den avancerade Testreaktorkärnan vid Idaho National Laboratory lyser inte blått eftersom det finns några… blå lampor inblandade, utan snarare för att det här är en kärnreaktor som producerar relativistiska, laddade partiklar som omges av vatten. När partiklarna passerar genom det vattnet överskrider de ljusets hastighet i det mediet, vilket får dem att avge Cherenkov-strålning, vilket framträder som detta glödande blå ljus.
Argonne nationella laboratorium
ingenting kan röra sig snabbare än ljusets hastighet. När Einstein lade fram sin relativitetsteori var detta hans okränkbara postulat: att det fanns en ultimat kosmisk hastighetsgräns, och att endast masslösa partiklar någonsin kunde uppnå det. Alla massiva partiklar kunde bara närma sig det, men skulle aldrig nå det. Ljusets hastighet, enligt Einstein, var densamma för alla observatörer i alla referensramar, och ingen form av materia kunde någonsin uppnå det.
men denna tolkning av Einstein utelämnar en viktig varning: allt detta är bara sant i vakuumet av rent, helt tomt utrymme. Genom ett medium av vilken typ som helst — oavsett om det är luft, vatten, glas, akryl eller någon gas, vätska eller fast ljus färdas med en mätbart långsammare hastighet. Energiska partiklar å andra sidan är bara bundna att resa långsammare än ljus i vakuum, inte ljus i ett medium. Genom att utnyttja denna egenskap av naturen kan vi verkligen gå snabbare än ljuset.
ljus som avges av solen färdas genom vakuum i rymden på exakt 299,792,458 m/s: den… ultimate kosmisk hastighetsgräns. Så snart det ljuset träffar ett medium, inklusive något som jordens atmosfär, kommer dessa fotoner att sjunka i hastighet när de bara rör sig med ljusets hastighet genom det mediet. Medan ingen massiv partikel någonsin kan uppnå ljusets hastighet i vakuum, kan den lätt uppnå eller till och med överstiga ljusets hastighet i ett medium.
Fjodor Yurchikhin / ryska rymdorganisationen
Föreställ dig en ljusstråle som reser direkt bort från solen. I rymdens vakuum, om inga partiklar eller materia är närvarande, kommer det verkligen att resa vid den ultimata kosmiska hastighetsgränsen, c: 299,792,458 m / s, ljusets hastighet i vakuum. Även om mänskligheten har producerat extremt energiska partiklar i kolliderare och acceleratorer — och upptäckt ännu mer energiska partiklar som kommer från extragalaktiska källor — vet vi att vi inte kan bryta denna gräns.
vid LHC kan de accelererade protonerna nå hastigheter upp till 299,792,455 m/s, bara 3 m/s under ljusets hastighet. Vid LEP, som accelererade elektroner och positroner istället för protoner i samma CERN-tunnel som LHC nu upptar, var topppartikelhastigheten 299,792,457.9964 m/ s, vilket är den snabbaste accelererade partikel som någonsin skapats. Och den högsta energin kosmiska strålen klockar in med en extraordinär hastighet på 299,792,457.99999999999918 m/s, vilket skulle förlora en tävling med en foton till Andromeda och tillbaka med bara sex sekunder.
alla masslösa partiklar färdas med ljusets hastighet, men ljusets hastighet ändras beroende på… oavsett om det reser genom vakuum eller ett medium. Om du skulle tävla med den kosmiska strålpartikeln med högsta energi som någonsin upptäckts med en foton till Andromeda-galaxen och tillbaka, en resa på ~5 miljoner ljusår, skulle partikeln förlora loppet med cirka 6 sekunder.
NASA/Sonoma State University / Aurore Simonnet
vi kan accelerera materiepartiklar mycket nära ljusets hastighet i vakuum, men kan aldrig nå eller överskrida det. Men det betyder inte att vi aldrig kan gå snabbare än ljus; det betyder bara att vi inte kan gå snabbare än ljus i vakuum. I ett medium är historien extremt annorlunda.
du kan se detta själv genom att passera en solstråle som slår jorden genom ett prisma. Medan ljus som rör sig genom luften kan färdas i hastigheter så nära ljusets hastighet i vakuum att dess avgång är omärkbar, böjer ljuset genom ett prisma tydligt. Detta beror på att ljusets hastighet sjunker avsevärt i ett tätare medium: det är bara ~225 000 000 m/s i vatten och bara 197 000 000 m/s i kronglas. Denna långsamma hastighet, i kombination med en mängd olika bevarandelagar, säkerställer att ljuset både böjer och sprids i ett medium.
beteendet hos vitt ljus när det passerar genom ett prisma visar hur ljus av olika… energier rör sig i olika hastigheter genom ett medium, men inte genom ett vakuum. Newton var den första som förklarade reflektion, brytning, absorption och överföring, liksom vitt ljus förmåga att bryta upp i olika färger.
University of Iowa
den här egenskapen leder till en fantastisk förutsägelse: möjligheten att du kan röra dig snabbare än ljus, så länge du befinner dig i ett medium där ljusets hastighet är under ljusets hastighet i vakuum. Till exempel orsakar många kärnprocesser utsläpp av en laddad partikel — såsom en elektron — genom fusion, fission eller radioaktivt sönderfall. Medan dessa laddade partiklar kan vara energiska och snabba, kan de aldrig nå ljusets hastighet i vakuum.
men om du passerar den partikeln genom ett medium, även om det är något så enkelt som vatten, kommer det plötsligt att upptäcka att det rör sig snabbare än ljusets hastighet i det mediet. Så länge som det mediet består av materiepartiklar och den snabbare än ljuspartikeln laddas, kommer den att avge en speciell form av strålning som är karakteristisk för denna konfiguration: Saucerenkov (uttalad Cherenkov) strålning.
reaktor kärn experimentell RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, visar den karakteristiska… Cherenkov-strålning från de snabbare än ljus-i-vatten-partiklarna som emitteras. Neutrinerna (eller mer exakt, antineutrinos) som först antogs av Pauli 1930 upptäcktes från en liknande kärnreaktor 1956. Moderna experiment fortsätter att observera en neutrinobrist, men arbetar hårt för att kvantifiera den som aldrig tidigare, medan detekteringen av Cherenkov-strålning har revolutionerat partikelfysiken.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Dar
utstrålningen av en blå glöd framträder karaktäristiskt som en blå glöd och släpps ut när en laddad partikel färdas snabbare än ljus i ett visst medium. Det ses oftast, som ovan, i vattnet kring kärnreaktorer. Reaktionerna inuti orsakar utsläpp av högenergipartiklar som rör sig snabbare än ljus i vatten, men betydande mängder vatten omger reaktorn för att skydda den yttre miljön från skadlig strålning.
detta är anmärkningsvärt effektivt! Det finns elektromagnetiska interaktioner som uppstår mellan den laddade partikeln i rörelse och de (laddade) partiklarna som utgör mediet som den reser genom, och dessa interaktioner får den resande partikeln att avge strålning av en viss energi i alla tillåtna riktningar: radiellt utåt, vinkelrätt mot rörelseriktningen.
denna animation visar vad som händer när en relativistisk, laddad partikel rör sig snabbare än ljus… i ett medium. Interaktionerna får partikeln att avge en strålningskon som kallas Cherenkov-strålning, som är beroende av hastigheten och energin hos den infallande partikeln. Att upptäcka egenskaperna hos denna strålning är en enormt användbar och utbredd teknik inom experimentell partikelfysik.
vlastni dilo / H. Seldon / allmän egendom
men eftersom partikeln som avger strålningen är i rörelse, och eftersom den rör sig så snabbt, kommer alla de emitterade fotonerna att förstärkas. I stället för att få en ring av fotoner som helt enkelt rör sig utåt, kommer denna partikel — som rör sig snabbare än ljus i mediet som den färdas genom — att avge en strålningskon som färdas i samma rörelseriktning som partikeln som avger den.
den Augerenkov strålning kommer ut i en vinkel som definieras av två faktorer endast:
- partikelns hastighet (vpartikel, snabbare än ljus i mediet men långsammare än ljus i vakuum),
- och ljusets hastighet i mediet (vlight).
faktum är att formeln är väldigt enkel: = cos-1 (vlight/vpartikel). På vanlig engelska betyder detta att vinkeln som ljuset kommer av vid är den inversa cosinusen för förhållandet mellan dessa två hastigheter, ljusets hastighet i mediet till partikelns hastighet.
den vattenfyllda tanken på Super Kamiokande, som har satt de strängaste gränserna för livslängden… av protonen. Denna enorma tank är inte bara fylld med vätska, men fodrad med fotomultiplikatorrör. När en interaktion inträffar, såsom en neutrino-strejk, ett radioaktivt sönderfall eller (teoretiskt) ett protonförfall, produceras Cherenkov-ljus och kan detekteras av fotomultiplikatorrören som tillåter oss att rekonstruera partikelns egenskaper och ursprung.
ICRR, Kamioka Observatory, Tokyo universitet
det finns några viktiga saker att lägga märke till om Askorerenkov strålning. Den första är att den bär både energi och momentum, som av nödvändighet måste komma från partikeln som rör sig snabbare än ljuset i mediet. Detta innebär att partiklar som avger exponering för strålning avtar på grund av dess utsläpp.
den andra är att den vinkel som utstrålas av A. R. strålning tillåter oss att bestämma hastigheten på partikeln som orsakade dess utsläpp. Om du kan mäta det ljus som kommer från en viss partikel, kan du rekonstruera partikelns egenskaper. Det sätt som detta fungerar i praktiken är att du kan ställa in en stor tank av material med fotomultiplikatorrör (som kan detektera enskilda fotoner) som kantar kanten och den upptäckta Auguberenkov-strålningen gör att du kan rekonstruera egenskaperna hos den inkommande partikeln, inklusive var den har sitt ursprung i din detektor.
en neutrino-händelse, identifierbar av ringarna av Cerenkov-strålning som dyker upp längs… fotomultiplikatorrör som fodrar detektorväggarna, visar den framgångsrika metoden för neutrinoastronomi och utnyttjar användningen av Cherenkov-strålning. Den här bilden visar flera händelser och är en del av experimenten som banar väg för en större förståelse av neutriner.
Super Kamiokande samarbete
intressant nog teoretiserades bakgrundsstrålningen till och med före Einsteins relativitetsteori, där den försvann i dunkelhet. Matematiker Oliver Heaviside förutspådde det 1888-9, och självständigt Arnold Sommerfeld (som hjälpte till att kvantisera väteatomen) gjorde det 1904. Men med tillkomsten av Einsteins 1905 speciella relativitet var ingen tillräckligt intresserad av denna tankegång för att hämta den igen. Även när Marie Curie observerade blått ljus i en koncentrerad radiumlösning (1910) undersökte hon inte dess ursprung.
i stället föll det till en ung forskare vid namn Pavel Guiserenkov, som arbetade med luminescens av tunga element. När du exciterar ett element, exciterar dess elektroner spontant, cascading ner i energinivåer och avger ljus som de gör. Det som observerades av Bauerenkov, och sedan undersöktes, var blått ljus som inte passade enbart inom denna ram. Något annat var på spel.
kosmiska strålar, som är ultrahöga energipartiklar som härrör från hela universum, slår till… protoner i den övre atmosfären och producerar duschar av nya partiklar. De snabbt rörliga laddade partiklarna avger också ljus på grund av Cherenkov-strålning när de rör sig snabbare än ljusets hastighet i jordens atmosfär. Det finns för närvarande teleskoparrayer som byggs och expanderas för att upptäcka detta Cherenkov-ljus direkt.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Bauerenkov framställde vattenhaltiga lösningar som var rika på radioaktivitet och märkte det karakteristiska blå ljuset. När du har ett fluorescerande fenomen, där elektroner de-exciterar och avger synlig strålning, är den strålningen isotrop: samma i alla riktningar. Men med en radioaktiv källa i vatten var strålningen inte isotrop, utan kom snarare ut i kottar. Dessa kottar visade sig senare motsvara utsända laddade partiklar. Den nya formen av strålning, dåligt förstådd vid tidpunkten för upptäckten av 1934, fick därför namnet strålning från staden.
tre år senare kunde de teoretiska kollegorna Igor Tamm och Ilya Frank framgångsrikt beskriva dessa effekter inom relativitetsteorin och elektromagnetismen, vilket ledde till att detektorerna i den experimentella partikelfysiken blev en användbar och standardteknik. De tre delade Nobelpriset i fysik 1958.
1958 tilldelades Nobelpriset i fysik till de tre personer som främst ansvarar för… att avslöja de experimentella och teoretiska egenskaperna hos strålning som emitteras när laddade partiklar rör sig snabbare än ljus i ett medium. Den blå glöden, känd idag som Askorerenkov-strålning, har enorma tillämpningar inom fysiken även idag.
Nobel Media AB 2019
en sådan anmärkningsvärd företeelse är att när de första accelererade elektronerna, i de tidiga dagarna av partikelfysik i USA, skulle fysiker stänga ett öga och lägga det i vägen för var elektronstrålen borde ha varit. Om strålen var på, skulle elektronerna producera Augerenkov-strålning i den vattenhaltiga miljön i fysikerns ögonglob, och dessa ljusblinkar skulle indikera att relativistiska elektroner producerades. När effekterna av strålning på människokroppen blev bättre förstådda infördes säkerhetsåtgärder för att förhindra fysiker från att förgifta sig själva.
men det underliggande fenomenet är detsamma oavsett vart du går: en laddad partikel som rör sig snabbare än ljus rör sig i ett medium kommer att avge en kon av blå strålning, saktar ner medan man avslöjar information om dess energi och momentum. Du kan fortfarande inte bryta den ultimata kosmiska hastighetsgränsen, men om du inte är i ett sant, perfekt vakuum kan du alltid gå snabbare än ljuset. Allt du behöver är tillräckligt med energi.