den avancerede Testreaktorkerne på Idaho National Laboratory lyser ikke blåt, fordi der er nogen… blå lys involveret, men snarere fordi dette er en atomreaktor, der producerer relativistiske, ladede partikler, der er omgivet af vand. Når partiklerne passerer gennem det vand, overskrider de lysets hastighed i det medium, hvilket får dem til at udsende Cherenkov-stråling, der fremstår som dette glødende blå lys.
Argonne National Laboratory
intet kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Da Einstein fremsatte sin relativitetsteori, var dette hans ukrænkelige postulat: at der var en ultimativ kosmisk hastighedsgrænse, og at kun masseløse partikler nogensinde kunne nå den. Alle massive partikler kunne kun nærme sig det, men ville aldrig nå det. Lysets hastighed var ifølge Einstein den samme for alle observatører i alle referencerammer, og ingen form for stof kunne nogensinde nå det.
men denne fortolkning af Einstein udelader en vigtig advarsel: alt dette er kun sandt i vakuumet af rent, helt tomt rum. Gennem et medium af enhver type — hvad enten det er luft, vand, glas, akryl eller enhver gas, væske eller fast — lys bevæger sig med en Målbart langsommere hastighed. Energiske partikler er derimod kun bundet til at rejse langsommere end lys i et vakuum, ikke lys i et medium. Ved at udnytte denne egenskab af naturen kan vi virkelig gå hurtigere end lys.
lys udsendt af Solen bevæger sig gennem vakuum af rummet på præcis 299,792,458 m/s: den… ultimative kosmiske hastighedsgrænse. Så snart lyset rammer et medium, herunder noget som Jordens atmosfære, vil disse fotoner falde i hastighed, da de kun bevæger sig med lysets hastighed gennem det medium. Selvom ingen massiv partikel nogensinde kan nå lysets hastighed i et vakuum, kan den let nå eller endda overstige lysets hastighed i et medium.
Fyodor Yurchikhin / russisk Rumorganisation
Forestil dig en lysstråle, der bevæger sig direkte væk fra solen. I rummets vakuum, hvis der ikke er partikler eller stof til stede, vil det faktisk rejse ved den ultimative kosmiske hastighedsgrænse, c: 299.792.458 m/s, lysets hastighed i et vakuum. Selvom menneskeheden har produceret ekstremt energiske partikler i collider og acceleratorer — og opdaget endnu mere energiske partikler, der kommer fra ekstragalaktiske kilder — ved vi, at vi ikke kan bryde denne grænse.
ved LHC kan de accelererede protoner nå hastigheder op til 299.792.455 m/s, kun 3 m/s under lysets hastighed. Ved LEP, som accelererede elektroner og positroner i stedet for protoner i den samme CERN-tunnel, som LHC nu indtager, var den øverste partikelhastighed 299.792.457.9964 m / s, som er den hurtigste accelererede partikel, der nogensinde er oprettet. Og den højeste energi kosmiske stråle ure ind med en ekstraordinær hastighed på 299,792,457.99999999999918 m/s, hvilket ville miste et løb med en foton til Andromeda og tilbage med kun seks sekunder.
alle masseløse partikler bevæger sig med lysets hastighed, men lysets hastighed ændres afhængigt af… uanset om det rejser gennem vakuum eller et medium. Hvis du skulle køre den højeste energi kosmiske strålepartikel nogensinde opdaget med en foton til Andromeda galaksen og tilbage, en rejse på ~5 millioner lysår, ville partiklen miste løbet med cirka 6 sekunder.
NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
vi kan accelerere stofpartikler meget tæt på lysets hastighed i et vakuum, men kan aldrig nå eller overstige det. Dette betyder dog ikke, at vi aldrig kan gå hurtigere end lys; det betyder kun, at vi ikke kan gå hurtigere end lys i et vakuum. I et medium er historien meget anderledes.
du kan se dette selv ved at føre en solstråle, der rammer jorden gennem et prisme. Mens lys, der bevæger sig gennem luften, muligvis kører med hastigheder så tæt på lysets hastighed i et vakuum, at dets afgang er umærkelig, lys gennem et prisme bøjer tydeligt. Dette skyldes det faktum, at lysets hastighed falder markant i et tættere medium: det er bare ~225.000.000 m/s i vand og kun 197.000.000 m/s i kronglas. Denne langsomme hastighed kombineret med en række bevaringslove sikrer, at lys både bøjer og spredes i et medium.
opførelsen af hvidt lys, når det passerer gennem et prisme, viser, hvordan lys af forskellige… energier bevæger sig med forskellige hastigheder gennem et medium, men ikke gennem et vakuum. Nyton var den første til at forklare refleksion, brydning, absorption og transmission samt hvidt lys evne til at bryde op i forskellige farver.
Aarhus Universitet
denne ejendom fører til en fantastisk forudsigelse: muligheden for, at du kan bevæge dig hurtigere end lys, så længe du er i et medium, hvor lysets hastighed er under lysets hastighed i et vakuum. For eksempel forårsager mange nukleare processer emission af en ladet partikel — såsom en elektron — gennem fusion, fission eller radioaktivt henfald. Mens disse ladede partikler kan være energiske og hurtige, kan de aldrig nå lysets hastighed i et vakuum.
men hvis du passerer den partikel gennem et medium, selvom det er noget så simpelt som vand, vil det pludselig opdage, at det bevæger sig hurtigere end lysets hastighed i det medium. Så længe dette medium består af stofpartikler, og den hurtigere end lette partikel er opladet, udsender den en særlig form for stråling, der er karakteristisk for denne konfiguration: Priterenkov (udtalt Cherenkov) stråling.
reaktor nuklear eksperimentel RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, der viser karakteristikken… Cherenkov-stråling fra de hurtigere end lys-i-vand-partikler, der udsendes. Neutrinoerne (eller mere præcist antineutrinos), der først blev antaget af Pauli i 1930, blev påvist fra en lignende atomreaktor i 1956. Moderne eksperimenter fortsætter med at observere en neutrino-mangel, men arbejder hårdt på at kvantificere den som aldrig før, mens påvisning af Cherenkov-stråling har revolutioneret partikelfysik.
Centro Atomico Bariloche, via Pikk Dar
Lyskildestråling fremstår karakteristisk som en blå glød og udsendes, når en ladet partikel bevæger sig hurtigere end lys i et bestemt medium. Det er mest almindeligt set, som ovenfor, i vandet omkring atomreaktorer. Reaktionerne inde forårsager emission af højenergipartikler, der bevæger sig hurtigere end lys i vand, men betydelige mængder vand omgiver reaktoren for at beskytte det ydre miljø mod den skadelige emission af stråling.
dette er bemærkelsesværdigt effektivt! Der er elektromagnetiske interaktioner, der opstår mellem den ladede partikel i bevægelse og de (ladede) partikler, der udgør det medium, den bevæger sig igennem, og disse interaktioner får den rejsende partikel til at udsende stråling af en bestemt energi i alle tilladte retninger: radialt udad, vinkelret på bevægelsesretningen.
denne animation viser, hvad der sker, når en relativistisk, ladet partikel bevæger sig hurtigere end lys… i et medium. Interaktionerne får partiklen til at udsende en kegle af stråling kendt som Cherenkov-stråling, som er afhængig af hastigheden og energien i den indfaldende partikel. Detektion af egenskaberne ved denne stråling er en enormt nyttig og udbredt teknik inden for eksperimentel partikelfysik.
vlastni dilo / H. Seldon / offentligt domæne
men da partiklen, der udsender strålingen, er i bevægelse, og da den bevæger sig så hurtigt, vil alle de udsendte fotoner blive styrket. I stedet for at få en ring af fotoner, der simpelthen bevæger sig udad, vil denne partikel — der bevæger sig hurtigere end lys i det medium, den bevæger sig igennem — udsende en kegle af stråling, der bevæger sig i samme bevægelsesretning som partiklen, der udsender den.
Kurerenkov-strålingen kommer ud i en vinkel, der kun er defineret af to faktorer:
- partikelhastigheden (vpartikel, hurtigere end lys i mediet, men langsommere end lys i et vakuum),
- og lysets hastighed i mediet (vlight).
faktisk er formlen virkelig enkel: – =cos-1 (vlight/vpartikel). På almindeligt engelsk betyder det, at den vinkel, som lyset slukker ved, er den inverse cosinus af forholdet mellem disse to hastigheder, lysets hastighed i mediet til partiklens hastighed.
den vandfyldte tank på Super Kamiokande, som har sat de strengeste grænser for levetiden… af protonen. Denne enorme tank er ikke kun fyldt med væske, men foret med fotomultiplikatorrør. Når en interaktion opstår, såsom en neutrino strejke, et radioaktivt henfald eller (teoretisk) et proton henfald, Cherenkov lys produceres og kan detekteres af fotomultiplikatorrørene, som giver os mulighed for at rekonstruere partiklens egenskaber og oprindelse.
ICRR, Kamioka Observatorium, Tokyo Universitet
der er et par vigtige ting at bemærke om Kurerenkov-stråling. Den første er, at den bærer både energi og momentum, som nødvendigvis skal komme fra partiklen, der bevæger sig hurtigere end lys i mediet. Dette betyder, at partikler, der udsender Karterenkov-stråling, sænkes på grund af dens emission.
det andet er, at den vinkel, som Kurerenkov-strålingen udsendes ved, giver os mulighed for at bestemme hastigheden af partiklen, der forårsagede dens emission. Hvis man kan måle det lys, der stammer fra en bestemt partikel, kan man rekonstruere partiklens egenskaber. Den måde, dette fungerer på, er i praksis, at du kan oprette en stor materialetank med fotomultiplikatorrør (der er i stand til at detektere individuelle fotoner), der forer kanten, og den detekterede Kurterenkov-stråling giver dig mulighed for at rekonstruere egenskaberne for den indkommende partikel, herunder hvor den stammer fra din detektor.
en neutrino begivenhed, identificerbar ved ringene af Cerenkov stråling, der dukker op langs… fotomultiplikatorrør, der forer detektorvæggene, viser den vellykkede metode til neutrino-astronomi og udnytter brugen af Cherenkov-stråling. Dette billede viser flere begivenheder, og er en del af pakken med eksperimenter, der baner vores vej til en større forståelse af neutrinoer.
Super Kamiokande samarbejde
interessant nok blev Kurterenkov-stråling teoretiseret allerede før Einsteins relativitetsteori, hvor den forsvandt i uklarhed. Matematiker Oliver Heaviside forudsagde det i 1888-9, og uafhængigt gjorde Arnold Sommerfeld (som hjalp med at kvantificere hydrogenatomet) det i 1904. Men med fremkomsten af Einsteins særlige relativitet fra 1905 var ingen interesseret nok i denne tankegang til at hente den igen. Selv da Marie Curie observerede blåt lys i en koncentreret radium-opløsning (i 1910), undersøgte hun ikke dets oprindelse.
i stedet faldt det til en ung forsker ved navn Pavel Kurterenkov, der arbejdede på luminescensen af tunge elementer. Når du ophidser et element, de-ophidses dets elektroner spontant, falder ned i energiniveauer og udsender lys, som de gør. Hvad Kurterenkov bemærkede og derefter undersøgte, var blåt lys, der ikke kun passede inden for denne ramme. Noget andet var i spil.
kosmiske stråler, som er ultrahøj energipartikler, der stammer fra hele universet, strejker… protoner i den øvre atmosfære og producerer brusere af nye partikler. De hurtigt bevægende ladede partikler udsender også lys på grund af Cherenkov-stråling, da de bevæger sig hurtigere end lysets hastighed i Jordens atmosfære. Der er i øjeblikket teleskoparrays, der bygges og udvides til at registrere dette Cherenkov-lys direkte.
Simon sværdkunst (U. Chicago), NASA
Kurterenkov fremstillede vandige opløsninger, der var rige på radioaktivitet, og bemærkede det karakteristiske blå lys. Når du har et fluorescerende fænomen, hvor elektroner de-ophidser og udsender synlig stråling, er strålingen isotrop: den samme i alle retninger. Men med en radioaktiv kilde i vand var strålingen ikke isotrop, men kom snarere ud i kegler. Disse kegler blev senere vist at svare til udsendte ladede partikler. Den nye form for stråling, der var dårligt forstået på tidspunktet for opdagelsen af Kurerenkov i 1934, blev derfor navngivet Kurerenkov-stråling.
tre år senere var Kurterenkovs teoretiske kolleger Igor Tamm og Ilya Frank i stand til med succes at beskrive disse effekter inden for relativitetssammenhæng og elektromagnetisme, hvilket førte til, at detektorer i den eksperimentelle partikelfysik blev en nyttig og standardteknik. De tre delte Nobelprisen i fysik i 1958.
i 1958 blev Nobelprisen i fysik tildelt de tre personer, der primært var ansvarlige for… at afsløre de eksperimentelle og teoretiske egenskaber ved stråling, der udsendes, når ladede partikler bevæger sig hurtigere end lys i et medium. Den blå glød, der i dag er kendt som Kurterenkov-stråling, har enorme anvendelser inden for Fysik selv i dag.
Nobel Media AB 2019
i de første accelererede elektroner i de tidlige dage af partikelfysik i USA ville fysikere lukke et øje og sætte det i vejen for, hvor elektronstrålen burde have været. Hvis strålen var tændt, ville elektronerne producere Kurterenkov-stråling i det vandige miljø i fysikerens øjeæble, og disse lysglimt ville indikere, at relativistiske elektroner blev produceret. Når virkningerne af stråling på menneskekroppen blev bedre forstået, blev der indført sikkerhedsforanstaltninger for at forhindre fysikere i at forgifte sig selv.
men det underliggende fænomen er det samme, uanset hvor du går: en ladet partikel, der bevæger sig hurtigere end lysbevægelser i et medium, udsender en kegle af blå stråling, bremser ned, mens den afslører information om dens energi og momentum. Du kan stadig ikke bryde den ultimative kosmiske hastighedsgrænse, men medmindre du er i et ægte, perfekt vakuum, kan du altid gå hurtigere end lys. Alt du behøver er nok energi.