Den Avanserte Testreaktorkjernen Ved Idaho National Laboratory lyser ikke blå fordi det er noen… blå lys involvert, men heller fordi dette er en atomreaktor som produserer relativistiske, ladede partikler som er omgitt av vann. Når partiklene passerer gjennom det vannet, overskrider de lysets hastighet i det mediet, noe som får Dem til å avgi Tsjerenkov-stråling, som fremstår som dette glødende blå lyset.
Argonne Nasjonale Laboratorium
Ingenting kan bevege seg raskere enn lysets hastighet. Da Einstein la frem sin relativitetsteori, var Dette hans ukrenkelige postulat: at det var en ultimate kosmisk hastighetsgrense, og at bare masseløse partikler noensinne kunne oppnå det. Alle massive partikler kunne bare nærme seg det, men ville aldri nå det. Lysets hastighet, Ifølge Einstein, var den samme for alle observatører i alle referanserammer, og ingen form for materie kunne noensinne oppnå det.
men denne tolkningen Av Einstein utelater en viktig advarsel: alt dette er bare sant i vakuumet av rent, helt tomt rom. Gjennom et medium av enhver type — enten det er luft, vann, glass, akryl eller gass, væske eller solid — lys reiser på en målbart lavere hastighet. Energiske partikler, derimot, er bare bundet til å reise langsommere enn lys i vakuum, ikke lys i et medium. Ved å utnytte denne egenskapen av naturen, kan vi virkelig gå raskere enn lys.
Lyset som sendes Ut Av Solen, reiser gjennom vakuumet i rommet på nøyaktig 299.792.458 m / s: den. .. ultimate kosmisk fartsgrense. Så snart lyset treffer et medium, inkludert Noe Som Jordens atmosfære, vil disse fotonene falle i fart når de bare beveger seg med lysets hastighet gjennom det mediet. Selv om ingen massiv partikkel noensinne kan oppnå lysets hastighet i et vakuum, kan det lett oppnå eller til og med overstige lysets hastighet i et medium.
Fjodor Yurchikhin / russisk Romfartsselskap
Tenk deg en stråle av lys som reiser direkte bort fra Solen. I vakuum i rommet, hvis ingen partikler eller materie er til stede, vil det faktisk reise ved den ultimate kosmiske fartsgrensen, c: 299,792,458 m / s, lysets hastighet i vakuum. Selv om menneskeheten har produsert ekstremt energiske partikler i kollidere og akseleratorer — og oppdaget enda mer energiske partikler som kommer fra ekstragalaktiske kilder — vet vi at vi ikke kan bryte denne grensen.
VED LHC kan de akselererte protonene nå hastigheter opp til 299.792.455 m/s, bare 3 m / s under lysets hastighet. Ved LEP, som akselererte elektroner og positroner i stedet for protoner i SAMME cern-tunnel som LHC nå opptar, var topppartikkelhastigheten 299.792.457.9964 m / s, som er den raskeste akselererte partikkelen som noen gang er laget. Og den høyeste energien kosmisk stråle klokker inn med en ekstraordinær hastighet på 299,792,457. 999999999999918 m / s, som ville miste et løp Med en foton Til Andromeda og tilbake med bare seks sekunder.
alle masseløse partikler reiser med lysets hastighet, men lysets hastighet endres avhengig av… enten det er å reise gjennom vakuum eller et medium. Hvis du skulle løpe den høyeste energien kosmiske strålepartikkelen som noen gang er oppdaget med en foton Til Andromeda-galaksen og tilbake, en reise på ~5 millioner lysår, ville partikkelen miste løpet med omtrent 6 sekunder.
NASA / SONOMA Statlige Universitet / Aurore Simonnet
vi kan akselerere materiepartikler svært nær lysets hastighet i et vakuum, men kan aldri nå eller overskride det. Dette betyr imidlertid ikke at vi aldri kan gå raskere enn lys; det betyr bare at vi ikke kan gå raskere enn lys i vakuum. I et medium er historien ekstremt annerledes.
du kan se dette selv ved å sende en stråle av sollys som rammer Jorden gjennom et prisme. Mens lys som beveger seg gjennom luften, kan reise med hastigheter så nær lysets hastighet i et vakuum at avgangen er umerkelig, lyser lyset gjennom et prisme tydelig. Dette skyldes at lysets hastighet faller betydelig i et tettere medium: det er bare ~225.000.000 m/s i vann og bare 197.000.000 m/s i kroneglass. Denne langsomme hastigheten, kombinert med en rekke bevaringslover, sikrer at lyset både bøyer og sprer seg i et medium.
oppførselen til hvitt lys når det passerer gjennom et prisme demonstrerer hvordan lys av forskjellig… energier beveger seg med forskjellige hastigheter gjennom et medium, men ikke gjennom et vakuum. Newton var den første som forklarte refleksjon, brytning, absorpsjon og overføring, samt evnen til hvitt lys til å bryte opp i forskjellige farger.
Universitetet I Iowa
denne egenskapen fører til en fantastisk prediksjon: muligheten for at du kan bevege deg raskere enn lys, så lenge du er i et medium hvor lysets hastighet er under lysets hastighet i vakuum. For eksempel forårsaker mange kjerneprosesser utslipp av en ladet partikkel — som et elektron — gjennom fusjon, fisjon eller radioaktivt henfall. Selv om disse ladede partiklene kan være energiske og raske, kan de aldri nå lysets hastighet i vakuum.
men hvis du passerer den partikkelen gjennom et medium, selv om det er noe så enkelt som vann, vil det plutselig finne at det beveger seg raskere enn lysets hastighet i det mediet. Så lenge mediet består av materiepartikler og den raskere enn lette partikkelen er ladet, vil den avgi en spesiell form for stråling som er karakteristisk for denne konfigurasjonen: Č (uttalt Tsjerenkov) stråling.
reaktor kjernefysisk eksperimentell RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, som viser karakteristikken… Tsjerenkov stråling fra de raskere enn lys-i-vann partikler slippes ut. Neutrinene (eller mer nøyaktig, antineutrinos) først hypotesert Av Pauli i 1930 ble oppdaget fra en lignende atomreaktor i 1956. Moderne eksperimenter fortsetter å observere en neutrino-mangel, men jobber hardt for å kvantifisere det som aldri før, mens deteksjon Av Cherenkov-stråling har revolusjonert partikkelfysikken.
Bariloche Bariloche Sentrum, Via Et Stykke Igjen
Č stråling fremstår karakteristisk som en blå glød, og blir utgitt når en ladet partikkel beveger seg raskere enn lys i et bestemt medium. Det er mest sett, som ovenfor, i vannet rundt atomreaktorer. Reaksjonene inne forårsaker utslipp av høyenergipartikler som beveger seg raskere enn lys i vann, men betydelige mengder vann omgir reaktoren for å beskytte det ytre miljøet mot skadelig stråling.
dette er bemerkelsesverdig effektivt! Det er elektromagnetiske interaksjoner som oppstår mellom den ladede partikkelen i bevegelse og de (ladede) partiklene som utgjør mediet det reiser gjennom, og disse interaksjonene forårsaker at reisepartikkelen avgir stråling av en bestemt energi i alle tillatte retninger: radialt utover, vinkelrett på bevegelsesretningen.
denne animasjonen viser hva som skjer når en relativistisk, ladet partikkel beveger seg raskere enn lys… i et medium. Interaksjonene fører til at partikkelen avgir en kjegle av stråling kjent som Tsjerenkov-stråling, som er avhengig av hastigheten og energien til hendelsespartikkelen. Å oppdage egenskapene til denne strålingen er en enormt nyttig og utbredt teknikk i eksperimentell partikkelfysikk.
vlastni dilo / H. Seldon / offentlig domene
Men siden partikkelen som sender ut strålingen, er i bevegelse, og siden den beveger seg så raskt, vil alle de utstrålede fotonene bli styrket. I stedet for å få en ring av fotoner som bare beveger seg utover, vil denne partikkelen — som beveger seg raskere enn lyset i mediet det beveger seg gjennom — avgi en kegle av stråling som beveger seg i samme bevegelsesretning som partikkelen som sender den ut.
Č stråling kommer ut i en vinkel definert av to faktorer bare:
- partikkelens hastighet (vpartikkel, raskere enn lys i mediet, men langsommere enn lys i vakuum),
- og lysets hastighet i mediet (vlight).
faktisk er formelen veldig enkel: θ = cos-1(vlight / vpartikkel). I vanlig engelsk betyr dette at vinkelen som lyset kommer av på er den inverse cosinus av forholdet mellom de to hastighetene, lysets hastighet i mediet til partikkelens hastighet.
den vannfylte tanken På Super Kamiokande, som har satt de strengeste grensene for levetiden… av protonet. Denne enorme tanken er ikke bare fylt med væske, men foret med fotomultiplikatorrør. Når en interaksjon oppstår, for eksempel en neutrino-streik, et radioaktivt henfall eller (teoretisk) et protonforfall, Produseres Cherenkov-lys, og kan detekteres av fotomultiplikatorrørene som tillater oss å rekonstruere partikkelens egenskaper og opprinnelse.
ICRR, Kamioka Observatorium, Universitetet I Tokyo
Det er noen viktige ting å legge merke til Om Č stråling. Den første er at den bærer både energi og momentum, som av nødvendighet må komme fra partikkelen som beveger seg raskere enn lys i mediet. Dette betyr at partikler som avgir Č stråling, reduseres på grunn av utslipp.
den andre er at vinkelen Som Č-strålingen sendes ut på, tillater oss å bestemme hastigheten til partikkelen som forårsaket utslipp. Hvis du kan måle Č-lyset som stammer fra en bestemt partikkel, kan du rekonstruere partikkelens egenskaper. Måten dette fungerer på, i praksis, er at du kan sette opp en stor tank med materiale med fotomultiplikatorrør (i stand til å oppdage individuelle fotoner) på kanten, og den oppdagede Č strålingen lar deg rekonstruere egenskapene til den innkommende partikkelen, inkludert hvor den oppsto i detektoren din.
en neutrino hendelse, identifiserbar av Ringene Av Cerenkov stråling som dukker opp langs… photomultiplier rør lining detektor vegger, vise frem den vellykkede metodikk neutrino astronomi og utnytte bruken Av Cherenkov stråling. Dette bildet viser flere hendelser, og er en del av pakken med eksperimenter som baner vei for en større forståelse av nøytriner.
Super Kamiokande samarbeid
Interessant nok ble Č stråling teoretisert selv Før Einsteins relativitetsteori, hvor Den sløvet i uklarhet. Matematiker Oliver Heaviside spådde det i 1888-9, og Uavhengig Arnold Sommerfeld (som hjalp kvantisere hydrogenatomet) gjorde det i 1904. Men Med Ankomsten Av Einsteins spesielle relativitet fra 1905 var ingen interessert nok i denne tankegangen til å plukke den opp igjen. Selv Da Marie Curie observerte blått lys i en konsentrert radium-løsning (i 1910), undersøkte Hun ikke opprinnelsen.
i Stedet falt det til en ung forsker Ved navn Pavel Č, som jobbet med luminescens av tunge elementer. Når du opphisse et element, sine elektroner spontant de-excite, cascading ned i energinivå og emitting lys som de gjør. Hva Hryverenkov la merke til, og deretter undersøkt, var blått lys som ikke passet utelukkende innenfor dette rammeverket. Noe annet var på spill.
Kosmiske stråler, som er ultrahøye energipartikler som stammer fra Hele Universet, streiker… protoner i den øvre atmosfæren og produserer dusjer av nye partikler. De raskt bevegelige ladede partiklene avgir også lys på Grunn Av Tsjerenkov-stråling når de beveger seg raskere enn lysets hastighet I Jordens atmosfære. Det er for tiden teleskoparrayer som bygges og utvides for å oppdage Dette Cherenkov-lyset direkte.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Č forberedte vandige løsninger som var rike på radioaktivitet, og la merke til det karakteristiske blå lyset. Når du har et fluorescerende fenomen, hvor elektroner de-exciterer og avgir synlig stråling, er strålingen isotrop: den samme i alle retninger. Men med en radioaktiv kilde i vann var strålingen ikke isotrop, men kom heller ut i kjegler. Disse kjeglene ble senere vist å korrespondere med utstrålede ladede partikler. Den nye strålingsformen, som var dårlig forstått på Tidspunktet For Hryverenkovs oppdagelse i 1934, ble derfor kalt Hryverenkov-stråling.
Tre år senere kunne ③erenkovs teoretiske kolleger Igor Tamm og Ilya Frank med hell beskrive disse effektene i sammenheng med relativitet og elektromagnetisme, noe som førte Til At Č detektorer ble en nyttig og standard teknikk i eksperimentell partikkelfysikk. De tre fikk Nobelprisen I Fysikk i 1958.
I 1958 Ble Nobelprisen i fysikk tildelt de tre individene som primært var ansvarlige for… å avsløre de eksperimentelle og teoretiske egenskapene til stråling som sendes ut når ladede partikler beveger seg raskere enn lys i et medium. Den blå gløden, kjent i dag Som Č stråling, har enorme anvendelser i fysikk selv i dag.
Nobel Media AB 2019
Č stråling er et så bemerkelsesverdig fenomen at når de første akselererte elektronene, i de tidlige dagene av partikkelfysikk i Usa, ville fysikere lukke ett øye og sette det i veien for hvor elektronstrålen burde ha vært. Hvis strålen var på, ville elektronene produsere ④erenkov-stråling i det vandige miljøet til fysikerens øyeboll, og de blinker av lys ville indikere at relativistiske elektroner ble produsert. Når effekten av stråling på menneskekroppen ble bedre forstått, ble sikkerhetsforanstaltninger satt på plass for å forhindre fysikere i å forgifte seg selv.
men det underliggende fenomenet er det samme uansett hvor du går: en ladet partikkel som beveger seg raskere enn lys beveger seg i et medium vil avgi en kjegle av blå stråling, bremse ned mens avsløre informasjon om sin energi og momentum. Du kan fortsatt ikke bryte den ultimate kosmiske fartsgrensen, men med mindre du er i et ekte, perfekt vakuum, kan du alltid gå raskere enn lys. Alt du trenger er nok energi.