Auf diese Weise verleiten Physiker Partikel dazu, schneller als Licht

Nichts kann sich schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit. Als Einstein seine Relativitätstheorie darlegte, war dies sein unantastbares Postulat: dass es eine ultimative kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung gab und dass nur massenlose Teilchen sie jemals erreichen konnten. Alle massiven Teilchen konnten sich ihm nur nähern, würden ihn aber niemals erreichen. Die Lichtgeschwindigkeit war laut Einstein für alle Beobachter in allen Referenzrahmen gleich, und keine Form von Materie konnte sie jemals erreichen.,

Aber diese Interpretation von Einstein lässt einen wichtigen Vorbehalt aus: All dies gilt nur im Vakuum des rein, vollkommen leeren Raumes. Durch ein Medium jeglicher Art — ob Luft, Wasser, Glas, Acryl oder Gas, Flüssigkeit oder Feststoff — bewegt sich Licht mit einer messbar langsameren Geschwindigkeit. Energetische Teilchen hingegen müssen sich im Vakuum nur langsamer bewegen als Licht, nicht Licht in einem Medium. Durch die Nutzung dieser Eigenschaft der Natur können wir wirklich schneller als Licht gehen.,

Stellen Sie sich einen Lichtstrahl vor, der sich direkt von der Sonne entfernt. Wenn im Vakuum des Weltraums keine Partikel oder Materie vorhanden sind, bewegt es sich tatsächlich mit der ultimativen kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzung, c: 299,792,458 m/s, der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum. Obwohl die Menschheit extrem energetische Teilchen in Kollidern und Beschleunigern produziert und noch energetischere Teilchen aus extragalaktischen Quellen entdeckt hat, wissen wir, dass wir diese Grenze nicht überschreiten können.,

Am LHC können die beschleunigten Protonen Geschwindigkeiten von bis zu 299.792.455 m/s erreichen, nur 3 m / s unter der Lichtgeschwindigkeit. Bei LEP, das Elektronen und Positronen anstelle von Protonen im selben CERN-Tunnel beschleunigte, den der LHC jetzt einnimmt, betrug die höchste Teilchengeschwindigkeit 299.792.457, 9964 m/s, was das schnellste beschleunigte Teilchen ist, das jemals erzeugt wurde. Und die energiereichste kosmische Strahlung tritt mit einer außergewöhnlichen Geschwindigkeit von 299.792.457, 999999999999918 m/s ein, was ein Rennen mit einem Photon um Andromeda und zurück um nur sechs Sekunden verlieren würde.,

Wir können Materieteilchen im Vakuum sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen,sie aber niemals erreichen oder überschreiten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir niemals schneller als Licht gehen können; Es bedeutet nur, dass wir im Vakuum nicht schneller als Licht gehen können. In einem Medium ist die Geschichte sehr unterschiedlich.

Sie können dies selbst sehen, indem Sie einen Sonnenstrahl passieren, der die Erde durch ein Prisma trifft., Während sich Licht, das sich durch die Luft bewegt, mit Geschwindigkeiten bewegt, die der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum so nahe kommen, dass sein Abgang nicht wahrnehmbar ist, biegt sich Licht durch ein Prisma deutlich. Dies liegt daran, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem dichteren Medium deutlich abfällt: Es sind nur ~225.000.000 m/s in Wasser und nur 197.000.000 m/s in Kronenglas. Diese langsame Geschwindigkeit, kombiniert mit einer Vielzahl von Erhaltungsgesetzen, sorgt dafür, dass sich Licht in einem Medium sowohl biegt als auch verteilt.

Diese Eigenschaft führt zu einer erstaunlichen Vorhersage: Die Möglichkeit, dass Sie sich schneller als Licht bewegen können, solange Sie sich in einem Medium befinden, in dem die Lichtgeschwindigkeit unter der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum liegt., Zum Beispiel verursachen viele nukleare Prozesse die Emission eines geladenen Teilchens — wie eines Elektrons-durch Fusion, Spaltung oder radioaktiven Zerfall. Während diese geladenen Teilchen energetisch und schnelllebig sein können, können sie niemals die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum erreichen.

Aber wenn Sie dieses Teilchen durch ein Medium passieren, selbst wenn es so einfach ist wie Wasser, wird es plötzlich feststellen, dass es sich schneller bewegt als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium., Solange dieses Medium aus Materieteilchen besteht und das Teilchen schneller als das Licht geladen ist, emittiert es eine spezielle Form der Strahlung, die für diese Konfiguration charakteristisch ist: Čerenkov-Strahlung (ausgesprochen Cherenkov).

Čerenkov-Strahlung erscheint charakteristisch als blaues Leuchten und wird emittiert, wenn sich ein geladenes Teilchen in einem bestimmten Medium schneller bewegt als Licht. Es wird am häufigsten wie oben im Wasser um Kernreaktoren gesehen., Die Reaktionen im Inneren verursachen die Emission von energiereichen Partikeln, die sich schneller bewegen als Licht im Wasser, aber erhebliche Mengen Wasser umgeben den Reaktor, um die äußere Umgebung vor der schädlichen Strahlungsemission zu schützen.

Das ist bemerkenswert effektiv!, Es gibt elektromagnetische Wechselwirkungen, die zwischen dem geladenen Teilchen in Bewegung und den (geladenen) Teilchen auftreten, aus denen das Medium besteht, durch das es sich bewegt, und diese Wechselwirkungen bewirken, dass das wandernde Teilchen Strahlung einer bestimmten Energie in alle zulässigen Richtungen emittiert: radial nach außen, senkrecht zur Bewegungsrichtung.

Aber da das Teilchen, das die Strahlung emittiert, in Bewegung ist und sich so schnell bewegt, werden alle diese emittierten Photonen verstärkt., Anstatt einen Ring von Photonen zu erhalten, der sich einfach nach außen bewegt, emittiert dieses Teilchen, das sich in dem Medium, durch das es sich bewegt, schneller als Licht bewegt, einen Strahlungskegel, der sich in der gleichen Bewegungsrichtung bewegt wie das Teilchen, das es emittiert.

Die Čerenkov-Strahlung tritt in einem Winkel aus, der nur durch zwei Faktoren definiert ist:

1. die Geschwindigkeit des Teilchens (Vteilchen, schneller als Licht im Medium, aber langsamer als Licht im Vakuum),
2. und die Lichtgeschwindigkeit im Medium (vlight).

Tatsächlich ist die Formel wirklich einfach: θ = cos-1 (vlight/vparticle)., Im Klartext bedeutet dies, dass der Winkel, unter dem das Licht abfällt, der umgekehrte Kosinus des Verhältnisses dieser beiden Geschwindigkeiten ist, die Lichtgeschwindigkeit im Medium zur Geschwindigkeit des Teilchens.

Es gibt ein paar wichtige Dinge zu beachten, über Čerenkov-Strahlung. Das erste ist, dass es sowohl Energie als auch Impuls trägt, was notwendigerweise von dem Teilchen kommen muss, das sich schneller bewegt als Licht im Medium., Dies bedeutet, dass Partikel, die Čerenkov-Strahlung emittieren, aufgrund ihrer Emission langsamer werden.

Die zweite ist, dass der Winkel, unter dem die Čerenkov-Strahlung emittiert wird, es uns ermöglicht, die Geschwindigkeit des Partikels zu bestimmen, das seine Emission verursacht hat. Wenn Sie das Čerenkov-Licht messen können, das von einem bestimmten Teilchen stammt, können Sie die Eigenschaften dieses Teilchens rekonstruieren., In der Praxis funktioniert dies so, dass Sie einen großen Materialtank mit Photomultiplikatorröhren (die einzelne Photonen erfassen können) einrichten können, die die Kante auskleiden, und mit der detektierten Čerenkov-Strahlung können Sie die Eigenschaften des ankommenden Partikels rekonstruieren, einschließlich der Herkunft in Ihrem Detektor.

Interessanterweise wurde Čerenkov-Strahlung bereits vor Einsteins Relativitätstheorie theoretisiert, wo sie in Dunkelheit schmachtete. Der Mathematiker Oliver Heaviside sagte es 1888-9 voraus, und Arnold Sommerfeld (der zur Quantisierung des Wasserstoffatoms beitrug) tat es 1904., Aber mit dem Aufkommen von Einsteins besonderer Relativitätstheorie von 1905 interessierte sich niemand genug für diese Denkweise, um sie wieder aufzunehmen. Selbst als Marie Curie 1910 blaues Licht in einer konzentrierten Radiumlösung beobachtete, untersuchte sie dessen Ursprung nicht.

Stattdessen fiel es einem jungen Forscher namens Pavel Čerenkov zu, der an der Lumineszenz schwerer Elemente arbeitete. Wenn Sie ein Element anregen, entregen sich seine Elektronen spontan, kaskadieren in Energieniveaus und emittieren Licht, wie sie es tun., Was Čerenkov bemerkte und dann untersuchte, war blaues Licht, das nicht nur in diesen Rahmen passte. Etwas anderes war im Spiel.

Čerenkov bereitete wässrige Lösungen vor, die reich an Radioaktivität waren, und bemerkte, dass charakteristisches blaues Licht. Wenn Sie ein fluoreszierendes Phänomen haben, bei dem Elektronen sichtbare Strahlung entregen und emittieren, ist diese Strahlung isotrop: in alle Richtungen gleich. Aber mit einer radioaktiven Quelle im Wasser war die Strahlung nicht isotrop, sondern kam in Zapfen heraus. Es wurde später gezeigt, dass diese Kegel emittierten geladenen Teilchen entsprechen., Die neue Form der Strahlung, die zum Zeitpunkt der Entdeckung von Čerenkov 1934 kaum verstanden wurde, wurde daher Čerenkov-Strahlung genannt.

Drei Jahre später konnten Čerenkovs theoretische Kollegen Igor Tamm und Ilya Frank diese Effekte erfolgreich im Kontext von Relativität und Elektromagnetismus beschreiben, was dazu führte, dass Čerenkov-Detektoren zu einer nützlichen und Standardtechnik in der experimentellen Teilchenphysik wurden. Die drei teilten sich 1958 den Nobelpreis für Physik.,

Čerenkov-Strahlung ist ein so bemerkenswertes Phänomen, dass Physiker, wenn die ersten beschleunigten Elektronen in den frühen Tagen der Teilchenphysik in den Vereinigten Staaten ein Auge schließen und es auf den Weg bringen würden, wo der Elektronenstrahl hätte sein sollen. Wenn der Strahl eingeschaltet wäre, würden die Elektronen Čerenkov-Strahlung in der wässrigen Umgebung des Augapfels des Physikers erzeugen, und diese Lichtblitze würden darauf hinweisen, dass relativistische Elektronen erzeugt würden., Sobald die Auswirkungen der Strahlung auf den menschlichen Körper besser verstanden wurden, wurden Sicherheitsvorkehrungen getroffen, um zu verhindern, dass Physiker sich selbst vergiften.

Aber das zugrunde liegende Phänomen ist das gleiche, egal wohin Sie gehen: Ein geladenes Teilchen, das sich schneller bewegt als Licht in einem Medium, emittiert einen Kegel blauer Strahlung, verlangsamt sich und enthüllt gleichzeitig Informationen über seine Energie und seinen Impuls. Sie können das ultimative kosmische Tempolimit immer noch nicht überschreiten, aber wenn Sie sich nicht in einem echten, perfekten Vakuum befinden, können Sie immer schneller als Licht fahren. Du brauchst nur genug Energie.