o núcleo do reator de teste avançado no Laboratório Nacional de Idaho não está azul brilhante porque há algum… luzes azuis envolvidas, mas sim porque este é um reator nuclear produzindo partículas relativísticas e carregadas que são cercadas por água. Quando as partículas passam por aquela água, elas excedem a velocidade da luz naquele meio, fazendo com que emitam radiação Cherenkov, que aparece como essa luz azul brilhante.
Laboratório Nacional Argonne
Nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Quando Einstein expôs sua teoria da relatividade, este era seu postulado inviolável: que havia um limite de velocidade cósmica final e que apenas partículas sem massa poderiam alcançá-lo. Todas as partículas maciças só poderiam se aproximar dela, mas nunca a alcançariam. A velocidade da luz, de acordo com Einstein, era a mesma para todos os observadores em todos os referenciais, e nenhuma forma de matéria poderia alcançá-la.
mas esta interpretação de Einstein omite uma advertência importante: tudo isso só é verdade no vácuo do espaço puramente, perfeitamente vazio. Através de um meio de qualquer tipo — seja Ar, Água, Vidro, acrílico ou qualquer gás, líquido ou sólido — a luz viaja a uma velocidade mensuravelmente mais lenta. As partículas energéticas, por outro lado, só são obrigadas a viajar mais devagar do que a luz no vácuo, não a luz em um meio. Ao alavancar essa propriedade da natureza, nós realmente podemos ir mais rápido do que a luz.
a Luz emitida pelo Sol viaja através do vácuo do espaço exatamente 299,792,458 m/s: a… limite de velocidade cósmica final. Assim que essa luz atingir um meio, no entanto, incluindo algo como a atmosfera da Terra, esses fótons cairão em velocidade à medida que se movem apenas na velocidade da luz através desse meio. Embora nenhuma partícula maciça possa atingir a velocidade da luz no vácuo, ela pode facilmente atingir ou mesmo exceder a velocidade da luz em um meio.
Fyodor Yurchikhin / Agência Espacial russa
Imagine um raio de luz que viaja diretamente para longe do Sol. No vácuo do espaço, se nenhuma partícula ou matéria estiver presente, ela realmente viajará no limite de velocidade cósmica final, c: 299.792.458 m / s, a velocidade da luz no vácuo. Embora a humanidade tenha produzido partículas extremamente energéticas em colididores e aceleradores — e detectado partículas ainda mais energéticas provenientes de fontes extragalácticas — sabemos que não podemos quebrar esse limite.
no LHC, os prótons acelerados podem atingir velocidades de até 299.792.455 m/s, apenas 3 m/s Abaixo da velocidade da luz. No LEP, que acelerou elétrons e pósitrons em vez de prótons no mesmo túnel CERN que o LHC agora ocupa, a velocidade máxima das partículas foi de 299.792.457.9964 m/s, que é a partícula acelerada mais rápida já criada. E os relógios de raios cósmicos de maior energia com uma velocidade extraordinária de 299.792.457, 999999999999918 m/s, que perderia uma corrida com um fóton para Andrômeda e voltaria em apenas seis segundos.
Todas as partículas sem massa viajar na velocidade da luz, mas a velocidade da luz muda dependendo… quer se trate de viajar através do vácuo ou um meio. Se você correr com a partícula de raios cósmicos de maior energia já descoberta com um fóton para a galáxia de Andrômeda e voltar, uma jornada de ~5 milhões de anos-luz, a partícula perderia a corrida em aproximadamente 6 segundos.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
podemos acelerar partículas de matéria muito próxima da velocidade da luz no vácuo, mas nunca podem alcançar ou ultrapassar. No entanto, isso não significa que nunca podemos ir mais rápido que a luz; significa apenas que não podemos ir mais rápido que a luz no vácuo. Em um meio, a história é extremamente diferente.Você pode ver isso por si mesmo passando um raio de luz solar que atinge a terra através de um prisma. Enquanto a luz que se move pelo ar pode estar viajando a velocidades tão próximas da velocidade da luz no vácuo que sua partida é imperceptível, a luz através de um prisma se dobra claramente. Isso se deve ao fato de que a velocidade da luz cai significativamente em um meio mais denso: é apenas ~225.000.000 m/s em água e apenas 197.000.000 m/s em vidro de coroa. Essa velocidade lenta, combinada com uma variedade de leis de conservação, garante que a luz se dobre e se disperse em um meio.
o comportamento da luz branca ao passar por um prisma demonstra como a luz é diferente… as energias se movem em velocidades diferentes através de um meio, mas não através de um vácuo. Newton foi o primeiro a explicar reflexão, refração, absorção e transmissão, bem como a capacidade da luz branca de se dividir em cores diferentes.
Universidade de Iowa
esta propriedade leva a uma previsão incrível: a possibilidade de você se mover mais rápido que a luz, desde que esteja em um meio em que a velocidade da luz esteja abaixo da velocidade da luz no vácuo. Por exemplo, muitos processos nucleares causam a emissão de uma partícula carregada — como um elétron — por meio de fusão, fissão ou decaimento radioativo. Embora essas partículas carregadas possam ser energéticas e em movimento rápido, elas nunca podem atingir a velocidade da luz no vácuo.Mas se você passar essa partícula através de um meio, mesmo que seja algo tão simples quanto a água, de repente descobrirá que ela está se movendo mais rápido do que a velocidade da luz nesse meio. Enquanto esse meio for composto de partículas de matéria e a partícula mais rápida que a luz for carregada, ele emitirá uma forma especial de radiação característica dessa configuração: radiação Čerenkov (pronuncia-se Cherenkov).
Reator nuclear experimental RA-6 (República Argentina 6), en marcha, mostrando a característica… Radiação Cherenkov das partículas mais rápidas que a luz na água emitidas. Os neutrinos (ou mais precisamente, antineutrinos) hipotetizados pela primeira vez por Pauli em 1930 foram detectados a partir de um reator nuclear semelhante em 1956. Experimentos modernos continuam a observar uma deficiência de neutrinos, mas estão trabalhando duro para quantificá-la como nunca antes, enquanto a detecção da radiação Cherenkov revolucionou a física de partículas.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
a radiação Čerenkov aparece caracteristicamente como um brilho azul e é emitida sempre que uma partícula carregada viaja mais rápido do que a luz em um determinado meio. É mais comumente visto, como acima, na água em torno de reatores nucleares. As reações internas causam a emissão de partículas de alta energia que se movem mais rápido do que a luz na água, mas quantidades substanciais de água cercam o reator para proteger o ambiente externo da emissão prejudicial de radiação.
isso é notavelmente eficaz! Existem interações eletromagnéticas que ocorrem entre a partícula carregada em movimento e as partículas (carregadas) que compõem o meio pelo qual ela está viajando, e essas interações fazem com que a partícula viajante emita radiação de uma energia específica em todas as direções permitidas: radialmente para fora, perpendicular à direção de seu movimento.
esta animação mostra o que acontece quando uma partícula relativística e carregada se move mais rápido que a luz… em um meio. As interações fazem com que a partícula emita um cone de radiação conhecido como radiação Cherenkov, que depende da velocidade e energia da partícula incidente. Detectar as propriedades dessa radiação é uma técnica extremamente útil e difundida na física experimental de partículas.
vlastni dilo / H. Seldon / Domínio público
mas como a partícula que emite a radiação está em movimento, e como ela está se movendo tão rapidamente, todos esses fótons emitidos serão impulsionados. Em vez de obter um anel de fótons que simplesmente se move para fora, essa partícula — movendo — se mais rápido do que a luz no meio pelo qual viaja-emitirá um cone de radiação que viaja na mesma direção de movimento que a partícula que a emite.
O Čerenkov radiação vem para fora em um ângulo definido por dois fatores apenas:
- a velocidade da partícula (vparticle, mais rápido que a luz no meio, mas mais lento do que a luz no vácuo),
- e a velocidade da luz no meio (vlight).
na verdade, a fórmula é realmente simples: θ = cos-1 (vlight / vparticle). Em inglês simples, isso significa que o ângulo em que a luz se apaga é o cosseno inverso da proporção dessas duas velocidades, a velocidade da luz no meio para a velocidade da partícula.
o tanque cheio de água em Super Kamiokande, que estabeleceu os limites mais rigorosos na vida útil… do próton. Este enorme tanque não é apenas preenchido com líquido, mas forrado com tubos fotomultiplicadores. Quando ocorre uma interação, como um ataque de neutrino, um decaimento radioativo ou (teoricamente) um decaimento de prótons, a luz Cherenkov é produzida e pode ser detectada pelos tubos fotomultiplicadores que nos permitem reconstruir as propriedades e origens da partícula.
ICRR, Observatório Kamioka, Universidade de Tóquio
há algumas coisas importantes a notar sobre a radiação Čerenkov. A primeira é que ele carrega energia e impulso, que por necessidade tem que vir da partícula que está se movendo mais rápido do que a luz no meio. Isso significa que as partículas que emitem radiação Čerenkov diminuem devido à sua emissão.
a segunda é que o ângulo em que a radiação Čerenkov é emitida nos permite determinar a velocidade da partícula que causou sua emissão. Se você puder medir a luz Čerenkov que se origina de uma partícula específica, poderá reconstruir as propriedades dessa partícula. A maneira como isso funciona, na prática, é que você pode configurar um grande tanque de material com tubos fotomultiplicadores (capazes de detectar fótons individuais) que revestem a borda, e a radiação Čerenkov detectada permite reconstruir propriedades da partícula recebida, incluindo onde ela se originou em seu detector.
um evento de neutrino, identificável pelos anéis de radiação Cerenkov que aparecem ao longo do… tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostram a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos e aproveitam o uso da radiação Cherenkov. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abrem caminho para uma maior compreensão dos neutrinos.
colaboração Super Kamiokande
curiosamente, a radiação de Čerenkov foi teorizada antes mesmo da teoria da relatividade de Einstein, onde definhou na obscuridade. O matemático Oliver Heaviside previu isso em 1888-9, e independentemente Arnold Sommerfeld (que ajudou a quantizar o átomo de hidrogênio) fez isso em 1904. Mas com o advento da relatividade especial de Einstein em 1905, ninguém estava interessado o suficiente nessa linha de pensamento para recuperá-la novamente. Mesmo quando Marie Curie observou luz azul em uma solução de rádio concentrada (em 1910), ela não investigou sua origem.
em vez disso, caiu para um jovem pesquisador chamado Pavel Čerenkov, que estava trabalhando na luminescência de elementos pesados. Quando você excita um elemento, seus elétrons desabotoam espontaneamente, caindo em cascata nos níveis de energia e emitindo luz como eles fazem. O que Čerenkov notou, e depois investigou, foi a luz azul que não se encaixava apenas nesse quadro. Outra coisa estava em jogo.
os raios cósmicos, que são partículas de energia ultra-alta originadas de todo o universo, atingem… prótons na atmosfera superior e produzem chuvas de novas partículas. As partículas carregadas em movimento rápido também emitem luz devido à radiação Cherenkov à medida que se movem mais rápido do que a velocidade da luz na atmosfera da Terra. Atualmente, existem matrizes de telescópios sendo construídas e expandidas para detectar essa luz Cherenkov diretamente.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov preparou soluções aquosas ricas em radioatividade e notou essa luz azul característica. Quando você tem um fenômeno fluorescente, onde os elétrons desestimulam e emitem radiação visível, essa radiação é isotrópica: a mesma em todas as direções. Mas com uma fonte radioativa na água, a radiação não era isotrópica, mas saiu em cones. Esses cones foram posteriormente mostrados para corresponder às partículas carregadas emitidas. A nova forma de radiação, mal compreendida na época da descoberta de Čerenkov em 1934, foi, portanto, chamada de radiação Čerenkov.Três anos depois, os colegas teóricos de Čerenkov Igor Tamm e Ilya Frank foram capazes de descrever com sucesso esses efeitos dentro do contexto da relatividade e eletromagnetismo, o que levou os detectores de Čerenkov a se tornarem uma técnica útil e padrão em física de partículas experimental. Os três compartilharam o Prêmio Nobel de Física em 1958.
Em 1958, o Prêmio Nobel de física foi concedido a três, principalmente, de que é responsável… revelando as propriedades experimentais e teóricas da radiação emitida quando as partículas carregadas se movem mais rápido do que a luz em um meio. O brilho azul, conhecido hoje como radiação Čerenkov, tem enormes aplicações na física até hoje.
Nobel de Mídia AB 2019
Čerenkov radiação é um fenómeno notável que, quando o primeiro electrões acelerados, nos primeiros dias de física de partículas nos Estados Unidos, os físicos seria fechar um olho e colocá-lo no caminho de onde o feixe de elétrons deveria ter sido. Se o feixe estivesse ligado, os elétrons produziriam radiação Čerenkov no ambiente aquoso do globo ocular do físico, e esses flashes de luz indicariam que elétrons relativísticos estavam sendo produzidos. Uma vez que os efeitos da radiação no corpo humano se tornaram melhor compreendidos, precauções de segurança foram postas em prática para evitar que os físicos se envenenassem.
mas o fenômeno subjacente é o mesmo, não importa onde você vá: uma partícula carregada movendo-se mais rápido do que a luz se move em um meio emitirá um cone de radiação Azul, desacelerando enquanto revela informações sobre sua energia e momento. Você ainda não pode quebrar o limite máximo de velocidade cósmica, mas a menos que você esteja em um vácuo verdadeiro e perfeito, você sempre pode ir mais rápido que a luz. Tudo que você precisa é de energia suficiente.