Idaho National Laboratoryn kehittynyt Testireaktorin ydin ei hehku sinisenä, koska niitä on… kyse on sinisistä valoista, mutta pikemminkin siksi, että kyseessä on ydinreaktori, joka tuottaa relativistisia, varautuneita hiukkasia, joita vesi ympäröi. Kun hiukkaset kulkevat veden läpi, ne ylittävät valonnopeuden kyseisessä väliaineessa, jolloin ne lähettävät Tšerenkovin säteilyä, joka näkyy hehkuvana sinisenä valona.
Argonne National Laboratory
mikään ei voi liikkua nopeammin kuin valonnopeus. Kun Einstein esitti suhteellisuusteoriansa, tämä oli hänen loukkaamaton postulaattinsa: että on olemassa lopullinen kosminen nopeusrajoitus ja että vain massattomat hiukkaset voisivat koskaan saavuttaa sen. Kaikki massiiviset hiukkaset voisivat vain lähestyä sitä, mutta eivät koskaan saavuttaisi sitä. Valonnopeus oli Einsteinin mukaan sama kaikille havainnoitsijoille kaikissa viitekehyksissä, eikä mikään aineen muoto voinut koskaan saavuttaa sitä.
mutta tämä Einsteinin tulkinta jättää väliin tärkeän varoituksen: kaikki tämä on totta vain tyhjiössä puhtaasti, täysin tyhjä tila. Minkä tahansa väliaineen – olipa se ilma, vesi, lasi, akryyli, kaasu, neste tai kiinteä — läpi valo kulkee mitattavasti hitaammin. Energeettiset hiukkaset sen sijaan kulkevat väistämättä valoa hitaammin tyhjiössä, eivät valoa väliaineessa. Hyödyntämällä tätä luonnon ominaisuutta voimme todella mennä valoa nopeammin.
auringon säteilemä valo kulkee avaruuden tyhjiössä tasan 299 792 458 m / s: the… äärimmäinen kosminen nopeusrajoitus. Mutta heti kun tuo valo osuu väliaineeseen, mukaan lukien jotain maan ilmakehän kaltaista, näiden fotonien nopeus putoaa, kun ne liikkuvat vain valon nopeudella tuon väliaineen läpi. Vaikka mikään massiivinen hiukkanen ei voi koskaan saavuttaa valon nopeutta tyhjiössä, se voi helposti saavuttaa tai jopa ylittää valon nopeuden väliaineessa.
Fjodor Yurchikhin / Venäjän avaruusjärjestö
Kuvittele valonsäde, joka kulkee suoraan pois auringosta. Jos avaruuden tyhjiössä ei ole hiukkasia tai ainetta, se todellakin kulkee äärimmäisellä kosmisella nopeusrajoituksella, c: 299 792 458 m / s, valonnopeus tyhjiössä. Vaikka ihmiskunta on tuottanut erittäin energisiä hiukkasia törmäyttimissä ja kiihdyttimissä — ja havainnut vielä enemmän energisiä hiukkasia ekstragalaktisista lähteistä — tiedämme, ettemme voi rikkoa tätä rajaa.
LHC: ssä kiihdytetyt protonit voivat saavuttaa jopa 299 792 455 m/s nopeuden, vain 3 m/s alle valonnopeuden. Lep: ssä, joka kiihdytti elektroneja ja positroneja protonien sijaan samassa CERN-tunnelissa, jossa LHC nyt on, huippuhiukkasten nopeus oli 299 792 457.9964 m / s, joka on nopein koskaan luotu kiihdytetty hiukkanen. Ja korkeaenerginen kosminen säde kellottaa sisään poikkeuksellisella nopeudella 299,792,457. 99999999999918 m/s, joka häviäisi fotonin kanssa kilpajuoksun Andromedalle ja takaisin vain kuudella sekunnilla.
kaikki massattomat hiukkaset kulkevat valon nopeudella, mutta valon nopeus muuttuu riippuen… se kulkee sitten tyhjiössä tai väliaineessa. Jos fotonin kanssa koskaan löydetty korkeaenerginen kosminen sädehiukkanen ajettaisiin kilpaa Andromedan galaksiin ja takaisin, noin 5 miljoonan valovuoden matka, hiukkanen häviäisi kilpailun noin 6 sekunnilla.
NASA/Sonoman osavaltionyliopisto / Aurore Simonnet
voimme kiihdyttää materiahiukkasia hyvin lähelle valonnopeutta tyhjiössä, mutta emme voi koskaan saavuttaa tai ylittää sitä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, ettemme voisi koskaan mennä valoa nopeammin; se tarkoittaa vain, että emme voi mennä valoa nopeammin tyhjiössä. Meediossa tarina on äärimmäisen erilainen.
tämän voi nähdä itse läpäisemällä auringonvalon säteen, joka osuu maahan prisman läpi. Vaikka ilmassa liikkuva valo saattaa kulkea niin lähellä tyhjiössä olevaa valonnopeutta, että sen lähtö on huomaamaton, prisman läpi kulkeva valo taipuu selvästi. Tämä johtuu siitä, että valon nopeus laskee huomattavasti tiheämmässä väliaineessa: se on vain ~225 000 000 m/s vedessä ja vain 197 000 000 m/s kruunulasissa. Tämä hidas nopeus yhdistettynä erilaisiin säilymislakeihin takaa sen, että valo sekä taipuu että hajoaa väliaineessa.
valkoisen valon käyttäytyminen, kun se kulkee prisman läpi, osoittaa, kuinka valo on erilainen… energiat liikkuvat eri nopeuksilla väliaineen läpi, mutta eivät tyhjiön läpi. Newton oli ensimmäinen, joka selitti heijastuksen, taittumisen, absorption ja läpäisyn sekä valkoisen valon kyvyn hajota eri väreiksi.
Iowan yliopisto
tämä ominaisuus johtaa hämmästyttävään ennustukseen: mahdollisuus, että voit liikkua valoa nopeammin, kunhan olet väliaineessa, jossa valon nopeus on alle valon nopeuden tyhjiössä. Esimerkiksi monet ydinprosessit aiheuttavat varautuneen hiukkasen — kuten elektronin — emission fuusion, fission tai radioaktiivisen hajoamisen kautta. Vaikka nämä varatut hiukkaset saattavatkin olla energisiä ja nopeasti liikkuvia, ne eivät voi koskaan saavuttaa valonnopeutta tyhjiössä.
mutta jos hiukkanen kulkee väliaineen läpi, vaikka se olisi jotain niinkin yksinkertaista kuin vesi, se huomaa yhtäkkiä liikkuvansa nopeammin kuin valonnopeus väliaineessa. Niin kauan kuin väliaine koostuu ainehiukkasista ja valoa nopeampi hiukkanen on varautunut, se lähettää erityistä säteilymuotoa, joka on ominaista tälle konfiguraatiolle: Čerenkov (lausutaan Tšerenkov)-säteilyä.
Reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, joka osoittaa ominaisuuden… Tšerenkov säteilee vettä nopeammin säteilevistä hiukkasista. Neutriinot (tai oikeammin antineutrinot), jotka Pauli esitti ensimmäisen kerran vuonna 1930, havaittiin samanlaisesta ydinreaktorista vuonna 1956. Nykyaikaisissa kokeissa havaitaan edelleen neutriinopuutosta, mutta sen kvantifioimiseksi tehdään enemmän töitä kuin koskaan ennen, samalla kun Tšerenkovin säteilyn havaitseminen on mullistanut hiukkasfysiikan.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Čerenkovin säteily ilmenee tyypillisesti sinisenä hehkuna, ja se säteilee aina, kun varautunut hiukkanen kulkee valoa nopeammin tietyssä väliaineessa. Se näkyy yleisimmin ydinreaktoreita ympäröivässä vedessä. Sisällä tapahtuvat reaktiot aiheuttavat suurienergiaisten hiukkasten emissioita, jotka liikkuvat valoa nopeammin vedessä, mutta huomattavat määrät vettä ympäröivät reaktoria suojellakseen ulkoista ympäristöä haitalliselta säteilypäästöltä.
tämä on huomattavan tehokasta! Liikkeessä olevan varautuneen hiukkasen ja sen läpi kulkevan väliaineen muodostavien (varautuneiden) hiukkasten välillä on sähkömagneettisia vuorovaikutuksia, ja nämä vuorovaikutukset aiheuttavat sen, että liikkuva hiukkanen lähettää tietyn energian säteilyä kaikkiin sallittuihin suuntiin: säteittäisesti ulospäin, kohtisuoraan sen liikesuuntaan nähden.
tämä animaatio näyttää, mitä tapahtuu, kun relativistinen, varautunut hiukkanen liikkuu valoa nopeammin… meediossa. Vuorovaikutukset aiheuttavat sen, että hiukkanen lähettää Tšerenkovin säteilynä tunnettua kartiota, joka on riippuvainen kohdehiukkasen nopeudesta ja energiasta. Tämän säteilyn ominaisuuksien havaitseminen on äärimmäisen hyödyllinen ja laajalle levinnyt tekniikka kokeellisessa hiukkasfysiikassa.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
mutta koska säteilyä säteilevä hiukkanen on liikkeessä ja liikkuu niin nopeasti, kaikki säteilevät fotonit voimistuvat. Sen sijaan, että tämä hiukkanen saisi fotonirenkaan, joka vain liikkuu ulospäin, se — joka liikkuu valoa nopeammin väliaineessa, jonka läpi se kulkee — lähettää kartion säteilyä, joka kulkee samaan liikesuuntaan kuin sitä emittoiva hiukkanen.
Čerenkovin säteily tulee ulos vain kahden tekijän määrittelemässä kulmassa:
- hiukkasen nopeus (vparticle, valoa nopeampi väliaineessa, mutta valoa hitaampi tyhjiössä),
- ja valon nopeus väliaineessa (vlight).
itse asiassa kaava on todella yksinkertainen: θ = cos-1 (vlight/vparticle). Selkokielisessä englannin kielessä tämä tarkoittaa, että kulma, jossa valo irtoaa, on näiden kahden nopeuden suhteen Käänteinen kosini, väliaineen valonnopeus hiukkasen nopeuteen.
Super Kamiokanden vesitäytteinen säiliö, joka on asettanut tiukimmat käyttöiän rajat… protonin. Tämä valtava säiliö ei ole vain täynnä nestettä, vaan vuorattu valomonistinputket. Kun tapahtuu vuorovaikutus, kuten neutriinoisku, radioaktiivinen hajoaminen tai (teoriassa) protonihajoaminen, syntyy Tšerenkovin valoa, joka voidaan havaita fotomonistinputkilla, joiden avulla voidaan rekonstruoida hiukkasen ominaisuudet ja alkuperä.
ICRR, Kamiokan observatorio, Tokion yliopisto
Čerenkovin säteilyssä on huomioitavaa muutama tärkeä asia. Ensimmäinen on se, että se kuljettaa sekä energiaa että liikemäärää, jonka on pakko tulla hiukkasesta, joka liikkuu valoa nopeammin väliaineessa. Tämä tarkoittaa sitä, että čerenkovin säteilyä lähettävät hiukkaset hidastuvat sen emissioiden vuoksi.
toinen on se, että kulman, jossa Čerenkovin säteily emittoituu, avulla voidaan määrittää sen emissionsa aiheuttaneen hiukkasen nopeus. Jos voidaan mitata Čerenkovin valo, joka on peräisin tietystä hiukkasesta, voidaan rekonstruoida kyseisen hiukkasen ominaisuudet. Käytännössä tämä toimii siten, että voit perustaa suuren materiaalisäiliön valomonistinputkilla (jotka kykenevät havaitsemaan yksittäisiä fotoneja) reunustaen reunaa, ja havaitun Čerenkovin säteilyn avulla voit rekonstruoida tulevan hiukkasen ominaisuuksia, mukaan lukien missä se on peräisin ilmaisimestasi.
neutriinotapahtuma, tunnistettavissa Cerenkovin säteilyn renkaista, jotka näkyvät pitkin… valomonistinputket, jotka vuoraavat ilmaisimen seiniä, esittelevät neutriinotähtitieteen onnistunutta menetelmää ja hyödyntävät Tšerenkovin säteilyn käyttöä. Tämä kuva näyttää useita tapahtumia, ja se on osa sarjaa kokeita, jotka pohjustavat tietämme suurempaan ymmärrykseen neutriinoista.
Super Kamiokande-yhteistyö
mielenkiintoista kyllä, Čerenkovin säteilyä teoretisoitiin jo ennen Einsteinin suhteellisuusteoriaa, jossa se riutui hämäryydessä. Matemaatikko Oliver Heaviside ennusti sen vuosina 1888-9, ja itsenäisesti Arnold Sommerfeld (joka auttoi kvantisoimaan vetyatomin) teki sen vuonna 1904. Mutta Einsteinin vuonna 1905 esittämän erityisen suhteellisuusteorian myötä kukaan ei ollut tarpeeksi kiinnostunut tästä ajatussuunnasta poimiakseen sen uudelleen. Edes silloin, kun Marie Curie havaitsi sinistä valoa väkevässä radiumliuoksessa (vuonna 1910), hän ei tutkinut sen alkuperää.
sen sijaan se kaatui nuoreen tutkijaan Pavel Čerenkoviin, joka tutki raskaiden alkuaineiden luminesenssia. Kun alkuainetta kiihottaa, sen elektronit spontaanisti de-excitoituvat, syöksyvät alas energiatasoilla ja säteilevät samalla valoa. Čerenkov huomasi ja tutki sitten sinistä valoa, joka ei sopinut pelkästään näihin puitteisiin. Jotain muuta oli tekeillä.
kosmiset säteet, jotka ovat erittäin korkeaenergisiä hiukkasia, jotka ovat peräisin eri puolilta maailmankaikkeutta, iskevät… protoneja yläilmakehässä ja tuottavat suihkuja uusista hiukkasista. Nopeasti liikkuvat varatut hiukkaset lähettävät valoa myös Tšerenkovin säteilyn vaikutuksesta, kun ne liikkuvat maan ilmakehässä valonnopeutta nopeammin. Tällä hetkellä rakennetaan ja laajennetaan teleskooppeja, joilla tämä Tšerenkovin valo voidaan havaita suoraan.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov valmisti runsaasti radioaktiivisia vesiliuoksia ja huomasi ominaisen sinisen valon. Kun on olemassa fluoresoiva ilmiö, jossa elektronit de-excite ja emittoivat näkyvää säteilyä, tuo säteily on isotrooppista: sama kaikkiin suuntiin. Radioaktiivisen lähteen ollessa vedessä säteily ei ollut isotrooppista, vaan tuli ulos kartioina. Myöhemmin näiden tappien osoitettiin vastaavan emittoituneita varautuneita hiukkasia. Čerenkovin vuonna 1934 tekemän löydön aikaan huonosti ymmärretty Uusi säteilyn muoto sai tästä syystä nimen Čerenkovin säteily.
kolme vuotta myöhemmin Čerenkovin teoreettiset kollegat Igor Tamm ja Ilya Frank pystyivät kuvaamaan nämä vaikutukset onnistuneesti suhteellisuusteorian ja sähkömagnetismin puitteissa, minkä vuoksi Čerenkovin ilmaisimista tuli hyödyllinen ja standardi tekniikka kokeellisessa hiukkasfysiikassa. Kolmikko jakoi Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1958.
vuonna 1958 Nobelin fysiikanpalkinto myönnettiin kolmelle pääasiallisesti vastuussa olevalle henkilölle… paljastaa säteilyn kokeelliset ja teoreettiset ominaisuudet, kun varatut hiukkaset liikkuvat nopeammin kuin valo väliaineessa. Sinisellä hehkulla, joka tunnetaan nykyään Čerenkovin säteilynä, on valtavia sovelluksia fysiikassa vielä nykyäänkin.
Nobel Media AB 2019
Čerenkovin säteily on niin merkittävä ilmiö, että kun ensimmäiset kiihdyttivät elektroneja hiukkasfysiikan alkuaikoina Yhdysvalloissa, fyysikot sulkivat toisen silmänsä ja asettivat sen tielle, jossa elektronisäteen olisi pitänyt olla. Jos säde olisi päällä, elektronit tuottaisivat Čerenkovin säteilyä fyysikon silmämunan vesiympäristössä, ja nuo valonvälähdykset viittaisivat relativististen elektronien syntymiseen. Kun säteilyn vaikutuksia ihmiskehoon alettiin ymmärtää paremmin, ryhdyttiin varotoimiin, jotteivät fyysikot myrkyttäisi itseään.
mutta taustalla oleva ilmiö on sama riippumatta siitä, minne mennään: varautunut hiukkanen, joka liikkuu valoa nopeammin väliaineessa, lähettää kartion sinistä säteilyä, joka hidastuu paljastaen samalla tietoa sen energiasta ja liikemäärästä. Kosmista nopeusrajoitusta ei voi rikkoa, – mutta jos ei ole täydessä tyhjiössä, voi ajaa valoa nopeammin. Tarvitset vain tarpeeksi energiaa.