Avancerede Test reaktorkernen på Idaho National Laboratory ikke er lysende blå, fordi der ikke er nogen… blå lys involveret, men snarere fordi dette er en atomreaktor, der producerer relativistiske, ladede partikler, der er omgivet af vand. Når partiklerne passerer gennem det vand, overskrider de lysets hastighed i det medium, hvilket får dem til at udsende Cherenkov-stråling, der vises som dette glødende blå lys.,
Argonne National Laboratory
intet kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Da Einstein fremlagde sin relativitetsteori, var dette hans ukrænkelige postulat: at der var en ultimativ kosmisk hastighedsgrænse, og at kun masseløse partikler nogensinde kunne nå den. Alle massive partikler kunne kun nærme sig det, men ville aldrig nå det. Lysets hastighed var ifølge Einstein den samme for alle observatører i alle referencerammer, og ingen form for stof kunne nogensinde nå det.,
men denne fortolkning af Einstein udelader en vigtig advarsel: alt dette er kun sandt i vakuumet af rent, perfekt tomt rum. Gennem et medium af enhver type — uanset om det er luft, vand, glas, akryl, eller enhver gas, væske, eller fast-lys bevæger sig med en Målbart langsommere hastighed. Energiske partikler er derimod kun bundet til at rejse langsommere end lys i et vakuum, ikke lys i et medium. Ved at udnytte denne egenskab af naturen, vi virkelig kan gå hurtigere end lys.,
lys udsendt af Solen bevæger sig gennem rummets vakuum på nøjagtigt 299,792,458 m / s: den… ultimative kosmiske hastighedsgrænse. Så snart dette lys rammer et medium, herunder noget som Jordens atmosfære, vil disse fotoner falde i hastighed, når de kun bevæger sig med lysets hastighed gennem dette medium. Mens ingen massiv partikel nogensinde kan nå lysets hastighed i et vakuum, kan det let nå eller endda overstige lysets hastighed i et medium.,
Fyodor Yurchikhin/Russian Space Agency
Forestil dig en lysstråle, der rejser direkte væk fra solen. I rummets vakuum, hvis der ikke er partikler eller stof til stede, vil det faktisk bevæge sig ved den ultimative kosmiske hastighedsgrænse, c: 299.792.458 m/s, lysets hastighed i et vakuum. Selvom menneskeheden har produceret ekstremt energiske partikler i kollidere og acceleratorer — og opdaget endnu mere energiske partikler, der kommer fra ekstragalaktiske kilder — ved vi, at vi ikke kan bryde denne grænse.,
Ved LHC kan de accelererede protoner nå hastigheder op til 299.792.455 m/s, kun 3 m / s under lysets hastighed. Ved LEP, som accelererede elektroner og positroner i stedet for protoner i den samme CERN-tunnel, som LHC nu optager, var den øverste partikelhastighed 299.792.457.9964 m/s, som er den hurtigste accelererede partikel nogensinde skabt. Og den højeste energi kosmiske stråle klokker ind med en ekstraordinær hastighed på 299.792.457. 999999999999918 m / s, hvilket ville miste et løb med en foton til Andromeda og tilbage med kun seks sekunder.,
alle masseløse partikler bevæger sig med lysets hastighed, men lysets hastighed ændres afhængigt af… uanset om det rejser gennem vakuum eller et medium. Hvis du skulle køre den højeste energi kosmiske strålepartikel nogensinde opdaget med en foton til Andromeda-galaksen og tilbage, en rejse på ~5 millioner lysår, ville partiklen miste løbet med cirka 6 sekunder.,
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Vi kan fremskynde stof-partikler, meget tæt på lysets hastighed i et vakuum, men kan aldrig nå eller overstige det. Dette betyder dog ikke, at vi aldrig kan gå hurtigere end lys; det betyder kun, at vi ikke kan gå hurtigere end lys i et vakuum. I et medium er historien ekstremt anderledes.
Du kan se dette for dig selv ved at passere en solstråle, der rammer jorden gennem et prisme., Mens lys, der bevæger sig gennem luften, muligvis rejser i hastigheder så tæt på lysets hastighed i et vakuum, at dets afgang er umærkelig, bøjer lys gennem et prisme tydeligt. Dette skyldes det faktum, at lysets hastighed falder markant i et tættere medium: det er kun ~225.000.000 m/s i vand og kun 197.000.000 m/s i kronglas. Denne langsomme hastighed kombineret med en række bevaringslove sikrer, at lys både bøjer og spredes i et medium.
opførelsen af hvidt lys, når det passerer gennem et prisme, viser, hvor lys af forskellige…, energier bevæger sig i forskellige hastigheder gennem et medium, men ikke gennem et vakuum. Ne .ton var den første til at forklare refleksion, brydning, absorption og transmission samt hvidt lys evne til at bryde op i forskellige farver.
University of Iowa
Denne ejendom fører til en fantastisk forudsigelse: den mulighed, at du kan bevæge sig hurtigere end lyset, så længe du er i et medie, hvor lysets hastighed er under lysets hastighed i et vakuum., For eksempel forårsager mange nukleare processer emission af en ladet partikel — såsom en elektron — gennem fusion, fission eller radioaktivt henfald. Selvom disse ladede partikler kan være energiske og hurtige, kan de aldrig nå lysets hastighed i et vakuum.
men hvis du passerer den partikel gennem et medium, selvom det er noget så simpelt som vand, vil det pludselig opdage, at det bevæger sig hurtigere end lysets hastighed i det medium., Så længe dette medium består af stofpartikler, og den hurtigere end lette partikel lades, udsender den en speciel form for stråling, der er karakteristisk for denne konfiguration :ererenkov (udtalt Cherenkov) stråling.
reaktor nuclear e .perimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, der viser karakteristikken… Cherenkov stråling fra de hurtigere-end-lys-i-vand partikler udsendes. Neutrinerne (eller mere præcist antineutrinos), der først blev antaget af Pauli i 1930, blev påvist fra en lignende atomreaktor i 1956., Moderne eksperimenter fortsætter med at observere en neutrino-mangel, men arbejder hårdt for at kvantificere den som aldrig før, mens påvisning af Cherenkov-stråling har revolutioneret partikelfysik.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Čerenkov stråling karakteristisk vises som en blå skær, og bliver der udsendes, når en ladet partikel, der bevæger sig hurtigere end lys i et bestemt medium. Det er mest almindeligt set, som ovenfor, i vandet omkring atomreaktorer., Reaktionerne inde forårsager emission af højenergipartikler, der bevæger sig hurtigere end lys i vand, men betydelige mængder vand omgiver reaktoren for at beskytte det ydre miljø mod den skadelige emission af stråling.
Dette er bemærkelsesværdigt effektivt!, Der er elektromagnetiske vekselvirkninger, der opstår mellem de ladede partikel i bevægelse (ladede) partikler op mellemlang det rejser igennem, og de interaktioner forårsage rejser partikel udsender stråling med en bestemt energi i alle tilladte retninger: radialt udad, vinkelret på retningen af dens bevægelse.
denne animation viser, hvad der sker, når en relativistisk, ladet partikel bevæger sig hurtigere end lys… i et medium., Interaktionerne får partiklen til at udsende en kegle af stråling kendt som Cherenkov-stråling, som er afhængig af hastigheden og energien i den indfaldende partikel. Detektering af egenskaberne ved denne stråling er en enormt nyttig og udbredt teknik i eksperimentel partikelfysik.
vlastni dilo / H. Seldon/public domain
Men da den partikel, der udsender strålingen, er i bevægelse, og da den bevæger sig så hurtigt, vil alle de udsendte fotoner blive boostet., I stedet for at få en ring af fotoner, der simpelthen bevæger sig udad, vil denne partikel — der bevæger sig hurtigere end lyset i det medium, den bevæger sig igennem — udsende en strålekegle, der bevæger sig i samme bevægelsesretning som den partikel, der udsender den.
Čerenkov stråling kommer ud i en vinkel, der er defineret af to faktorer kun:
- hastigheden af partiklen (vparticle, hurtigere end lys i mediet, men langsommere end lyset i vakuum),
- og lysets hastighed i mediet (vlight).
faktisk er formlen virkelig enkel: = = cos-1 (vlight/vpartikel)., På almindeligt engelsk betyder det, at den vinkel, som lyset slukker ved, er den inverse cosinus af forholdet mellem disse to hastigheder, lysets hastighed i mediet til partiklens hastighed.
den vandfyldte tank på Super Kamiokande, som har sat de strengeste grænser for levetiden… af protonen. Denne enorme tank er ikke kun fyldt med væske, men foret med fotomultiplikatorrør., Når der opstår en interaktion, såsom en neutrino-strejke, et radioaktivt henfald eller (teoretisk) et protonfald, produceres Cherenkov-lys og kan detekteres af fotomultiplikatorrørene, som giver os mulighed for at rekonstruere partiklens egenskaber og oprindelse.
ICRR, Kamioka Observatory, University of Tokyo
Der er et par vigtige ting at bemærke om radiationerenkov-stråling. Den første er, at den bærer både energi og momentum, som nødvendigvis må komme fra partiklen, der bevæger sig hurtigere end lyset i mediet., Dette betyder, at partikler, der udsender radiationerenkov-stråling, sænkes på grund af dens emission.
det andet er, at vinklen, som Čerenkov-strålingen udsendes på, giver os mulighed for at bestemme hastigheden af den partikel, der forårsagede dens emission. Hvis du kan måle Čerenkov-lyset, der stammer fra en bestemt partikel, kan du rekonstruere partiklens egenskaber., Den måde det fungerer på i praksis, er, at du kan oprette en stor tank af materiale med fotomultiplikatorrør (detektering af enkelte fotoner) langs kanten, og de fundne Čerenkov stråling giver dig mulighed for at rekonstruere egenskaber af den indkommende partikel, herunder hvor den kom fra i din detektor.
en neutrino begivenhed, identificerbare ved ringene af Cerenkov stråling, der dukker op langs… photomultiplier rør foring detektoren vægge, fremvise den vellykkede metode neutrino astronomi og udnytte brugen af Cherenkov stråling., Dette billede viser flere begivenheder, og er en del af suite af eksperimenter baner vores vej til en større forståelse af neutrinoer.
Super Kamiokande-samarbejde
interessant nok blev radiationerenkov-stråling teoretiseret allerede før Einsteins relativitetsteori, hvor den sløvede i uklarhed. Matematiker Oliver Heaviside forudsagde det i 1888-9, og uafhængigt Arnold Sommerfeld (som hjalp med at kvantisere hydrogenatomet) gjorde det i 1904., Men med fremkomsten af Einsteins særlige relativitet fra 1905 var ingen interesseret nok i denne tankegang til at samle den op igen. Selv da Marie Curie observerede blåt lys i en koncentreret radiumopløsning (i 1910), undersøgte hun ikke dens oprindelse.
i stedet faldt det til en ung forsker ved navn Pavelererenkov, der arbejdede på luminescensen af tunge elementer. Når du ophidser et element, de-e .citerer dets elektroner spontant, cascading ned i energiniveauer og udsender lys som de gør., Hvad Čerenkov bemærkede, og derefter undersøgte, var blåt lys, der ikke passede udelukkende inden for denne ramme. Noget andet var på spil.
kosmiske stråler, som er ultrahøje energipartikler, der stammer fra hele universet, strejke… protoner i den øvre atmosfære og producerer brusere af nye partikler. De hurtigt bevægelige ladede partikler udsender også lys på grund af Cherenkov-stråling, når de bevæger sig hurtigere end lysets hastighed i Jordens atmosfære. Der er i øjeblikket teleskoparrayer ved at blive bygget og udvidet for at detektere dette Cherenkov-lys direkte.,
Simon s Chicagoordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov fremstillede vandige opløsninger, der var rige på radioaktivitet, og bemærkede det karakteristiske blå lys. Når du har et fluorescerende fænomen, hvor elektroner de-e .citerer og udsender synlig stråling, er strålingen isotrop: den samme i alle retninger. Men med en radioaktiv kilde i vand var strålingen ikke isotrop, men kom snarere ud i kegler. Disse kegler blev senere vist at svare til udsendte ladede partikler., Den nye form for stråling, dårligt forstået på tidspunktet for discoveryerenkovs opdagelse i 1934, blev derfor navngivet radiationerenkov-stråling.tre år senere kunne theoreticalerenkovs teoretiske kolleger Igor Tamm og Ilya Frank med succes beskrive disse effekter inden for rammerne af relativitet og elektromagnetisme, hvilket førte til, atererenkov-detektorer blev en nyttig og standardteknik i eksperimentel partikelfysik. De tre delte Nobelprisen i fysik i 1958.,
i 1958 blev Nobelprisen i fysik tildelt de tre personer, der primært var ansvarlige for… afsløring af de eksperimentelle og teoretiske egenskaber ved stråling, der udsendes, når ladede partikler bevæger sig hurtigere end lys i et medium. Den blå glød, der i dag er kendt som radiationerenkov-stråling, har enorme anvendelser i fysik selv i dag.,
Nobel Media AB 2019
Čerenkov stråling er sådan et bemærkelsesværdigt fænomen, at når den første accelererede elektroner, i de tidlige dage af partikel fysik i Usa, fysikere ville lukke det ene øje, og sætte det i den retning, hvor elektronstrålen burde have været. Hvis strålen var tændt, ville elektronerne producere radiationerenkov-stråling i det vandige miljø i fysikens øjeæble, og disse lysglimt ville indikere, at relativistiske elektroner blev produceret., Når virkningerne af stråling på menneskekroppen blev bedre forstået, blev der indført sikkerhedsforanstaltninger for at forhindre fysikere i at forgifte sig selv.
men det underliggende fænomen er det samme, uanset hvor du går: en ladet partikel, der bevæger sig hurtigere end lysbevægelser i et medium, udsender en kegle af blå stråling, hvilket bremser, mens den afslører information om dens energi og momentum. Du kan stadig ikke bryde den ultimative kosmiske hastighedsgrænse, men medmindre du er i et ægte, perfekt vakuum, kan du altid gå hurtigere end lys. Alt hvad du behøver er nok energi.