De geavanceerde Testreactorkern van het Idaho National Laboratory gloeit niet Blauw omdat die er zijn… blauwe lichten betrokken, maar eerder omdat dit een kernreactor produceren relativistische, geladen deeltjes die zijn omgeven door water. Wanneer de deeltjes door dat water gaan, overschrijden ze de lichtsnelheid in dat medium, waardoor ze Cherenkov-straling uitzenden, die verschijnt als dit gloeiende blauwe licht.,
Argonne National Laboratory
niets kan sneller bewegen dan de lichtsnelheid. Toen Einstein zijn relativiteitstheorie uiteenzette, was dit zijn onaantastbare postulaat: dat er een ultieme kosmische snelheidslimiet was, en dat alleen massaloze deeltjes die ooit konden bereiken. Alle grote deeltjes konden het alleen maar benaderen, maar zouden het nooit bereiken. De snelheid van het licht, volgens Einstein, was hetzelfde voor alle waarnemers in alle referentiekaders, en geen enkele vorm van materie kon die ooit bereiken.,
maar deze interpretatie van Einstein laat een belangrijk voorbehoud weg: dit alles is alleen waar in het vacuüm van puur, perfect lege ruimte. Via een medium van elk type — of dat nu lucht, water, glas, acryl, of een gas, vloeistof of vaste stof — licht reist met een meetbaar lagere snelheid. Energetische deeltjes, aan de andere kant, zijn alleen gebonden om langzamer te reizen dan licht in een vacuüm, niet licht in een medium. Door gebruik te maken van deze eigenschap van de natuur, kunnen we echt sneller gaan dan licht.,
het door de zon uitgestraalde licht reist met precies 299.792.458 m/s door het ruimtevacuüm: de… ultieme kosmische snelheidslimiet. Zodra dat licht echter een medium raakt, inclusief iets als de atmosfeer van de aarde, zullen die fotonen in snelheid dalen omdat ze alleen met de snelheid van het licht door dat medium bewegen. Hoewel geen groot deeltje ooit de lichtsnelheid in een vacuüm kan bereiken, kan het gemakkelijk de lichtsnelheid in een medium bereiken of zelfs overschrijden.,
Fjodor Yurchikhin / Russian Space Agency
stel je een lichtstraal voor die direct van de zon af reist. In het vacuüm van de ruimte, als er geen deeltjes of materie aanwezig zijn, zal het inderdaad reizen met de ultieme kosmische snelheidslimiet, c: 299.792.458 m/s, De snelheid van het licht in een vacuüm. Hoewel de mensheid extreem energetische deeltjes heeft geproduceerd in botsers en versnellers — en nog meer energetische deeltjes heeft gedetecteerd afkomstig van extragalactische bronnen — weten we dat we deze limiet niet kunnen doorbreken.,
bij de LHC kunnen de versnelde protonen snelheden bereiken tot 299.792.455 m/s, slechts 3 m / s Onder de lichtsnelheid. Bij LEP, dat elektronen en positronen versnelde in plaats van protonen in dezelfde CERN-tunnel die de LHC nu bezet, was de hoogste deeltjessnelheid 299.792.457.9964 m/s, het snelst versnelde deeltje ooit gemaakt. En de hoogste energie kosmische straal klokt in met een buitengewone snelheid van 299.792.457. 999999999999918 m / s, die een race met een foton van Andromeda en terug met slechts zes seconden zou verliezen.,
alle massaloze deeltjes reizen met de lichtsnelheid, maar de lichtsnelheid verandert afhankelijk van… of het nu door vacuüm of een medium reist. Als je met een foton naar de Andromeda-Melkweg en terug zou racen, een reis van ongeveer 5 miljoen lichtjaar, zou het deeltje de race met ongeveer 6 seconden verliezen.,
NASA/Sonoma State University / Aurore Simonnet
We kunnen materie deeltjes versnellen die heel dicht bij de lichtsnelheid liggen in een vacuüm, maar die nooit kunnen bereiken of overschrijden. Dit betekent echter niet dat we nooit sneller dan licht kunnen gaan; het betekent alleen dat we niet sneller dan licht kunnen gaan in een vacuüm. In een medium is het verhaal heel anders.
u kunt dit zelf zien door een zonnestraal door te geven die de aarde door een prisma raakt., Terwijl het licht dat door de lucht beweegt zich kan bewegen met snelheden die zo dicht bij de snelheid van het licht in een vacuüm dat het vertrek ervan onmerkbaar is, buigt het licht door een prisma duidelijk. Dit is te wijten aan het feit dat de snelheid van het licht daalt aanzienlijk in een dichter medium: het is gewoon ~225.000.000 m/s in water en slechts 197.000.000 m/s in kroonglas. Deze lage snelheid, gecombineerd met een verscheidenheid aan conserveringswetten, zorgt ervoor dat licht zowel buigt als verspreidt in een medium.
het gedrag van wit licht als het door een prisma gaat laat zien hoe licht van verschillend is…, energieën bewegen met verschillende snelheden door een medium, maar niet door een vacuüm. Newton was de eerste om reflectie, breking, absorptie en transmissie te verklaren, evenals het vermogen van wit licht om op te splitsen in verschillende kleuren.
University of Iowa
Deze eigenschap leidt tot een verbazingwekkende Voorspelling: De mogelijkheid dat je sneller kunt bewegen dan licht, zolang je in een medium bent waar de lichtsnelheid lager is dan de lichtsnelheid in een vacuüm., Bijvoorbeeld, veroorzaken veel nucleaire processen de emissie van een geladen deeltje — zoals een elektron — door fusie, splijting, of radioactief verval. Hoewel deze geladen deeltjes misschien energetisch en snel bewegend zijn, kunnen ze nooit de snelheid van het licht bereiken in een vacuüm.
maar als je dat deeltje door een medium laat gaan, zelfs als het iets simpels is als water, zal het plotseling ontdekken dat het sneller beweegt dan de lichtsnelheid in dat medium., Zolang dat medium bestaat uit materie deeltjes en de sneller-dan-licht deeltje is geladen, zal het een speciale vorm van straling die kenmerkend is voor deze configuratie uit te zenden: Čerenkov (uitgesproken Cherenkov) straling.
Reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, met de karakteristiek… Cherenkov straling van de sneller-dan-licht-in-water deeltjes uitgestoten. De neutrino ’s (of beter gezegd, antineutrino’ s) die Pauli in 1930 voor het eerst veronderstelde, werden in 1956 ontdekt uit een soortgelijke kernreactor., Moderne experimenten blijven een neutrino-deficiëntie observeren, maar werken hard om het te kwantificeren als nooit tevoren, terwijl de detectie van Cherenkov-straling een revolutie heeft teweeggebracht in de deeltjesfysica.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Čerenkov straling verschijnt karakteristiek als een blauwe gloed, en wordt uitgezonden wanneer een geladen deeltje sneller reist dan licht in een bepaald medium. Het wordt meestal gezien, zoals hierboven, in het water rondom kernreactoren., De reacties binnen veroorzaken de emissie van hoog-energetische deeltjes die sneller bewegen dan licht in water, maar aanzienlijke hoeveelheden water omringen de reactor om de externe omgeving te beschermen tegen de schadelijke emissie van straling.
Dit is opmerkelijk effectief!, Er zijn elektromagnetische interacties tussen het geladen deeltje in beweging en de (geladen) deeltjes die deel uitmaken van het medium waar het doorheen reist, en die interacties veroorzaken dat het bewegende deeltje straling van een bepaalde energie uitzendt in alle toegestane richtingen: radiaal naar buiten, loodrecht op de richting van zijn beweging.
Deze animatie laat zien wat er gebeurt als een relativistisch geladen deeltje sneller beweegt dan licht… in een medium., De interacties veroorzaken dat het deeltje een kegel straling uitzendt die bekend staat als Cherenkov-straling, die afhankelijk is van de snelheid en energie van het invallende deeltje. Het opsporen van de eigenschappen van deze straling is een zeer nuttige en wijdverbreide techniek in de experimentele deeltjesfysica.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
maar omdat het deeltje dat de straling uitzendt in beweging is, en omdat het zo snel beweegt, zullen al die uitgestraalde fotonen worden versterkt., In plaats van een ring van fotonen te krijgen die gewoon naar buiten beweegt, zal dit deeltje — dat sneller beweegt dan licht in het medium waar het doorheen reist — een kegel straling uitzenden die in dezelfde bewegingsrichting reist als het deeltje dat het uitstraalt.
De straling van Čerenkov komt uit onder een hoek die slechts door twee factoren wordt gedefinieerd:
- De snelheid van het deeltje (vdeeltje, sneller dan licht in het medium, maar langzamer dan licht in een vacuüm),
- en de snelheid van het licht in het medium (vlight).
in feite is de formule heel eenvoudig: θ = cos-1 (vlight/vparticle)., In gewoon Engels betekent dit dat de hoek waar het licht vandaan komt de omgekeerde cosinus is van de verhouding van die twee snelheden, De snelheid van het licht in het medium tot de snelheid van het deeltje.
de met water gevulde tank in Super Kamiokande, die de strengste grenswaarden voor de levensduur heeft vastgesteld… van het proton. Deze enorme tank is niet alleen gevuld met vloeistof, maar bekleed met fotomultiplicatorbuizen., Wanneer een interactie optreedt, zoals een neutrino-aanval, een radioactief verval of (theoretisch) een proton-verval, wordt Cherenkov-licht geproduceerd en kan het worden gedetecteerd door de fotomultiplicatorbuizen die ons in staat stellen om de eigenschappen en oorsprong van het deeltje te reconstrueren.
ICRR, Kamioka Observatory, University of Tokyo
Er zijn een paar belangrijke dingen op te merken over Čerenkov straling. De eerste is dat het zowel energie als momentum draagt, die noodzakelijkerwijs moet komen van het deeltje dat sneller beweegt dan licht in het medium., Dit betekent dat deeltjes die Čerenkov straling uitzenden vertragen als gevolg van de emissie.
de tweede is dat de hoek waarin de Čerenkov-straling wordt uitgezonden ons in staat stelt om de snelheid te bepalen van het deeltje dat de emissie veroorzaakte. Als je het Čerenkov-licht kunt meten dat afkomstig is van een bepaald deeltje, kun je de eigenschappen van dat deeltje reconstrueren., De manier waarop dit werkt, in de praktijk, is dat u kunt het opzetten van een grote tank van materiaal met fotomultiplicator buizen (geschikt voor het detecteren van individuele fotonen) langs de rand, en de gedetecteerde Čerenkov straling kunt u de eigenschappen van het inkomende deeltje reconstrueren, met inbegrip van waar het vandaan komt in uw detector.
een neutrino-gebeurtenis, identificeerbaar door de ringen van Cerenkov-straling die langs de… fotomultiplicatorbuizen langs de detectorwanden, tonen de succesvolle methodologie van neutrino-astronomie en maken gebruik van het gebruik van Cherenkov-straling., Deze afbeelding toont meerdere gebeurtenissen en maakt deel uit van de reeks experimenten die ons een weg banen naar een beter begrip van neutrino ‘ s.
Super Kamiokande collaboration
interessant genoeg werd de straling van Čerenkov al getheoretiseerd voordat Einsteins relativiteitstheorie, waar het wegkwijnde in obscuriteit. Wiskundige Oliver Heaviside voorspelde het in 1888-9, en onafhankelijk Arnold Sommerfeld (die hielp bij het kwantiseren van het waterstofatoom) deed het in 1904., Maar met de komst van Einsteins speciale relativiteit uit 1905 was niemand geïnteresseerd genoeg in deze gedachtegang om het weer op te pikken. Zelfs toen Marie Curie blauw licht observeerde in een geconcentreerde radiumoplossing (in 1910), onderzocht ze de oorsprong ervan niet.
in plaats daarvan was het aan een jonge onderzoeker genaamd Pavel Čerenkov, die werkte aan de luminescentie van zware elementen. Wanneer je een element opwekt, de-activeren zijn elektronen spontaan, cascading down in energieniveaus en emitterend licht zoals ze doen., Wat Čerenkov merkte, en vervolgens onderzocht, was blauw licht dat niet alleen paste binnen dit kader. Er was iets anders aan de hand.
kosmische stralen, ultrahoge energiedeeltjes afkomstig uit het hele universum, slaan toe… protonen in de bovenste atmosfeer en produceren regen van nieuwe deeltjes. De snel bewegende geladen deeltjes stralen ook licht uit als gevolg van Cherenkov straling als ze sneller bewegen dan de snelheid van het licht in de atmosfeer van de aarde. Er worden momenteel telescooparrays gebouwd en uitgebreid om dit Cherenkov-licht direct te detecteren.,
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov bereidde waterige oplossingen die rijk waren aan radioactiviteit, en merkte dat karakteristieke blauwe licht. Als je een fluorescerend fenomeen hebt, waarbij elektronen de-exciteren en zichtbare straling uitzenden, is die straling isotroop: hetzelfde in alle richtingen. Maar met een radioactieve bron in water, was de straling niet isotroop, maar kwam er eerder uit in kegels. Deze kegels bleken later overeen te komen met uitgestoten geladen deeltjes., De nieuwe vorm van straling, slecht begrepen ten tijde van de ontdekking van Čerenkov in 1934, werd daarom Čerenkov straling genoemd.drie jaar later konden de theoretische collega ‘ s Igor Tamm en Ilya Frank van Čerenkov deze effecten met succes beschrijven binnen de context van relativiteit en elektromagnetisme, wat ertoe leidde dat de detectoren van Čerenkov een nuttige en standaard techniek werden in de experimentele deeltjesfysica. De drie deelden de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1958.,
in 1958 werd de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend aan de drie persoon die in eerste instantie verantwoordelijk was voor de natuurkunde… het onthullen van de experimentele en theoretische eigenschappen van straling die wordt uitgezonden wanneer geladen deeltjes sneller bewegen dan licht in een medium. De blauwe gloed, vandaag bekend als Čerenkov straling, heeft enorme toepassingen in de natuurkunde zelfs vandaag.,
Nobel Media AB 2019
Čerenkov-straling is zo ‘ n opmerkelijk fenomeen dat wanneer de eerste versnelde elektronen, in de vroege dagen van de deeltjesfysica in de Verenigde Staten, natuurkundigen één oog zouden sluiten en het op het pad zetten waar de elektronenbundel had moeten zijn. Als de straal aan was, zouden de elektronen Čerenkov straling produceren in het waterige milieu van de oogbol van de natuurkundige, en die lichtflitsen zouden erop wijzen dat relativistische elektronen werden geproduceerd., Zodra de effecten van straling op het menselijk lichaam beter werden begrepen, werden veiligheidsmaatregelen getroffen om te voorkomen dat natuurkundigen zichzelf vergiftigen.
maar het onderliggende fenomeen is hetzelfde, waar je ook heen gaat: een geladen deeltje dat sneller beweegt dan licht dat in een medium beweegt, zal een kegel van blauwe straling uitzenden, die vertraagt terwijl informatie over zijn energie en momentum wordt onthuld. Je kunt nog steeds de ultieme kosmische snelheidslimiet niet doorbreken, maar tenzij je in een echt, perfect vacuüm zit, kun je altijd sneller gaan dan het licht. Alles wat je nodig hebt is genoeg energie.