Az Idaho Nemzeti Laboratórium fejlett Tesztreaktor magja nem világít kék, mert vannak ilyenek… kék fények részt, hanem azért, mert ez egy atomreaktor termelő relativisztikus, töltött részecskék, amelyek körül a víz. Amikor a részecskék áthaladnak a vízen, meghaladják a fénysebességet abban a közegben, ami Cherenkov sugárzást bocsát ki, amely úgy tűnik, mint ez az izzó kék fény.,
Argonne Nemzeti Laboratórium
semmi sem mozoghat gyorsabban, mint a fénysebesség. Amikor Einstein megfogalmazta relativitáselméletét, ez volt az ő sérthetetlen posztulátuma: hogy létezik egy végső kozmikus sebességkorlátozás, és hogy csak a tömeg nélküli részecskék képesek elérni azt. Minden hatalmas részecskék csak megközelíteni, de soha nem éri el. Einstein szerint a fénysebesség minden referenciakeretben azonos volt minden megfigyelőnél, és az anyag egyetlen formája sem tudta elérni.,
de Einstein ezen értelmezése elmulaszt egy fontos kikötést: mindez csak a tisztán, tökéletesen üres tér vákuumában igaz. Bármilyen típusú közegen keresztül-legyen az Levegő, víz, üveg, akril, vagy bármilyen gáz, folyadék vagy szilárd — a fény mérhetően lassabb sebességgel halad. Az energikus részecskék viszont csak lassabban haladnak, mint a fény vákuumban, nem pedig közegben. A természet ezen tulajdonságának kihasználásával valóban gyorsabban tudunk menni, mint a fény.,
A Nap által kibocsátott fény pontosan 299,792,458 m/s sebességgel halad át a tér vákuumán: az… végső kozmikus sebességkorlátozás. Amint ez a fény egy közegbe ütközik, beleértve a Föld légkörét is, ezek a fotonok sebességgel csökkennek, mivel csak a fénysebességgel mozognak ezen a közegen keresztül. Bár egyetlen hatalmas részecske sem képes elérni a fénysebességet vákuumban, könnyen elérheti vagy akár meghaladhatja a fénysebességet egy közegben.,
Fyodor Yurchikhin/orosz űrügynökség
Képzeljünk el egy fénysugarat, amely közvetlenül a naptól távol halad. A tér vákuumában, ha nincsenek részecskék vagy anyagok, akkor valóban a végső kozmikus sebességhatáron, C: 299,792,458 m/s sebességgel halad, vákuumban. Bár az emberiség rendkívül energikus részecskéket állított elő ütközőkben és gyorsítókban — és még energikusabb részecskéket észlelt extragalaktikus forrásokból—, tudjuk, hogy ezt a korlátot nem tudjuk megtörni.,
az LHC-nél a gyorsított protonok akár 299,792,455 m/s sebességet is elérhetnek, mindössze 3 m/s sebességgel a fénysebesség alatt. A LEP-nél, amely az LHC által jelenleg elfoglalt CERN-alagútban lévő protonok helyett elektronokat és pozitronokat gyorsított fel, a legnagyobb részecske-sebesség 299,792,457. 9964 m/s volt, ami a valaha létrehozott leggyorsabb gyorsított részecske. A legnagyobb energiájú kozmikus sugár 299,792,457.9999999999999999918 m/s rendkívüli sebességgel működik, ami egy fotonnal elveszíti a versenyt az Androméda felé, és csak hat másodperccel tér vissza.,
minden tömeg nélküli részecske fénysebességgel halad, de a fény sebessége attól függően változik… akár vákuumban, akár közegben utazik. Ha a valaha felfedezett legnagyobb energiájú kozmikus sugárzású részecskét fotonnal versenyeznénk az Androméda galaxis felé, és vissza, ~5 millió fényévnyi útra, a részecske körülbelül 6 másodperccel elveszítené a versenyt.,
NASA / Sonoma Állami Egyetem / Aurore Simonnet
felgyorsíthatjuk az anyagrészecskéket nagyon közel a fénysebességhez vákuumban, de soha nem érhetjük el vagy nem haladhatjuk meg. Ez azonban nem jelenti azt, hogy soha nem tudunk gyorsabban menni, mint a fény; ez csak azt jelenti,hogy vákuumban nem tudunk gyorsabban menni, mint a fény. Egy médiumban a történet rendkívül más.
ezt láthatja magának egy napsugár áthaladásával, amely a Földet egy prizmán keresztül érinti., Míg a levegőn áthaladó fény olyan sebességgel haladhat, hogy vákuumban olyan közel van a fénysebességhez, hogy távozása észrevehetetlen, a prizmán keresztüli fény egyértelműen meghajlik. Ez annak köszönhető, hogy a fénysebesség jelentősen csökken sűrűbb közegben: csak ~225 000 000 m/s vízben, mindössze 197 000 000 m/s koronaüvegben. Ez a lassú sebesség, kombinálva a különböző védelmi törvényekkel, biztosítja, hogy a fény mind kanyarokban, mind szétszóródjon egy közegben.
a fehér fény viselkedése, amikor áthalad egy prizmán, megmutatja,hogy a különböző fény milyen…, az energiák különböző sebességgel mozognak egy közegen keresztül, de nem vákuumban. Newton volt az első, aki elmagyarázta a visszaverődést, a fénytörést, az abszorpciót és az átvitelt, valamint azt, hogy a fehér fény különböző színekre bomlik.
Iowai Egyetem
Ez a tulajdonság csodálatos előrejelzéshez vezet: az a lehetőség, hogy gyorsabban mozoghat, mint a fény, mindaddig, amíg olyan közegben tartózkodik, ahol a fénysebesség vákuumban a fénysebesség alatt van., Például sok nukleáris folyamat egy töltött részecske – például elektron-kibocsátását okozza fúzió, hasadás vagy radioaktív bomlás útján. Bár ezek a töltött részecskék energikusak és gyorsan mozognak, vákuumban soha nem érik el a fénysebességet.
de ha átmegy a részecskén egy közegen, még akkor is, ha olyan egyszerű, mint a víz, hirtelen rájön, hogy gyorsabban mozog, mint a fénysebesség ebben a közegben., Mindaddig, amíg ez a közeg anyagrészecskékből áll, és a fénynél gyorsabb részecske töltődik, egy speciális sugárzási formát bocsát ki, amely jellemző erre a konfigurációra: Čerenkov (ejtsd: Cherenkov) sugárzás.
Reaktor nukleáris kísérleti RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, mutató jellemző… Cherenkov sugárzás a gyorsabb, mint a fény-in-víz részecskék kibocsátott. A neutrínókat (vagy pontosabban az antineutrinókat) először 1930-ban fedezték fel egy hasonló atomreaktorból 1956-ban., A modern kísérletek továbbra is megfigyelik a neutrínóhiányt, de keményen dolgoznak annak számszerűsítésére, mint még soha, míg a Cherenkov-sugárzás kimutatása forradalmasította a részecskefizikát.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Čerenkov sugárzás jellegzetesen kék fényként jelenik meg, és akkor bocsát ki, amikor egy töltött részecske gyorsabban halad, mint a fény egy adott közegben. Ez a leggyakrabban látható, mint fent, a víz környező atomreaktorok., A belső reakciók olyan nagy energiájú részecskék kibocsátását okozzák, amelyek gyorsabban mozognak, mint a vízben lévő fény, de jelentős mennyiségű víz veszi körül a reaktort annak érdekében, hogy megóvja a külső környezetet a káros sugárzástól.
Ez rendkívül hatékony!, Vannak elektromágneses kölcsönhatások között történik, a töltött részecske mozgása a (feltöltve) részecskék, hogy a közepes halad keresztül, valamint azokat a kölcsönhatásokat, mert az utazás részecskét bocsát ki sugárzást egy adott energia minden megengedett irányban: radiálisan kifelé, merőleges irányban a mozgás.
Ez az animáció bemutatja, mi történik, ha egy relativisztikus, feltöltött részecske gyorsabban mozog, mint a fény… egy közegben., A kölcsönhatások hatására a részecske egy Cserenkov-sugárzásnak nevezett sugárkúpot bocsát ki, amely a becsapódó részecske sebességétől és energiájától függ. A sugárzás tulajdonságainak kimutatása rendkívül hasznos és széles körben elterjedt technika a kísérleti részecskefizikában.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
de mivel a sugárzást kibocsátó részecske mozgásban van, és mivel ilyen gyorsan mozog, az összes kibocsátott foton fokozódni fog., Ahelyett, hogy egy egyszerűen kifelé mozgó fotongyűrűt kapna, ez a részecske-gyorsabban mozog, mint a fény az áthaladó közegben-egy olyan sugárzási kúpot bocsát ki, amely ugyanabban a mozgási irányban halad, mint az azt kibocsátó részecske.
a Čerenkov-sugárzás csak két tényező által meghatározott szögben jön ki:
- a részecske sebessége (vparticle, gyorsabb, mint a közegben lévő fény, de lassabb, mint a vákuumban lévő fény),
- és a közegben lévő fénysebesség (vlight).
valójában a képlet nagyon egyszerű: θ = cos-1 (vlight/vparticle)., Egyszerű angol nyelven ez azt jelenti, hogy az a szög, amelyen a fény kialszik, a két sebesség arányának inverz koszinusa, a közegben lévő fény sebessége a részecske sebességéhez képest.
A Super Kamiokande vízzel töltött tartálya, amely a legszigorúbb határértékeket határozta meg az élettartamra… a proton. Ez a hatalmas tartály nem csak folyadékkal van feltöltve, hanem fotomultiplier csövekkel van bélelve., Amikor kölcsönhatás lép fel, mint például neutrínóütés, radioaktív bomlás, vagy (elméletileg) proton-bomlás, Cherenkov-fény keletkezik, és a fotomultiplier-csövekkel detektálható, amelyek lehetővé teszik a részecske tulajdonságainak és eredetének rekonstruálását.
ICRR, Kamioka Observatory, University of Tokyo
van néhány fontos dolog, hogy észre Čerenkov sugárzás. Az első az, hogy mind energiát, mind lendületet hordoz, amelynek szükség szerint a részecskéből kell származnia, amely gyorsabban mozog, mint a közegben lévő fény., Ez azt jelenti, hogy a Čerenkov sugárzást kibocsátó részecskék kibocsátása miatt lelassulnak.
a második az, hogy a Čerenkov sugárzás által kibocsátott szög lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk a kibocsátást okozó részecske sebességét. Ha meg tudja mérni a Čerenkov fényt, amely egy adott részecskéből származik, rekonstruálhatja a részecske tulajdonságait., Így működik a gyakorlatban, hogy hozzanak létre egy nagy tartály anyagának fotoelektron-sokszorozók (képes észlelni az egyes fotonok) bélés a széle, valamint az észlelt Čerenkov sugárzás lehetővé teszi, hogy rekonstruálni tulajdonságait a bejövő részecske, beleértve, hogy honnan ered a detektor.
neutrínó esemény, azonosítható a Cerenkov-sugárzás gyűrűivel, amelyek a mentén jelennek meg… a detektor falait bélelő fotomultiplier csövek bemutatják a neutrínócsillagászat sikeres módszertanát és a Cherenkov-sugárzás használatát., Ez a kép több eseményt mutat be, és része a kísérleteknek, amelyek utat nyitnak a neutrínók nagyobb megértéséhez.
Super Kamiokande collaboration
érdekes módon a Čerenkov-sugárzást még Einstein relativitáselmélete előtt elméletezték, ahol homályban maradt. Oliver Heaviside matematikus 1888-9-ben jósolta meg, Arnold Sommerfeld (aki segített a hidrogénatom kvantálásában) pedig 1904-ben., De Einstein 1905-ös Speciális relativitásának megjelenésével senki sem érdekelte eléggé ezt a gondolatot, hogy újra felvegye. Még akkor is, amikor Marie Curie kék fényt figyelt meg koncentrált rádiumoldatban (1910-ben), nem vizsgálta annak eredetét.
ehelyett egy fiatal kutatóra, Pavel Čerenkovra esett, aki a nehéz elemek lumineszcenciáján dolgozott. Amikor egy elemet gerjesztünk, az elektronjai spontán módon elájulnak, az energiaszintek csökkennek, és fényt bocsátanak ki, mint ők., Čerenkov észrevette, majd megvizsgálta a kék fényt, amely nem illeszkedett kizárólag ebbe a keretbe. Valami más volt a játékban.
kozmikus sugarak, amelyek rendkívül nagy energiájú részecskék, amelyek az egész univerzumból származnak, sztrájkolnak… protonok a felső atmoszférában, és új részecskéket bocsátanak ki. A gyorsan mozgó töltött részecskék a Cherenkov-sugárzás miatt is fényt bocsátanak ki, mivel gyorsabban mozognak, mint a Föld légkörében a fénysebesség. Jelenleg teleszkópos tömböket építenek és bővítenek, hogy ezt a Cherenkov-fényt közvetlenül észleljék.,
Simon Swordy( U. Chicago), NASA
Čerenkov radioaktivitásban gazdag vizes oldatokat készített, és észrevette ezt a jellegzetes kék fényt. Ha van egy fluoreszkáló jelenség, ahol az elektronok de-gerjeszti, és bocsátanak ki látható sugárzás, hogy a sugárzás izotróp: ugyanaz minden irányban. De egy radioaktív forrás a vízben, a sugárzás nem volt izotróp, hanem jött ki kúpok. Ezek a kúpok később kimutatták, hogy megfelelnek a kibocsátott töltött részecskéknek., A sugárzás új formáját, amelyet Čerenkov 1934-es felfedezésének idején kevéssé ismertek, ezért Čerenkov sugárzásnak nevezték.
három évvel később Čerenkov elméleti kollégái, Igor Tamm és Ilya Frank sikeresen leírták ezeket a hatásokat a relativitáselmélet és az elektromágnesesség összefüggésében, ami azt eredményezte, hogy a Čerenkov detektorok hasznos és szabványos technikává váltak a kísérleti részecskefizikában. A három osztotta meg a fizikai Nobel-díjat 1958-ban.,
1958-ban a fizikai Nobel-díjat a három elsősorban felelős személynek ítélték oda… a kibocsátott sugárzás kísérleti és elméleti tulajdonságainak feltárása, amikor a töltött részecskék gyorsabban mozognak, mint egy közegben a fény. A kék fény, amelyet ma Čerenkov sugárzásnak neveznek, még ma is hatalmas alkalmazásokkal rendelkezik a fizikában.,
Nobel Media AB 2019
Čerenkov sugárzás olyan figyelemre méltó jelenség,hogy amikor az első gyorsított elektronok, az első napokban a részecskefizika az Egyesült Államokban, fizikusok bezárja az egyik szemét, és tedd az utat, ahol az elektronsugár kellett volna. Ha a sugár be lenne kapcsolva, az elektronok Čerenkov sugárzást hoznának létre a fizikus szemgolyójának vizes környezetében, és ezek a fényhullámok azt jeleznék, hogy relativisztikus elektronok keletkeznek., Miután a sugárzás emberi testre gyakorolt hatásai jobban megértésre kerültek, biztonsági óvintézkedéseket vezettek be annak megakadályozására, hogy a fizikusok maguk mérgezzék magukat.
de a mögöttes jelenség ugyanaz, függetlenül attól, hogy hová megy: egy közegben a fénynél gyorsabban mozgó töltött részecske kék sugárzást bocsát ki, lelassul, miközben információkat fed fel energiájáról és lendületéről. Még mindig nem tudod megtörni a végső kozmikus sebességkorlátozást, de ha nem vagy egy igazi, tökéletes vákuumban, akkor mindig gyorsabban megy, mint a fény. Csak annyi energiára van szüksége.