zaawansowany rdzeń reaktora testowego w Idaho National Laboratory nie świeci na niebiesko, ponieważ istnieją… niebieskie światła, ale raczej dlatego, że jest to reaktor jądrowy wytwarzający relatywistyczne, naładowane cząstki, które są otoczone wodą. Kiedy cząstki przechodzą przez tę wodę, przekraczają prędkość światła w tym medium, powodując, że emitują promieniowanie Czerenkowa, które pojawia się jako świecące niebieskie światło.
Argonne National Laboratory
nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła. Kiedy Einstein przedstawił swoją teorię względności, był to jego nienaruszalny postulat: że istnieje ostateczna kosmiczna granica prędkości i że tylko cząstki bezmasowe mogą ją osiągnąć. Wszystkie masywne cząstki mogły się do niego zbliżyć, ale nigdy do niego nie dotarły. Prędkość światła, według Einsteina, była taka sama dla wszystkich obserwatorów we wszystkich klatkach odniesienia i żadna forma materii nie mogła jej osiągnąć.
ale ta interpretacja Einsteina pomija ważne zastrzeżenie: wszystko to jest prawdziwe tylko w próżni czysto, doskonale pustej przestrzeni. Przez medium dowolnego typu — czy to powietrze, woda, szkło, akryl, czy jakikolwiek gaz, ciecz lub ciało stałe — światło porusza się z znacznie wolniejszą prędkością. Z drugiej strony cząstki energetyczne poruszają się wolniej niż światło w próżni, a nie światło w medium. Wykorzystując tę właściwość natury, naprawdę możemy iść szybciej niż światło.
światło emitowane przez słońce przemieszcza się przez próżnię przestrzeni dokładnie 299,792,458 m / s: the. .. ostateczny kosmiczny limit prędkości. Jak tylko to światło uderzy w medium, włączając w to coś takiego jak ziemska atmosfera, te fotony spadną z prędkością, ponieważ poruszają się tylko z prędkością światła przez to medium. Podczas gdy żadna masywna cząstka nie może kiedykolwiek osiągnąć prędkości światła w próżni, może łatwo osiągnąć lub nawet przekroczyć prędkość światła w medium.
Fiodor Jurczikhin / rosyjska agencja kosmiczna
wyobraź sobie promień światła, który podróżuje bezpośrednio od Słońca. W próżni przestrzeni, jeśli nie ma żadnych cząstek ani materii, będzie ona rzeczywiście podróżować z ostateczną kosmiczną prędkością, c: 299 792 458 m/s, prędkość światła w próżni. Chociaż ludzkość wytworzyła niezwykle energetyczne cząstki w zderzaczach i akceleratorach-i wykryła jeszcze więcej energetycznych cząstek pochodzących ze źródeł pozagalaktycznych-wiemy, że nie możemy przekroczyć tego limitu.
w LHC przyspieszone protony mogą osiągać prędkości do 299 792 455 m/s, zaledwie 3 m/s poniżej prędkości światła. W LEP, który przyspieszał elektrony i pozytony zamiast protonów w tym samym tunelu CERN, który obecnie zajmuje LHC, maksymalna prędkość cząstek wynosiła 299 792 457.9964 m / s, co jest najszybszą przyspieszoną cząstką, jaką kiedykolwiek stworzono. I najwyższa energia promieniowania kosmicznego zegary w z niezwykłą prędkością 299,792,457. 999999999999918 m/s, który przegra wyścig z fotonem do Andromedy iz powrotem tylko o sześć sekund.
wszystkie cząstki bezmasowe poruszają się z prędkością światła, ale prędkość światła zmienia się w zależności od… niezależnie od tego, czy podróżuje przez próżnię, czy przez medium. Jeśli mielibyśmy ścigać się z najbardziej energetyczną cząstką promieniowania kosmicznego kiedykolwiek odkrytą z fotonem do galaktyki Andromedy i z powrotem, podróżą około 5 milionów lat świetlnych, cząstka straciłaby wyścig o około 6 sekund.
NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
w próżni możemy przyspieszyć cząstki materii bardzo blisko prędkości światła, ale nigdy jej nie osiągniemy ani nie przekroczymy. Nie oznacza to jednak, że nigdy nie możemy jechać szybciej niż światło; oznacza to tylko, że nie możemy jechać szybciej niż światło w próżni. W medium historia jest zupełnie inna.
możesz to zobaczyć na własne oczy, przechodząc promień słońca, który uderza w ziemię przez pryzmat. Podczas gdy światło poruszające się w powietrzu może poruszać się z prędkościami tak bliskimi prędkości światła w próżni, że jego odejście jest niezauważalne, światło przez pryzmat wyraźnie się wygina. Wynika to z faktu, że prędkość światła spada znacznie w gęstszym medium: to tylko ~225,000,000 m/s w wodzie i tylko 197,000,000 m/s W crown glass. Ta wolna prędkość, w połączeniu z różnymi prawami ochrony, zapewnia, że światło zarówno wygina się, jak i rozprasza w medium.
zachowanie białego światła, gdy przechodzi przez pryzmat, pokazuje, jak światło jest różne… Energie poruszają się z różnymi prędkościami przez medium, ale nie przez próżnię. Newton jako pierwszy wyjaśnił odbicie, załamanie, absorpcję i transmisję, a także zdolność białego światła do rozpadu na różne kolory.
ta właściwość prowadzi do niesamowitej prognozy: możliwość, że można poruszać się szybciej niż światło, tak długo, jak jesteś w medium, gdzie prędkość światła jest poniżej prędkości światła w próżni. Na przykład wiele procesów jądrowych powoduje emisję naładowanej cząstki — takiej jak elektron-poprzez fuzję, rozszczepienie lub rozpad promieniotwórczy. Chociaż naładowane cząstki mogą być energiczne i szybko się przemieszczają, nigdy nie mogą osiągnąć prędkości światła w próżni.
ale jeśli przepuścisz tę cząstkę przez medium, nawet jeśli jest to coś tak prostego jak woda, nagle odkryje, że porusza się szybciej niż prędkość światła w tym medium. Tak długo, jak to medium składa się z cząstek materii, a cząstka szybsza od światła jest naładowana, będzie emitować specjalną formę promieniowania, która jest charakterystyczna dla tej konfiguracji: promieniowanie Čerenkov (wymawiane Cherenkov).
reaktor jądrowy eksperymentalny RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, pokazujący charakterystykę… Czerenkowa promieniowania z szybciej niż światło w wodzie emitowanych cząstek. Neutrina (a dokładniej antyneutrina) po raz pierwszy postawione przez Pauli w 1930 roku zostały wykryte w podobnym reaktorze jądrowym w 1956 roku. Współczesne eksperymenty nadal obserwują niedobór neutrin, ale ciężko pracują, aby oszacować go jak nigdy dotąd, podczas gdy wykrywanie promieniowania Czerenkowa zrewolucjonizowało fizykę cząstek elementarnych.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
promieniowanie Čerenkova charakteryzuje się niebieską poświatą i jest emitowane, gdy naładowana cząstka porusza się szybciej niż światło w danym medium. Najczęściej występuje, jak wyżej, w wodzie otaczającej reaktory jądrowe. Reakcje wewnątrz reaktora powodują emisję wysokoenergetycznych cząstek, które poruszają się szybciej niż światło w wodzie, ale znaczne ilości wody otaczają reaktor, aby chronić środowisko zewnętrzne przed szkodliwą emisją promieniowania.
to jest niezwykle skuteczne! Istnieją oddziaływania elektromagnetyczne, które występują między naładowaną cząstką w ruchu a (naładowanymi) cząstkami tworzącymi medium, przez które podróżuje, i te oddziaływania powodują, że podróżująca cząstka emituje promieniowanie określonej energii we wszystkich możliwych kierunkach: promieniowo na zewnątrz, prostopadle do kierunku jej ruchu.
ta animacja pokazuje, co się dzieje, gdy relatywistyczna, naładowana cząstka porusza się szybciej niż światło… w medium. Oddziaływania te powodują, że cząstka emituje stożek promieniowania znanego jako promieniowanie Czerenkowa, które jest zależne od prędkości i energii padającej cząstki. Wykrywanie właściwości tego promieniowania jest niezwykle użyteczną i rozpowszechnioną techniką w eksperymentalnej fizyce cząstek elementarnych.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
ale ponieważ cząstka emitująca promieniowanie jest w ruchu i porusza się tak szybko, wszystkie emitowane fotony zostaną wzmocnione. Zamiast otrzymać pierścień fotonów, który po prostu porusza się na zewnątrz, ta cząstka — poruszająca się szybciej niż światło w medium, przez które przechodzi — emituje stożek promieniowania, który porusza się w tym samym kierunku ruchu, co emitująca go cząstka.
promieniowanie Czerenkowa wychodzi pod kątem określonym tylko przez dwa czynniki:
- prędkość cząstki (vparticle, szybciej niż światło w medium, ale wolniej niż światło w próżni),
- i prędkość światła w medium (vlight).
w rzeczywistości formuła jest naprawdę prosta: θ = cos-1 (vlight/vparticle). W prostym języku oznacza to, że kąt, przy którym światło pada, jest odwrotnością cosinusa stosunku tych dwóch prędkości, prędkości światła w medium do prędkości cząstki.
zbiornik wypełniony wodą w Super Kamiokande, który ustanowił najbardziej rygorystyczne limity na żywotność… protonu. Ten ogromny zbiornik jest nie tylko wypełniony cieczą, ale wyłożony lampami fotopowielacza. Kiedy zachodzi interakcja, taka jak uderzenie neutrina, rozpad promieniotwórczy lub (teoretycznie) rozpad protonu, powstaje światło Czerenkowa, które może być wykryte przez lampy fotopowielacza, które pozwalają zrekonstruować właściwości i pochodzenie cząstki.
ICRR, Obserwatorium Kamioka, Uniwersytet Tokijski
jest kilka ważnych rzeczy, które należy zwrócić uwagę na promieniowanie Čerenkov. Po pierwsze, przenosi zarówno energię, jak i pęd, który z konieczności musi pochodzić od cząstki, która porusza się szybciej niż światło w medium. Oznacza to, że cząstki emitujące promieniowanie Čerenkova spowalniają z powodu jego emisji.
po drugie, kąt, przy którym emitowane jest promieniowanie Czerenkowa, pozwala określić prędkość cząstki, która spowodowała jego emisję. Jeśli można zmierzyć światło Czerenkowa, które pochodzi od konkretnej cząstki, można odtworzyć właściwości tej cząstki. W praktyce działa to tak, że można ustawić duży zbiornik materiału z lampami fotopowielacza (zdolnymi do wykrywania pojedynczych fotonów) wyściełającymi krawędź, a wykryte promieniowanie Čerenkova pozwala zrekonstruować właściwości nadchodzącej cząstki, w tym skąd pochodzi w detektorze.
Zdarzenie neutrino, rozpoznawalne przez pierścienie promieniowania Cerenkowa, które pojawiają się wzdłuż… lampy fotopowielaczowe wyściełające ściany detektora, prezentują udaną metodologię astronomii neutrin i wykorzystują promieniowanie Czerenkowa. Ten obraz pokazuje wiele zdarzeń i jest częścią zestawu eksperymentów torujących nam drogę do lepszego zrozumienia neutrin.
Super Kamiokande współpraca
co ciekawe, promieniowanie Čerenkova było teoretyzowane jeszcze przed teorią względności Einsteina, gdzie pogrążyło się w zapomnieniu. Matematyk Oliver Heaviside przewidział to w latach 1888-9, a niezależnie Arnold Sommerfeld (który pomógł skwantować atom wodoru) zrobił to w 1904 roku. Ale wraz z pojawieniem się szczególnej teorii względności Einsteina z 1905 roku, nikt nie był wystarczająco zainteresowany tą linią myślenia, aby ją ponownie podnieść. Nawet gdy Maria Curie zaobserwowała niebieskie światło w stężonym roztworze Radu (w 1910), nie zbadała jego pochodzenia.
zamiast tego spadł na młodego badacza o imieniu Pavel Čerenkov, który pracował nad luminescencją ciężkich pierwiastków. Kiedy wzbudzasz pierwiastek, jego elektrony spontanicznie de-excite, kaskadowo w dół w poziomie energii i emitują światło, jak to robią. To, co Čerenkov zauważył, a następnie zbadał, to niebieskie światło, które nie mieściło się wyłącznie w tych ramach. Coś innego było w grze.
promienie kosmiczne, które są Ultra-wysokoenergetycznymi cząstkami pochodzącymi z całego wszechświata, uderzają… protony w górnej atmosferze i wytwarzają nowe cząstki. Szybko poruszające się naładowane cząstki również emitują światło dzięki promieniowaniu Czerenkowa, ponieważ poruszają się szybciej niż prędkość światła w ziemskiej atmosferze. Obecnie budowane i rozbudowywane są tablice teleskopów, które mają bezpośrednio wykrywać to światło Czerenkowa.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov przygotował wodne roztwory, które były bogate w radioaktywność i zauważył charakterystyczne niebieskie światło. Kiedy mamy zjawisko fluorescencyjne, gdzie elektrony de-excite i emitują promieniowanie widzialne, to promieniowanie jest izotropowe: takie samo we wszystkich kierunkach. Ale ze źródłem radioaktywnym w wodzie, promieniowanie nie było izotropowe, ale raczej wychodziło w stożkach. Stożki te zostały później pokazane jako odpowiadające emitowanym naładowanym cząstkom. Nowa forma promieniowania, słabo poznana w momencie odkrycia przez Čerenkova w 1934 roku, została zatem nazwana promieniowaniem Čerenkova.
trzy lata później teoretyczni koledzy z Čerenkowa, Igor Tamm i Ilya Frank, byli w stanie z powodzeniem opisać te efekty w kontekście względności i elektromagnetyzmu, co doprowadziło do tego, że detektory Čerenkowa stały się użyteczną i standardową techniką w eksperymentalnej fizyce cząstek elementarnych. Ta trójka otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1958 roku.
w 1958 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki trzem osobom, za które głównie odpowiadają… ujawniając eksperymentalne i teoretyczne właściwości promieniowania emitowanego, gdy naładowane cząstki poruszają się szybciej niż światło w medium. Niebieska poświata, znana dziś jako promieniowanie Czerenkowa, ma ogromne zastosowanie w fizyce do dziś.
Nobel Media AB 2019
promieniowanie Čerenkova jest tak niezwykłym zjawiskiem, że kiedy pierwsze przyspieszone elektrony, we wczesnych dniach fizyki cząstek elementarnych w Stanach Zjednoczonych, fizycy zamknęli jedno oko i umieścili je na drodze, gdzie wiązka elektronów powinna być. Gdyby wiązka była włączona, elektrony wytwarzałyby promieniowanie Czerenkowa w środowisku wodnym gałki ocznej fizyka, a te błyski światła wskazywałyby, że relatywistyczne elektrony były wytwarzane. Gdy wpływ promieniowania na ludzkie ciało stał się lepiej zrozumiały, wprowadzono środki ostrożności, aby zapobiec zatruciu się fizyków.
ale zjawisko jest takie samo bez względu na to, gdzie się: naładowana cząstka poruszająca się szybciej niż światło porusza się w medium emituje stożek niebieskiego promieniowania, zwalniając jednocześnie ujawniając informacje o swojej energii i pędzie. Nadal nie możesz złamać ostatecznego kosmicznego limitu prędkości, ale jeśli nie jesteś w prawdziwej, doskonałej próżni, zawsze możesz jechać szybciej niż światło. Wystarczy Ci energii.