The Advanced Test reaktorkjernen i Idaho National Laboratory ikke er glødende blå fordi det er noen… blått lys som er involvert, men heller fordi dette er en kjernefysisk reaktor som produserer relativistiske, ladede partikler som er omgitt av vann. Når partiklene passerer gjennom at vann, de overskride lysets hastighet i det medium, noe som fører dem til å slippe ut Cherenkov-stråling, som ser ut som dette glødende blå lys.,
Argonne National Laboratory
Ingenting kan bevege seg raskere enn lysets hastighet. Når Einstein fastsatt sin relativitetsteori, dette var hans ukrenkelige postulat: at det var en ultimate kosmiske fartsgrensen, og at bare massless partikler noensinne kunne oppnå det. Alle massive partikler kan bare nærme seg det, men vil aldri nå det. Lysets hastighet, ifølge Einstein, var den samme for alle observatører i alle referanse rammer, og ingen form for materie som noensinne kunne oppnå det.,
Men denne tolkningen av Einstein utelater en viktig påminnelse: alt dette er bare sant i vakuum rent, perfekt tomme rommet. Gjennom et medium av enhver type — om det er luft, vann, glass, akryl, eller hvilken som helst gass, væske eller fast — lys reiser på et målbart lavere hastighet. Energetiske partikler, på den annen side, er bare nødt til å reise tregere enn lyset i et vakuum, ikke lys i et medium. Ved å utnytte denne egenskapen i naturen, er vi virkelig kan gå raskere enn lyset.,
Lys som sendes ut fra Solen reiser gjennom vakuum plass på nøyaktig 299,792,458 m/s: de… ultimate kosmiske fartsgrensen. Så snart som lyset treffer et medium, men, inkludert noe som Jordens atmosfære, de fotoner vil falle i fart som de beveger seg bare i lysets hastighet gjennom det medium. Mens ingen massiv partikkel noen gang kan oppnå lysets hastighet i vakuum, kan det lett oppnå eller til og med overstige lysets hastighet i et medium.,
Fjodor Yurchikhin / russiske romorganisasjonen
Tenk deg en stråle av lys som reiser direkte vekk fra Solen. I vakuum plass, hvis ingen partikler eller saken er til stede, vil det faktisk reise på den ultimate kosmiske speed-limit c: 299,792,458 m/s, lysets hastighet i vakuum. Selv om menneskeheten har produsert ekstremt energirike partikler i colliders og hurtigvalg — og oppdaget enda mer energirike partikler som kommer fra extragalactic kilder — vi vet at vi ikke kan bryte denne grensen.,
Ved LHC, akselerert protoner kan nå hastigheter opp til 299,792,455 m/s, bare 3 m/s nedenfor lysets hastighet. Ved LEP, noe som akselererte elektroner og positrons i stedet for protoner i samme CERN tunnel som LHC opptar nå, topp partikkel hastigheten var 299,792,457.9964 m/s, som er den raskeste akselerert partikkel som noensinne er laget. Og den høyeste energi cosmic ray-klokker inn med en ekstraordinær hastighet på 299,792,457.999999999999918 m/s, som ville miste en rase med et foton å Andromeda og tilbake med bare seks sekunder.,
Alle massless partikler som reiser i lysets hastighet, men hastigheten på lyset forandrer seg avhengig av… enten det er å reise gjennom vakuum eller et medium. Hvis du var å rase høyest energi cosmic ray partikkel som noensinne er oppdaget med et foton til Andromeda galaksen og tilbake, en reise på ~5 millioner lysår, partikkel ville miste løpet av ca 6 sekunder.,
NASA/Sonoma State University (universitet/Aurore Simonnet
Vi kan akselerere materie partikler svært nær lysets hastighet i vakuum, men kan aldri nå eller overgå det. Men, dette betyr ikke at vi aldri kan gå raskere enn lyset; det betyr bare at vi ikke kan gå fortere enn lyset i vakuum. I et medium, historien er svært forskjellige.
Du kan se dette for deg selv ved å sende en stråle av sollys som treffer Jorden gjennom et prisme., Mens lyset beveger seg gjennom luften kan være å reise i hastigheter så nær lysets hastighet i vakuum som sin avgang er umerkelig, lys gjennom et prisme tydelig svinger. Dette er på grunn av at hastigheten på lyset faller betydelig i et tettere medium: det er bare ~225,000,000 m/s i vann og bare 197,000,000 m/s crown glass. Dette langsom fart, kombinert med en rekke bevaringslover, sikrer at lys både svinger og sprer i et medium.
virkemåten av hvitt lys som passerer gjennom et prisme viser hvordan lys av ulike…, energi beveger seg i forskjellige hastigheter gjennom et medium, men ikke gjennom et vakuum. Newton var den første til å forklare refleksjon, brytning, absorpsjon og transmisjon, så vel som evne til hvitt lys for å bryte opp i forskjellige farger.
University of Iowa
Denne egenskapen fører til en fantastisk prediksjon: muligheten for at du kan bevege seg raskere enn lyset, så lenge du er i et medium hvor lysets hastighet er under lysets hastighet i vakuum., For eksempel, mange kjernefysiske prosesser føre til utslipp av en ladet partikkel, for eksempel et elektron — gjennom fusjon, fisjon, eller radioaktiv nedbrytning. Mens disse ladede partikler kan være energisk og raske, de kan aldri nå lysets hastighet i vakuum.
Men hvis du passerer partikkel gjennom et medium, selv om det er noe så enkelt som vann, vil det plutselig finner ut at det beveger seg raskere enn lysets hastighet i som medium., Så lenge som medium består av materie partikler og raskere enn lyset-partikkel er ladet opp, vil den avgi en spesiell form for stråling som er karakteristisk for denne konfigurasjonen: Čerenkov (uttales Cherenkov) stråling.
kjernefysiske Reaktoren eksperimentelle RA-6 (Republica Argentina 6), no marcha, som viser karakteristiske… Cherenkov-stråling fra hurtigere enn lyset-i-vann partikler som slippes ut. Den neutrinos (eller mer nøyaktig, antineutrinos) første hypotese ved Pauli i 1930 ble funnet i en tilsvarende kjernefysiske reaktoren i 1956., Moderne eksperimenter fortsett å observere en neutrino mangel, men arbeider hardt for å tallfeste det som aldri før, mens påvisning av Cherenkov-stråling har revolusjonert partikkelfysikk.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Čerenkov stråling karakteristisk vises som en blå glød, og får som avgis når en ladet partikkel reiser raskere enn lyset i et bestemt medium. Det er som oftest sett på som ovenfor, i vannet rundt kjernefysiske reaktorer., Reaksjonene på innsiden føre til utslipp av høy-energi partikler som beveger seg raskere enn lyset i vann, men betydelige mengder vann surround-reaktoren for å beskytte ytre miljø mot skadelige utslipp av stråling.
Dette er utrolig effektiv!, Det er elektromagnetisk interaksjoner som forekommer mellom ladet partikkel i bevegelse og (belastet) partikler, noe som gjør opp for det mediet det er å reise gjennom, og de vekselsvirkningene føre til at de reiser partikkel til avgir stråling med en bestemt energi i alle tillatte retninger: radielt utover, vinkelrett på retningen av sin bevegelse.
Denne animasjonen viser hva som skjer når en relativistiske, ladet partikkel beveger seg raskere enn lyset… i et medium., Interaksjoner føre til partikkelen til å slippe ut en membran av stråling kjent som Cherenkov-stråling, som er avhengig av fart og energi av hendelsen partikkel. Å oppdage egenskapene til denne stråling er en enormt nyttig og utbredt teknikk i eksperimentell partikkelfysikk.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
Men siden partikkelen avgir stråling som er i bevegelse, og siden det går så fort, og alle de slippes ut fotoner kommer til å bli styrket., I stedet for å få en ring av fotoner som bare beveger seg utover, dette partikkel som beveger seg raskere enn lyset i medium det reiser gjennom — vil avgi en membran av stråling som går i samme retning som bevegelsen som partikkelen emitting det.
Čerenkov stråling kommer ut i en vinkel som er definert av to faktorer for kun:
- hastigheten til partikkelen (vparticle, raskere enn lyset i medium, men lavere enn lyset i vakuum),
- og hastigheten på lyset i medium (vlight).
faktisk oppskriften er veldig enkel: θ = cos-1 (vlight/vparticle)., I vanlig engelsk, dette betyr at vinkelen at lyset kommer ut på er invers cosinus av forholdet mellom de to hastigheter, lysets hastighet i middels til hastigheten til partikkelen.
vann-fylt tanken på Super Kamiokande, som har satt den mest omfattende begrensninger på livstid… av proton. Denne enorme tanken er ikke bare fylt med væske, men foret med photomultiplier rør., Når en interaksjon oppstår, for eksempel en neutrino strike, en radioaktiv nedbrytning, eller (teoretisk) en proton forfall, Cherenkov lys er produsert, og kan bli gjenkjent av photomultiplier rør som tillater oss å rekonstruere partikkel egenskaper og opprinnelse.
ICRR, Kamioka Observatorium, Universitetet i Tokyo
Det er noen viktige ting å merke seg om Čerenkov stråling. Den første er at det bærer både energi og fart, noe som med nødvendighet må komme fra partikkel som beveger seg raskere enn lyset i mediet., Dette betyr at partikler som slipper ut Čerenkov stråling bremse ned på grunn av sine utslipp.
Det andre er at den vinkelen som den Čerenkov stråling som avgis ved tillater oss å bestemme hastigheten til partikkelen som forårsaket sine utslipp. Hvis du kan måle Čerenkov lys som kommer fra en bestemt partikkel, kan du rekonstruere at partikkelen egenskaper., Måten dette fungerer på i praksis, er at du kan sette opp en stor tank materiale med photomultiplier rør (stand til å oppdage enkelte fotoner) langs kanten, og oppdaget Čerenkov stråling gir deg mulighet til å rekonstruere egenskaper av innkommende partikkel, inkludert hvor det stammer fra i detektoren.
En neutrino hendelse, identifiserbar ved ringene på Cerenkov stråling som dukker opp underveis… photomultiplier rør fôr detektoren vegger, vise frem vellykket metode for neutrino astronomi og utnytte bruken av Cherenkov-stråling., Dette bildet viser flere hendelser, og er en del av pakken av eksperimenter og banet vei til en større forståelse av neutrinos.
Super Kamiokande samarbeid
det er Interessant nok, Čerenkov stråling ble teoretisert selv før Einsteins relativitetsteori, hvor det vansmektet i mørket. Matematiker Oliver Heaviside spådd det i 1888-9, og uavhengig Arnold Sommerfeld (som bidro til å kvantisere hydrogen atom) gjorde det i 1904., Men med framveksten av Einsteins 1905 spesielle relativitetsteorien, ingen var interessert nok i denne tankegangen til å plukke det opp igjen. Selv når Marie Curie observert blått lys i en konsentrert radium-løsning (1910), gjorde hun ikke undersøke dets opprinnelse.
i Stedet, det falt til en ung forsker som heter Pavel Čerenkov, som jobbet på verdien av tunge elementer. Når du opphisse et element, sine elektroner spontant de-opphisse, brusende ned i energinivå og sender ut lys som de gjør., Hva Čerenkov lagt merke til, og deretter undersøkt, var det et blått lys som ikke passet utelukkende innenfor dette rammeverket. Noe annet var i spill.
Kosmiske stråler, som er ultra-høy energi partikler som stammer fra hele Universet, streik… protoner i den øvre atmosfæren og produsere dusjer av nye partikler. Raske ladede partikler også sender ut lys på grunn av Cherenkov-stråling som de beveger seg raskere enn lysets hastighet i Jordens atmosfære. Det er for tiden teleskop matriser blir bygget og utvidet til å oppdage dette Cherenkov lys direkte.,
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov forberedt vandige løsninger som var rik på radioaktivitet, og la merke til at karakteristiske blå lys. Når du har en fluorescerende fenomen, der elektroner de-opphisse og avgir synlig stråling, at stråling er isotropic: den samme i alle retninger. Men med en radioaktiv kilde i vann, stråling var ikke isotropic, men heller kom ut i kjegler. De kjegler ble senere vist seg å svare til ladede partikler som slippes ut., Den nye formen for stråling, dårlig forstått på den tiden av Čerenkov s 1934 funnet, ble derfor kalt Čerenkov stråling.
Tre år senere, Čerenkov teoretiske kolleger Igor Tamm og Ilya Frank var i stand til å beskrive disse effektene innenfor rammen av relativitetsteorien og elektromagnetisme, noe som førte til Čerenkov detektorer å bli et nyttig og standard teknikk i eksperimentell partikkelfysikk. De tre delte nobelprisen i Fysikk i 1958.,
I 1958 ble nobelprisen i fysikk tildelt de tre individuelle først og fremst ansvarlig for… å avsløre den eksperimentelle og teoretiske egenskaper for stråling når ladde partikler som beveger seg raskere enn lyset i et medium. Den blå glød, som i dag er kjent som Čerenkov stråling, har enorme programmer i fysikk i dag.,
Nobels Media AB 2019
Čerenkov stråling er en slik bemerkelsesverdig fenomen at når den første akselererte elektroner, i de tidlige dagene av partikkelfysikk i Usa, fysikere ville lukke det ene øyet og sette den i veien for hvor electron beam burde ha vært. Hvis strålen var på, elektronene ville produsere Čerenkov stråling i vandig miljø på fysiker er øyeeplet, og de blinker med lyset skulle tilsi at relativistiske elektroner ble produsert., Når virkninger av stråling på menneskekroppen ble bedre forstått, sikkerhetsregler ble satt på plass for å hindre fysikere fra forgiftning seg selv.
Men den underliggende fenomenet er det samme uansett hvor du går: en ladet partikkel beveger seg raskere enn lyset beveger seg i et medium, vil avgi en membran av blå stråling, bremse ned, mens avslørende informasjon om sin energi og momentum. Har du fortsatt ikke kan bryte den ultimate kosmiske fartsgrensen, men med mindre du er i en ekte, perfekt vakuum, kan du alltid gå raskere enn lyset. Alt du trenger er nok energi.