So bringen Physiker Teilchen dazu, schneller als Licht zu werden

Nichts kann sich schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit. Als Einstein seine Relativitätstheorie darlegte, war dies sein unantastbares Postulat: Dass es eine ultimative kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung gab und dass nur masselose Teilchen sie jemals erreichen konnten. Alle massiven Teilchen konnten sich ihm nur nähern, würden ihn aber niemals erreichen. Die Lichtgeschwindigkeit war nach Einstein für alle Beobachter in allen Referenzrahmen gleich, und keine Form von Materie konnte sie jemals erreichen.

Aber diese Interpretation von Einstein lässt einen wichtigen Vorbehalt aus: all dies ist nur im Vakuum des reinen, vollkommen leeren Raumes wahr. Durch ein Medium jeglicher Art — ob Luft, Wasser, Glas, Acryl oder Gas, Flüssigkeit oder Feststoff — bewegt sich Licht mit einer messbar langsameren Geschwindigkeit. Energetische Teilchen hingegen müssen sich im Vakuum nur langsamer bewegen als Licht, nicht Licht in einem Medium. Indem wir diese Eigenschaft der Natur nutzen, können wir wirklich schneller als das Licht gehen.

Stellen Sie sich einen Lichtstrahl vor, der sich direkt von der Sonne wegbewegt. Im Vakuum des Weltraums, wenn keine Teilchen oder Materie vorhanden sind, es wird in der Tat mit der ultimativen kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzung reisen, c: 299.792.458 m/s, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Obwohl die Menschheit extrem energiereiche Teilchen in Kollidern und Beschleunigern produziert hat — und noch mehr energiereiche Teilchen aus extragalaktischen Quellen entdeckt hat – wissen wir, dass wir diese Grenze nicht überschreiten können.

Am LHC können die beschleunigten Protonen Geschwindigkeiten von bis zu 299.792.455 m / s erreichen, nur 3 m / s unter der Lichtgeschwindigkeit. Bei LEP, das Elektronen und Positronen anstelle von Protonen im selben CERN-Tunnel beschleunigte, den der LHC jetzt einnimmt, betrug die höchste Teilchengeschwindigkeit 299.792.457.9964 m / s, was das schnellste beschleunigte Teilchen ist, das jemals geschaffen wurde. Und die energiereichste kosmische Strahlung taktet mit einer außergewöhnlichen Geschwindigkeit von 299.792.457,9999999999999918 m / s ein, was ein Rennen mit einem Photon nach Andromeda und zurück um nur sechs Sekunden verlieren würde.

Wir können Materieteilchen im Vakuum sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, aber niemals erreichen oder überschreiten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir niemals schneller als Licht gehen können; es bedeutet nur, dass wir im Vakuum nicht schneller als Licht gehen können. In einem Medium ist die Geschichte sehr unterschiedlich.

Sie können dies selbst sehen, indem Sie einen Sonnenstrahl passieren, der durch ein Prisma auf die Erde trifft. Während sich Licht, das sich durch die Luft bewegt, mit Geschwindigkeiten bewegt, die der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum so nahe kommen, dass sein Austritt nicht wahrnehmbar ist, biegt sich Licht durch ein Prisma deutlich. Dies liegt an der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem dichteren Medium signifikant abfällt: Sie beträgt nur ~ 225.000.000 m / s in Wasser und nur 197.000.000 m / s in Kronenglas. Diese langsame Geschwindigkeit, kombiniert mit einer Vielzahl von Erhaltungsgesetzen, stellt sicher, dass sich Licht in einem Medium sowohl biegt als auch zerstreut.

Diese Eigenschaft führt zu einer erstaunlichen Vorhersage: die Möglichkeit, dass Sie sich schneller als Licht bewegen können, solange Sie sich in einem Medium befinden, in dem die Lichtgeschwindigkeit unter der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum liegt. Zum Beispiel verursachen viele Kernprozesse die Emission eines geladenen Teilchens — wie eines Elektrons – durch Fusion, Spaltung oder radioaktiven Zerfall. Während diese geladenen Teilchen energetisch und schnell beweglich sein könnten, können sie im Vakuum niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Aber wenn du dieses Teilchen durch ein Medium führst, selbst wenn es etwas so Einfaches wie Wasser ist, wird es plötzlich feststellen, dass es sich schneller bewegt als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium. Solange dieses Medium aus Materieteilchen besteht und das lichtschnellere Teilchen geladen ist, emittiert es eine spezielle Form von Strahlung, die für diese Konfiguration charakteristisch ist: Čerenkov-Strahlung (ausgesprochen Cherenkov).

Čerenkov-Strahlung erscheint charakteristisch als blaues Leuchten und wird emittiert, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem bestimmten Medium schneller als Licht bewegt. Es ist am häufigsten zu sehen, wie oben, in dem Wasser, das Kernreaktoren umgibt. Die Reaktionen im Inneren verursachen die Emission von hochenergetischen Partikeln, die sich schneller als Licht in Wasser bewegen, aber erhebliche Mengen Wasser umgeben den Reaktor, um die äußere Umgebung vor der schädlichen Emission von Strahlung zu schützen.

Dies ist bemerkenswert effektiv! Es gibt elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen dem geladenen Teilchen in Bewegung und den (geladenen) Teilchen, aus denen das Medium besteht, durch das es sich bewegt, und diese Wechselwirkungen bewirken, dass das reisende Teilchen Strahlung einer bestimmten Energie in alle zulässigen Richtungen emittiert: radial nach außen, senkrecht zur Bewegungsrichtung.

Aber da das Teilchen, das die Strahlung aussendet, in Bewegung ist und sich so schnell bewegt, werden all diese emittierten Photonen verstärkt. Anstatt einen Ring von Photonen zu bekommen, der sich einfach nach außen bewegt, wird dieses Teilchen — das sich schneller bewegt als Licht in dem Medium, durch das es sich bewegt — einen Strahlungskegel emittieren, der sich in der gleichen Bewegungsrichtung bewegt wie das Teilchen, das es emittiert.

Die Čerenkov-Strahlung tritt in einem Winkel aus, der nur durch zwei Faktoren definiert ist:

1. die Geschwindigkeit des Partikels (vparticle, schneller als Licht im Medium, aber langsamer als Licht im Vakuum),
2. und die Lichtgeschwindigkeit im Medium (vlight).

In der Tat ist die Formel wirklich einfach: θ = cos-1 (vlicht/Vteilchen). Im Klartext bedeutet dies, dass der Winkel, in dem das Licht austritt, der inverse Kosinus des Verhältnisses dieser beiden Geschwindigkeiten ist, der Lichtgeschwindigkeit im Medium zur Geschwindigkeit des Teilchens.

Es gibt ein paar wichtige Dinge über Čerenkov-Strahlung zu beachten. Das erste ist, dass es sowohl Energie als auch Impuls trägt, was notwendigerweise von dem Teilchen kommen muss, das sich schneller als Licht im Medium bewegt. Dies bedeutet, dass Partikel, die Čerenkov-Strahlung emittieren, aufgrund ihrer Emission langsamer werden.

Die zweite ist, dass der Winkel, in dem die Čerenkov-Strahlung emittiert wird, es uns ermöglicht, die Geschwindigkeit des Partikels zu bestimmen, das seine Emission verursacht hat. Wenn Sie das Čerenkov-Licht messen können, das von einem bestimmten Partikel stammt, können Sie die Eigenschaften dieses Partikels rekonstruieren. In der Praxis funktioniert dies so, dass Sie einen großen Materialtank mit Photomultiplier-Röhren (die einzelne Photonen detektieren können) einrichten können, die den Rand auskleiden, und die detektierte Čerenkov-Strahlung ermöglicht es Ihnen, die Eigenschaften des ankommenden Partikels zu rekonstruieren, einschließlich wo es in Ihrem Detektor entstanden ist.

Interessanterweise wurde Čerenkov-Strahlung schon vor Einsteins Relativitätstheorie theoretisiert, wo sie im Dunkeln schmachtete. Der Mathematiker Oliver Heaviside sagte es 1888-9 voraus, und unabhängig Arnold Sommerfeld (der half, das Wasserstoffatom zu quantisieren) tat es 1904. Aber mit dem Aufkommen von Einsteins spezieller Relativitätstheorie von 1905 interessierte sich niemand genug für diesen Gedankengang, um ihn wieder aufzunehmen. Selbst als Marie Curie 1910 blaues Licht in einer konzentrierten Radiumlösung beobachtete, untersuchte sie seinen Ursprung nicht.

Stattdessen fiel es einem jungen Forscher namens Pavel Čerenkov zu, der an der Lumineszenz schwerer Elemente arbeitete. Wenn Sie ein Element anregen, werden seine Elektronen spontan de-erregen, kaskadieren in Energieniveaus und emittieren Licht, wie sie es tun. Was Čerenkov bemerkte und dann untersuchte, war blaues Licht, das nicht nur in diesen Rahmen passte. Etwas anderes war im Spiel.

Čerenkov bereitete wässrige Lösungen vor, die reich an Radioaktivität waren, und bemerkte dieses charakteristische blaue Licht. Wenn Sie ein Fluoreszenzphänomen haben, bei dem Elektronen sichtbare Strahlung abreagieren und emittieren, ist diese Strahlung isotrop: in alle Richtungen gleich. Aber mit einer radioaktiven Quelle in Wasser war die Strahlung nicht isotrop, sondern kam in Kegeln heraus. Es wurde später gezeigt, dass diese Kegel emittierten geladenen Teilchen entsprechen. Die neue Form der Strahlung, die zum Zeitpunkt von Čerenkovs Entdeckung von 1934 kaum verstanden wurde, wurde daher Čerenkov-Strahlung genannt.

Drei Jahre später gelang es Čerenkovs theoretischen Kollegen Igor Tamm und Ilya Frank, diese Effekte im Kontext der Relativitätstheorie und des Elektromagnetismus erfolgreich zu beschreiben, was dazu führte, dass Čerenkov-Detektoren zu einer nützlichen und Standardtechnik in der experimentellen Teilchenphysik wurden. Die drei teilten sich 1958 den Nobelpreis für Physik.

Čerenkov-Strahlung ist ein so bemerkenswertes Phänomen, dass, wenn die ersten beschleunigten Elektronen, in den frühen Tagen der Teilchenphysik in den Vereinigten Staaten, Physiker würde ein Auge schließen und es in den Weg, wo der Elektronenstrahl hätte sein sollen. Wenn der Strahl eingeschaltet wäre, würden die Elektronen Čerenkov-Strahlung in der wässrigen Umgebung des Augapfels des Physikers erzeugen, und diese Lichtblitze würden anzeigen, dass relativistische Elektronen erzeugt würden. Sobald die Auswirkungen der Strahlung auf den menschlichen Körper besser verstanden waren, wurden Sicherheitsvorkehrungen getroffen, um zu verhindern, dass Physiker sich selbst vergiften.

Aber das zugrunde liegende Phänomen ist das gleiche, egal wohin Sie gehen: ein geladenes Teilchen, das sich schneller als Licht in einem Medium bewegt, emittiert einen Kegel blauer Strahlung, verlangsamt sich und enthüllt Informationen über seine Energie und seinen Impuls. Sie können das ultimative kosmische Tempolimit immer noch nicht überschreiten, aber wenn Sie sich nicht in einem echten, perfekten Vakuum befinden, können Sie immer schneller als das Licht fahren. Alles, was Sie brauchen, ist genug Energie.