miezul reactorului de testare avansată de la Laboratorul Național Idaho nu strălucește albastru, deoarece există… luminile albastre implicate, ci mai degrabă pentru că acesta este un reactor nuclear care produce particule relativiste, încărcate, care sunt înconjurate de apă. Când particulele trec prin acea apă, ele depășesc viteza luminii în acel mediu, determinându-le să emită radiații Cherenkov, care apare ca această lumină albastră strălucitoare.
Laboratorul Național Argonne
nimic nu se poate mișca mai repede decât viteza luminii. Când Einstein și-a expus teoria relativității, acesta a fost postulatul său inviolabil: că există o limită de viteză cosmică supremă și că numai particulele fără masă ar putea să o atingă vreodată. Toate particulele masive ar putea doar să se apropie de ea, dar nu ar ajunge niciodată la ea. Viteza luminii, conform lui Einstein, a fost aceeași pentru toți observatorii din toate cadrele de referință și nici o formă de materie nu a putut-o atinge vreodată.
dar această interpretare a lui Einstein omite o avertizare importantă: toate acestea sunt adevărate doar în vidul spațiului pur, perfect gol. Printr — un mediu de orice tip — fie că este vorba de aer, apă, sticlă, acril sau orice gaz, lichid sau solid-lumina se deplasează cu o viteză măsurabil mai mică. Particulele energetice, pe de altă parte, sunt obligate să călătorească mai lent decât lumina în vid, nu lumina într-un mediu. Folosind această proprietate a naturii, putem merge cu adevărat mai repede decât lumina.
lumina emisă de soare călătorește prin vidul spațiului la exact 299.792.458 m/s: the… limita de viteză cosmică finală. Cu toate acestea, de îndată ce lumina atinge un mediu, inclusiv ceva asemănător atmosferei Pământului, acei fotoni vor scădea în viteză pe măsură ce se mișcă doar cu viteza luminii prin acel mediu. Deși nicio particulă masivă nu poate atinge vreodată viteza luminii într-un vid, ea poate atinge sau chiar depăși cu ușurință viteza luminii într-un mediu.
Fiodor Iurchikhin / Agenția Spațială Rusă
Imaginați-vă o rază de lumină care călătorește direct departe de soare. În vidul spațiului, dacă nu sunt prezente particule sau materie, acesta va călători într – adevăr la limita de viteză cosmică finală, c: 299.792.458 m / s, viteza luminii în vid. Deși umanitatea a produs particule extrem de energice în colizori și acceleratoare — și a detectat particule și mai energetice provenind din surse extragalactice — știm că nu putem depăși această limită.
la LHC, protonii accelerați pot atinge viteze de până la 299.792.455 m/s, la doar 3 m/s sub viteza luminii. La LEP, care a accelerat electronii și pozitronii în loc de protoni în același tunel CERN pe care îl ocupă acum LHC, viteza maximă a particulelor a fost de 299.792.457.9964 m/s, Care este cea mai rapidă particulă accelerată creată vreodată. Iar raza cosmică cu cea mai mare energie se fixează cu o viteză extraordinară de 299.792.457, 99999999999918 m/s, ceea ce ar pierde o cursă cu un foton în fața Andromedei și înapoi cu doar șase secunde.
toate particulele fără masă călătoresc cu viteza luminii, dar viteza luminii se schimbă în funcție de… fie că este vorba de călătorie prin vid sau un mediu. Dacă ar fi să alergați cu cea mai mare energie particulă de raze cosmice descoperită vreodată cu un foton către galaxia Andromeda și înapoi, o călătorie de ~5 milioane de ani-lumină, particula ar pierde cursa cu aproximativ 6 secunde.
NASA/Universitatea de Stat Sonoma/Aurore Simonnet
putem accelera particulele de materie foarte aproape de viteza luminii într-un vid, dar nu o putem atinge sau depăși niciodată. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că nu putem merge niciodată mai repede decât lumina; înseamnă doar că nu putem merge mai repede decât lumina în vid. Într-un mediu, povestea este extrem de diferită.
puteți vedea acest lucru pentru voi înșivă trecând o rază de soare care lovește Pământul printr-o prismă. În timp ce lumina care se mișcă prin aer ar putea călători la viteze atât de apropiate de viteza luminii într-un vid încât plecarea sa este imperceptibilă, lumina printr-o prismă se îndoaie clar. Acest lucru se datorează faptului că viteza luminii scade semnificativ într-un mediu mai dens: este doar ~225.000.000 m/s în apă și doar 197.000.000 m/s în sticla coroanei. Această viteză lentă, combinată cu o varietate de legi de conservare, asigură că lumina se îndoaie și se dispersează într-un mediu.
comportamentul luminii albe pe măsură ce trece printr-o prismă demonstrează modul în care lumina este diferită… energiile se mișcă la viteze diferite printr-un mediu, dar nu printr-un vid. Newton a fost primul care a explicat reflexia, refracția, absorbția și transmiterea, precum și capacitatea luminii albe de a se descompune în diferite culori.
Universitatea din Iowa
această proprietate duce la o predicție uimitoare: posibilitatea că vă puteți mișca mai repede decât lumina, atâta timp cât vă aflați într-un mediu în care viteza luminii este sub viteza luminii într-un vid. De exemplu, multe procese nucleare determină emisia unei particule încărcate — cum ar fi un electron — prin fuziune, fisiune sau dezintegrare radioactivă. În timp ce aceste particule încărcate pot fi energice și se mișcă rapid, ele nu pot atinge niciodată viteza luminii în vid.
dar dacă treceți acea particulă printr-un mediu, chiar dacă este ceva la fel de simplu ca apa, va descoperi brusc că se mișcă mai repede decât viteza luminii în acel mediu. Atâta timp cât acel mediu este alcătuit din particule de materie și particula mai rapidă decât lumina este încărcată, va emite o formă specială de radiație caracteristică acestei configurații: radiația Oqicerenkov (pronunțată Cherenkov).
Reactor nuclear experimental RA – 6 (Republica Argentina 6), en marcha, arătând caracteristica… Radiația Cherenkov de la particulele mai rapide decât lumina din apă emise. Neutrinii (sau mai exact, antineutrinii) ipotezați pentru prima dată de Pauli în 1930 au fost detectați dintr-un reactor nuclear similar în 1956. Experimentele moderne continuă să observe o deficiență de neutrini, dar lucrează din greu pentru a o cuantifica ca niciodată, în timp ce detectarea radiațiilor Cherenkov a revoluționat fizica particulelor.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck dar Unixto
radiația de la Oktiferenkov apare în mod caracteristic ca o strălucire albastră și este emisă ori de câte ori o particulă încărcată călătorește mai repede decât lumina într-un anumit mediu. Este cel mai frecvent văzut, ca mai sus, în apa din jurul reactoarelor nucleare. Reacțiile din interior provoacă emisia de particule de mare energie care se mișcă mai repede decât lumina în apă, dar cantități substanțiale de apă înconjoară reactorul pentru a proteja mediul extern de emisia dăunătoare de radiații.
acest lucru este remarcabil de eficient! Există interacțiuni electromagnetice care apar între particula încărcată în mișcare și particulele (încărcate) care alcătuiesc mediul prin care călătorește, iar aceste interacțiuni determină particula care călătorește să emită radiații ale unei anumite energii în toate direcțiile permise: radial spre exterior, perpendicular pe direcția mișcării sale.
această animație prezintă ceea ce se întâmplă atunci când o particulă relativistă, încărcată, se mișcă mai repede decât lumina… într-un mediu. Interacțiunile determină particula să emită un con de radiație cunoscut sub numele de radiație Cherenkov, care depinde de viteza și energia particulei incidente. Detectarea proprietăților acestei radiații este o tehnică extrem de utilă și răspândită în fizica experimentală a particulelor.
vlastni dilo / H. Seldon / domeniu public
dar din moment ce particula care emite radiația este în mișcare și din moment ce se mișcă atât de repede, toți acei fotoni emiși vor fi stimulați. În loc să obțină un inel de fotoni care se mișcă pur și simplu spre exterior, această particulă — care se mișcă mai repede decât lumina din mediul prin care călătorește — va emite un con de radiație care se deplasează în aceeași direcție de mișcare ca particula care o emite.
radiația de la Oktiferenkov iese la un unghi definit doar de doi factori:
- viteza particulei (vparticle, mai rapid decât lumina în mediu, dar mai lent decât lumina în vid),
- și viteza luminii în mediu (vlight).
de fapt, formula este foarte simplă: -1 (vlight/vparticle). În engleză simplă, aceasta înseamnă că unghiul la care se stinge lumina este cosinusul invers al raportului dintre cele două viteze, viteza luminii în mediu și viteza particulei.
rezervorul umplut cu apă de la Super Kamiokande, care a stabilit cele mai stricte limite pe durata de viață… protonului. Acest rezervor enorm nu este doar umplut cu lichid, ci căptușit cu tuburi fotomultiplicatoare. Când are loc o interacțiune, cum ar fi o lovitură de neutrini, o descompunere radioactivă sau (teoretic) o descompunere a protonilor, lumina Cherenkov este produsă și poate fi detectată de tuburile fotomultiplicatoare care ne permit să reconstruim proprietățile și originile particulei.
ICRR, Observatorul Kamioka, Universitatea din Tokyo
există câteva lucruri importante de observat cu privire la radiațiile de la Elcterenkov. Primul este că transportă atât energie, cât și impuls, care prin necesitate trebuie să provină din particula care se mișcă mai repede decât lumina în mediu. Aceasta înseamnă că particulele care emit radiații de la Noxterenkov încetinesc datorită emisiei sale.
al doilea este că unghiul la care este emisă radiația de la o mie de centimetri ne permite să determinăm viteza particulei care a provocat emisia acesteia. Dacă puteți măsura lumina de la o anumită particulă, puteți reconstrui proprietățile acelei particule. Modul în care funcționează acest lucru, în practică, este că puteți configura un rezervor mare de material cu tuburi fotomultiplicatoare (capabile să detecteze fotoni individuali) căptușind marginea, iar radiația detectată de Oqicerenkov vă permite să reconstruiți proprietățile particulei care intră, inclusiv de unde provine din detectorul dvs.
un eveniment neutrino, identificabil prin inelele radiației Cerenkov care apar de-a lungul… tuburile fotomultiplicatoare căptușesc pereții detectorului, prezintă metodologia de succes a astronomiei neutrinilor și valorifică utilizarea radiațiilor Cherenkov. Această imagine prezintă mai multe evenimente și face parte din suita de experimente care ne deschid calea către o mai bună înțelegere a neutrinilor.
colaborare Super Kamiokande
destul de interesant este că radiația de la Ecterenkov a fost teoretizată chiar înainte de teoria relativității a lui Einstein, unde a dispărut în obscuritate. Matematicianul Oliver Heaviside a prezis-o în 1888-9 și, în mod independent, Arnold Sommerfeld (care a ajutat la cuantificarea atomului de hidrogen) a făcut-o în 1904. Dar odată cu apariția relativității speciale a lui Einstein din 1905, nimeni nu a fost suficient de interesat de această linie de gândire pentru a o ridica din nou. Chiar și atunci când Marie Curie a observat lumina albastră într-o soluție concentrată de radiu (în 1910), ea nu a investigat originea acesteia.
în schimb, a căzut la un tânăr cercetător pe nume Pavel Oktherenkov, care lucra la luminiscența elementelor grele. Când excitați un element, electronii săi se de-excită spontan, în cascadă în jos în niveluri de energie și emit lumină așa cum o fac. Ceea ce a observat și apoi a investigat, a fost o lumină albastră care nu se încadra doar în acest cadru. Altceva era în joc.
razele cosmice, care sunt particule de energie ultra-înaltă originare din tot universul, lovesc… protoni în atmosfera superioară și produc dușuri de particule noi. Particulele încărcate cu mișcare rapidă emit, de asemenea, lumină datorită radiației Cherenkov, deoarece se mișcă mai repede decât viteza luminii din atmosfera Pământului. În prezent, există rețele de telescoape construite și extinse pentru a detecta direct această lumină Cherenkov.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Oksicerenkov a preparat soluții apoase bogate în radioactivitate și a observat acea lumină albastră caracteristică. Când aveți un fenomen fluorescent, în care electronii de-excită și emit radiații vizibile, acea radiație este izotropă: aceeași în toate direcțiile. Dar cu o sursă radioactivă în apă, radiația nu a fost izotropă, ci mai degrabă a ieșit în conuri. Aceste conuri s-au dovedit ulterior a corespunde particulelor încărcate emise. Noua formă de radiație, prost înțeleasă la momentul descoperirii lui Electherenkov din 1934, a fost numită, prin urmare, radiație Electherenkov.
trei ani mai târziu, colegii teoretici ai lui Oqicerenkov, Igor Tamm și Ilya Frank, au reușit să descrie cu succes aceste efecte în contextul relativității și electromagnetismului, ceea ce a dus la detectoarele Oqicerenkov devenind o tehnică utilă și standard în fizica experimentală a particulelor. Cei trei au împărțit Premiul Nobel pentru Fizică în 1958.
în 1958, Premiul Nobel pentru fizică a fost acordat celor trei persoane responsabile în primul rând… dezvăluind proprietățile experimentale și teoretice ale radiațiilor emise atunci când particulele încărcate se mișcă mai repede decât lumina într-un mediu. Strălucirea albastră, cunoscută astăzi sub numele de radiație Elcterenkov, are aplicații enorme în fizică chiar și astăzi.
Nobel media 2019
radiația cu un nivel de radiație de la un nivel atât de ridicat este un fenomen remarcabil, încât atunci când primii electroni accelerați, în primele zile ale fizicii particulelor din Statele Unite, fizicienii ar închide un ochi și l-ar pune în calea unde ar fi trebuit să fie fasciculul de electroni. Dacă fasciculul ar fi pornit, electronii ar produce radiații de un sfert de milion în mediul apos al globului ocular al fizicianului, iar acele sclipiri de lumină ar indica faptul că se produc electroni relativiști. Odată ce efectele radiațiilor asupra corpului uman au devenit mai bine înțelese, au fost puse în aplicare măsuri de siguranță pentru a împiedica fizicienii să se otrăvească.
dar fenomenul de bază este același indiferent unde te duci: o particulă încărcată care se mișcă mai repede decât se mișcă lumina într-un mediu va emite un con de radiație albastră, încetinind în timp ce dezvăluie informații despre energia și impulsul său. Încă nu puteți depăși limita de viteză cosmică supremă, dar dacă nu sunteți într-un vid adevărat, perfect, puteți merge întotdeauna mai repede decât lumina. Tot ce ai nevoie este suficientă energie.