, kterým prochází — emitovat kužel záření, který se pohybuje ve stejném směru pohybu jako částice, která jej emituje.
Čerenkovské záření vychází z úhlu definovaného pouze dvěma faktory:
- rychlost částice (včástice, rychlejší než světlo v médiu, ale pomalejší než světlo ve vakuu),
- a rychlost světla v médiu (vlight).
ve skutečnosti je vzorec opravdu jednoduchý: θ = cos-1 (vlight/včástice). V prosté angličtině to znamená, že úhel, ve kterém světlo vychází, je inverzní kosinus poměru těchto dvou rychlostí, rychlosti světla v médiu k rychlosti částice.
nádrž naplněná vodou v Super Kamiokande, která stanovila nejpřísnější limity na životnost… protonu. Tato obrovská nádrž je nejen naplněna kapalinou, ale je lemována fotonásobiči. Když dojde k interakci, jako je neutrinový úder, radioaktivní rozpad nebo (teoreticky) rozpad protonů, vzniká Cherenkovovo světlo a může být detekováno fotonásobiči, které nám umožňují rekonstruovat vlastnosti a původ částic.
ICRR, Kamioka Observatory, University of Tokyo
na Čerenkově radiaci je třeba si všimnout několika důležitých věcí. První je, že nese energii i hybnost, která musí nutně pocházet z částice, která se pohybuje rychleji než světlo v médiu. To znamená, že částice, které vyzařují Čerenkovské záření, zpomalují kvůli jeho emisím.
druhým je, že úhel, kterým je čerenkovské záření emitováno, nám umožňuje určit rychlost částice, která způsobila její emise. Pokud můžete změřit Čerenkovské světlo, které pochází z určité částice, můžete rekonstruovat vlastnosti této částice. V praxi to funguje tak, že můžete nastavit velkou nádrž materiálu s fotonásobiči (schopnými detekovat jednotlivé fotony) lemující hranu a detekované Čerenkovské záření umožňuje rekonstruovat vlastnosti příchozí částice včetně toho, odkud ve vašem detektoru vznikla.
neutrinová událost, identifikovatelné kruhy Cerenkovova záření, které se objevují podél… fotonásobicí trubice lemující stěny detektoru, předvést úspěšnou metodologii neutrinové astronomie a využití využití Cherenkovova záření. Tento obrázek ukazuje více událostí a je součástí sady experimentů, které nám připravují cestu k většímu porozumění neutrinům.
Super Kamiokande spolupráce
zajímavé je, že Čerenkovské záření bylo teoretizováno ještě před Einsteinovou teorií relativity, kde strádalo v temnotě. Matematik Oliver Heaviside to předpověděl v letech 1888-9 a nezávisle Arnold Sommerfeld (který pomohl kvantovat atom vodíku) to udělal v roce 1904. Ale s příchodem Einsteinovy speciální relativity z roku 1905 se nikdo o tuto myšlenkovou linii dostatečně nezajímal, aby ji znovu zvedl. I když Marie Curie pozorovala modré světlo v koncentrovaném roztoku radia (v roce 1910), nezkoumala jeho původ.
místo toho padla na mladého výzkumníka Pavla Čerenkova, který pracoval na luminiscenci těžkých prvků. Když vzrušíte prvek, jeho elektrony se spontánně de-excitují, kaskádují dolů v energetických hladinách a vyzařují světlo tak, jak to dělají. To, čeho si Čerenkov všiml a poté zkoumal, bylo modré světlo, které se nehodilo pouze do tohoto rámce. Ve hře bylo něco jiného.
kosmické paprsky, což jsou částice s velmi vysokou energií pocházející z celého vesmíru, udeří… protony v horní atmosféře a produkují sprchy nových částic. Rychle se pohybující nabité částice také emitují světlo kvůli Čerenkovskému záření, protože se pohybují rychleji než rychlost světla v zemské atmosféře. V současné době jsou budována a rozšiřována teleskopická pole, která detekují toto Čerenkovské světlo přímo.
Simon Swordy (u. Chicago), NASA
Čerenkov připravil vodné roztoky, které byly bohaté na radioaktivitu, a všiml si toho charakteristického modrého světla. Když máte fluorescenční jev, kde elektrony de-excitují a emitují viditelné záření, toto záření je izotropní: stejné ve všech směrech. Ale s radioaktivním zdrojem ve vodě, záření nebylo izotropní, ale spíše vyšel v kužely. Později se ukázalo, že tyto kužely odpovídají emitovaným nabitým částicím. Nová forma záření, špatně pochopená v době Čerenkova objevu z roku 1934, se proto jmenovala Čerenkovské záření.
o tři roky později byli Čerenkovovi teoretičtí kolegové Igor Tamm a Ilja Frank schopni úspěšně popsat tyto účinky v kontextu relativity a elektromagnetismu, což vedlo k tomu, že se Čerenkovovy detektory staly užitečnou a standardní technikou v experimentální částicové fyzice. Všichni tři sdíleli Nobelovu cenu za fyziku v roce 1958.
v roce 1958 byla Nobelova cena za fyziku udělena třem osobám primárně odpovědným za… odhalení experimentálních a teoretických vlastností záření emitovaného při pohybu nabitých částic rychleji než světlo v médiu. Modrá záře, dnes známá jako Čerenkovské záření, má i dnes ve fyzice obrovské uplatnění.
Nobel Media AB 2019
Čerenkovské záření je tak pozoruhodný jev, že když první zrychlené elektrony, v počátcích částicové fyziky ve Spojených státech, fyzici zavřeli jedno oko a postavili ho do cesty, kde měl být elektronový paprsek. Pokud by byl paprsek zapnutý, elektrony by produkovaly Čerenkovské záření ve vodném prostředí fyzikovy oční bulvy a tyto záblesky světla by naznačovaly, že se vytvářejí relativistické elektrony. Jakmile byly účinky záření na lidské tělo lépe pochopeny, byla zavedena bezpečnostní opatření, která zabránila fyzikům v otravě.
ale základní jev je stejný bez ohledu na to, kam jdete: nabitá částice pohybující se rychleji než světlo se pohybuje v médiu bude emitovat kužel modrého záření, zpomaluje a zároveň odhaluje informace o své energii a hybnosti. Stále nemůžete překonat maximální kosmickou rychlost, ale pokud nejste ve skutečném, dokonalém vakuu, můžete vždy jet rychleji než světlo. Vše, co potřebujete, je dostatek energie.