zaawansowany rdzeń reaktora testowego w Idaho National Laboratory nie świeci na niebiesko, ponieważ istnieją… niebieskie światła zaangażowane, ale raczej dlatego, że jest to reaktor jądrowy produkujący relatywistyczne, naładowane cząstki, które są otoczone przez wodę. Kiedy cząstki przechodzą przez tę wodę, przekraczają prędkość światła w tym ośrodku, powodując, że emitują promieniowanie Czerenkowa, które pojawia się jako jarzące się niebieskie światło.,
Argonne National Laboratory
nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła. Kiedy Einstein przedstawił swoją teorię względności, był to jego nienaruszalny postulat: że istnieje ostateczne ograniczenie prędkości kosmicznej i że tylko bezmasowe cząstki mogą je kiedykolwiek osiągnąć. Wszystkie masywne cząstki mogły tylko zbliżyć się do niego, ale nigdy do niego nie dotarły. Prędkość światła, według Einsteina, była taka sama dla wszystkich obserwatorów we wszystkich klatkach odniesienia i żadna forma materii nie mogła jej osiągnąć.,
ale ta interpretacja Einsteina pomija ważne zastrzeżenie: wszystko to jest prawdziwe tylko w próżni czysto, idealnie pustej przestrzeni. Przez medium dowolnego typu – powietrze, wodę, szkło, akryl lub dowolny gaz, ciecz lub ciało stałe — światło porusza się z wymiernie wolniejszą prędkością. Z drugiej strony, energiczne cząstki poruszają się wolniej niż światło w próżni, a nie światło w ośrodku. Wykorzystując tę właściwość natury, naprawdę możemy iść szybciej niż światło.,
światło emitowane przez słońce przemieszcza się przez próżnię Kosmiczną dokładnie w odległości 299 792 458 m / s: the… kosmiczne ograniczenie prędkości. Jak tylko światło uderzy w medium, włączając w to coś takiego jak ziemska atmosfera, fotony te spadną z prędkością, ponieważ poruszają się tylko z prędkością światła przez to medium. Podczas gdy żadna masywna cząstka nie może osiągnąć prędkości światła w próżni, może łatwo osiągnąć lub nawet przekroczyć prędkość światła w medium.,
Fiodor Jurczikhin/rosyjska agencja kosmiczna
wyobraź sobie promień światła, który podróżuje bezpośrednio od Słońca. W próżni przestrzeni, jeśli nie ma cząstek lub materii, to rzeczywiście będzie podróżować z maksymalną prędkością Kosmiczną, c: 299.792.458 m / s, prędkość światła w próżni. Chociaż ludzkość wyprodukowała ekstremalnie energetyczne cząstki w zderzaczach i akceleratorach-i wykryła jeszcze bardziej energetyczne cząstki pochodzące ze źródeł pozagalaktycznych — wiemy, że nie możemy przekroczyć tej granicy.,
w LHC przyspieszone protony mogą osiągać prędkości do 299 792 455 m/s, zaledwie 3 m / s poniżej prędkości światła. W LEP, który przyspieszał elektrony i pozytony zamiast protonów w tym samym tunelu CERN, w którym obecnie znajduje się LHC, maksymalna prędkość cząstek wynosiła 299 792 457,9964 m/s, co jest najszybciej przyspieszaną cząstką, jaką kiedykolwiek stworzono. A promienie kosmiczne o najwyższej energii wylatują z niezwykłą prędkością 299.792.457. 9999999999999999918 m / s, Co przegrałoby wyścig z fotonem do Andromedy i z powrotem o zaledwie sześć sekund.,
wszystkie bezmasowe cząstki poruszają się z prędkością światła, ale prędkość światła zmienia się w zależności od… niezależnie od tego, czy podróżuje przez próżnię, czy medium. Gdyby ścigać się z najwyżej energetyczną cząstką promieniowania kosmicznego odkrytą za pomocą fotonu do galaktyki Andromedy i z powrotem, w podróży o długości ~5 milionów lat świetlnych, cząstka przegrałaby wyścig o około 6 sekund.,
NASA / Sonoma State University/Aurore Simonnet
możemy przyspieszać cząstki materii bardzo blisko prędkości światła w próżni, ale nigdy nie możemy jej osiągnąć ani przekroczyć. Nie oznacza to jednak, że nigdy nie możemy iść szybciej niż światło; oznacza to tylko, że nie możemy iść szybciej niż światło w próżni. W medium historia jest zupełnie inna.
możesz to zobaczyć na własne oczy, przechodząc promień słońca, który uderza w ziemię przez pryzmat., Podczas gdy światło poruszające się w powietrzu może poruszać się z prędkościami tak bliskimi prędkości światła w próżni, że jego odejście jest niedostrzegalne, światło przez pryzmat wyraźnie się wygina. Wynika to z faktu, że prędkość światła spada znacznie w gęstszym medium: to tylko ~225,000,000 m / s w wodzie i tylko 197,000,000 m/s w szkle korony. Ta niska prędkość, w połączeniu z różnymi prawami ochrony, zapewnia, że światło zarówno wygina się, jak i rozprasza w medium.
zachowanie białego światła przechodzącego przez pryzmat pokazuje, jak światło jest różne…, Energie poruszają się z różnymi prędkościami przez medium, ale nie przez próżnię. Newton jako pierwszy wyjaśnił odbicie, załamanie, absorpcję i transmisję, a także zdolność białego światła do rozpadu na różne kolory.
University of Iowa
Ta właściwość prowadzi do niesamowitej prognozy: możliwość, że możesz poruszać się szybciej niż światło, tak długo, jak jesteś w medium, w którym prędkość światła jest poniżej prędkości światła w próżni., Na przykład wiele procesów jądrowych powoduje emisję naładowanej cząstki — np. elektronu-poprzez fuzję, rozszczepienie lub rozpad promieniotwórczy. Podczas gdy te naładowane cząstki mogą być energiczne i szybko poruszające się, nigdy nie mogą osiągnąć prędkości światła w próżni.
ale jeśli przepuścisz tę cząstkę przez medium, nawet jeśli jest to coś tak prostego jak woda, nagle odkryje, że porusza się szybciej niż prędkość światła w tym medium., Tak długo, jak ośrodek ten składa się z cząstek materii i jest naładowany szybciej niż światło, będzie emitować specjalną formę promieniowania, która jest charakterystyczna dla tej konfiguracji: promieniowanie Čerenkov (wymawiane Czerenkov).
.. Czerenkow promieniuje od emitowanych cząstek szybszych niż światło w wodzie. Neutrina (a dokładniej antyneutrina) po raz pierwszy hipotezowane przez Pauli ' ego w 1930 roku zostały wykryte w podobnym reaktorze jądrowym w 1956 roku., Współczesne eksperymenty nadal obserwują niedobór neutrin, ale ciężko pracują, aby oszacować go jak nigdy dotąd, podczas gdy wykrywanie promieniowania Czerenkowa zrewolucjonizowało fizykę cząstek elementarnych.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
promieniowanie Čerenkowa charakteryzuje się niebieską poświatą i jest emitowane, gdy naładowana cząstka porusza się szybciej niż światło w danym ośrodku. Najczęściej występuje, jak wyżej, w wodzie otaczającej reaktory jądrowe., Reakcje wewnątrz powodują emisję wysokoenergetycznych cząstek, które poruszają się szybciej niż światło w wodzie, ale znaczne ilości wody otaczają reaktor w celu osłony środowiska zewnętrznego przed szkodliwą emisją promieniowania.
To jest niezwykle skuteczne!, Istnieją oddziaływania elektromagnetyczne, które występują między naładowaną cząstką w ruchu i (naładowanymi) cząstkami tworzącymi medium, przez które podróżuje, i te oddziaływania powodują, że podróżująca cząstka emituje promieniowanie określonej energii we wszystkich dozwolonych kierunkach: promieniowo na zewnątrz, prostopadle do kierunku jej ruchu.
animacja pokazuje, co się dzieje, gdy relatywistyczna, naładowana cząstka porusza się szybciej niż światło… w medium., Interakcje powodują, że cząstka emituje stożek promieniowania znanego jako promieniowanie Czerenkowa, które jest zależne od prędkości i energii padającej cząstki. Wykrywanie właściwości tego promieniowania jest niezwykle użyteczną i rozpowszechnioną techniką w eksperymentalnej fizyce cząstek elementarnych.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
ale ponieważ cząstka emitująca promieniowanie jest w ruchu, a ponieważ porusza się tak szybko, wszystkie emitowane fotony zostaną wzmocnione., Zamiast pierścienia fotonów, które po prostu poruszają się na zewnątrz, cząstka ta-poruszająca się szybciej niż światło w ośrodku, przez który podróżuje-emituje stożek promieniowania, który przemieszcza się w tym samym kierunku ruchu, co emitująca je cząstka.
promieniowanie Čerenkova wychodzi pod kątem określonym tylko przez dwa czynniki:
- prędkość cząstki (vparticle, szybsza niż światło w ośrodku, ale wolniejsza niż światło w próżni),
- i prędkość światła w ośrodku (vlight).
w rzeczywistości wzór jest bardzo prosty: θ = cos-1 (vlight/vparticle)., W prostym języku angielskim oznacza to, że kąt, przy którym światło gaśnie, jest odwrotnym cosinusem stosunku tych dwóch prędkości, prędkości światła w ośrodku do prędkości cząstki.
zbiornik wypełniony wodą w Super Kamiokande, który ustanowił najbardziej rygorystyczne limity na żywotność… protonu. Ten ogromny zbiornik jest nie tylko wypełniony cieczą, ale wyłożony rurkami fotopowielaczy., Kiedy dochodzi do oddziaływań, takich jak uderzenie neutrin, rozpad radioaktywny lub (teoretycznie) rozpad protonu, powstaje światło Czerenkowa, które może zostać wykryte przez lampy fotopowielaczowe, które pozwalają nam odtworzyć właściwości i pochodzenie cząstki.
ICRR, Obserwatorium Kamioka, Uniwersytet Tokijski
jest kilka ważnych rzeczy, które należy zwrócić uwagę na promieniowanie Čerenkova. Pierwszym jest to, że przenosi zarówno energię, jak i pęd, który z konieczności musi pochodzić z cząstki, która porusza się szybciej niż światło w ośrodku., Oznacza to, że cząstki emitujące promieniowanie Čerenkova zwalniają ze względu na swoją emisję.
druga jest taka, że kąt, przy którym emitowane jest promieniowanie Čerenkov pozwala określić prędkość cząstki, która spowodowała jego emisję. Jeśli możesz zmierzyć światło Čerenkova, które pochodzi od konkretnej cząstki, możesz zrekonstruować jej właściwości., W praktyce działa to tak, że można ustawić duży zbiornik materiału z lampami fotopowielacza (zdolnymi do wykrywania pojedynczych fotonów) wyściełającymi krawędź, a wykryte promieniowanie Čerenkowa pozwala zrekonstruować właściwości nadchodzącej cząstki, w tym miejsce, w którym powstała w detektorze.
Zdarzenie neutrinowe, rozpoznawalne przez pierścienie promieniowania Cerenkowa, które pojawiają się wzdłuż… lampy fotopowielaczowe otaczające ściany detektora prezentują udaną metodologię astronomii neutrinowej i wykorzystanie promieniowania Czerenkowa., Ten obraz pokazuje wiele zdarzeń i jest częścią zestawu eksperymentów torujących nam drogę do lepszego zrozumienia neutrin.
Super Kamiokande collaboration
Co ciekawe, promieniowanie Čerenkova było teoretyzowane jeszcze przed teorią względności Einsteina, gdzie zanikło w zapomnieniu. Matematyk Oliver Heaviside przewidział to w latach 1888-9, a niezależnie Arnold Sommerfeld (który pomógł skwantyzować atom wodoru) zrobił to w 1904 roku., Ale wraz z pojawieniem się szczególnej teorii względności Einsteina z 1905 roku, nikt nie był na tyle zainteresowany tą linią myślenia, aby ją ponownie podnieść. Nawet gdy Marie Curie zaobserwowała niebieskie światło w stężonym roztworze Radu (w 1910), nie zbadała jego pochodzenia.
zamiast tego padła ona na młodego badacza o nazwisku Pavel Čerenkov, który pracował nad luminescencją ciężkich pierwiastków. Kiedy wzbudzasz element, jego elektrony spontanicznie de-wzbudzają się, kaskadowo w dół w poziomach energii i emitując światło, jak to robią., Čerenkov zauważył, a następnie zbadał, niebieskie światło, które nie mieściło się wyłącznie w tych ramach. Chodziło o coś innego.
promienie kosmiczne, które są Ultra-wysokoenergetycznymi cząstkami pochodzącymi z całego wszechświata, uderzają… protony w górnej atmosferze i wytwarzają nowe cząstki. Szybko poruszające się naładowane cząstki emitują światło dzięki promieniowaniu Czerenkowa, ponieważ poruszają się szybciej niż prędkość światła w ziemskiej atmosferze. Obecnie budowane są i rozbudowywane teleskopy do bezpośredniego wykrywania tego światła Czerenkowa.,
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov przygotował roztwory wodne, które były bogate w radioaktywność i zauważył to charakterystyczne niebieskie światło. Kiedy mamy zjawisko fluorescencyjne, gdzie elektrony de-wzbudzają i emitują promieniowanie widzialne, to promieniowanie jest izotropowe: takie samo we wszystkich kierunkach. Ale z radioaktywnym źródłem w wodzie, promieniowanie nie było izotropowe, ale raczej wyszło w stożkach. Stożki te okazały się później odpowiadać emitowanym naładowanym cząstkom., Nowa forma promieniowania, słabo poznana w czasie odkrycia Čerenkowa w 1934 roku, została więc nazwana promieniowaniem Čerenkowa.
trzy lata później teoretyczni współpracownicy Čerenkova, Igor Tamm i Ilya Frank, byli w stanie z powodzeniem opisać te efekty w kontekście teorii względności i elektromagnetyzmu, co doprowadziło do tego, że detektory Čerenkova stały się użyteczną i standardową techniką w eksperymentalnej fizyce cząstek elementarnych. W 1958 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.,
w 1958 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano trzem osobom odpowiedzialnym przede wszystkim za.. ujawnienie eksperymentalnych i teoretycznych właściwości promieniowania emitowanego, gdy naładowane cząstki poruszają się szybciej niż światło w ośrodku. Niebieski blask, znany dziś jako promieniowanie Čerenkowa, ma ogromne zastosowania w fizyce nawet dzisiaj.,
Nobel Media AB 2019
promieniowanie Čerenkowa jest tak niezwykłym zjawiskiem, że gdy pierwsze przyspieszone elektrony, we wczesnych czasach fizyki cząstek elementarnych w Stanach Zjednoczonych, fizycy zamknęli jedno oko i umieścili je na drodze, gdzie wiązka elektronów powinna być. Gdyby wiązka była włączona, elektrony wytwarzałyby promieniowanie Čerenkova w wodnym środowisku gałki ocznej fizyka, a te błyski światła wskazywałyby, że wytwarzane są elektrony relatywistyczne., Gdy wpływ promieniowania na organizm ludzki stał się lepiej zrozumiały, wprowadzono środki bezpieczeństwa, aby zapobiec zatruciu się fizyków.
ale podstawowe zjawisko jest takie samo, bez względu na to, gdzie jesteś: naładowana cząstka poruszająca się szybciej niż światło porusza się w ośrodku emituje stożek niebieskiego promieniowania, zwalniając jednocześnie ujawniając informacje o jego energii i pędzie. Nadal nie możesz złamać ostatecznego ograniczenia prędkości kosmicznej, ale jeśli nie jesteś w prawdziwej, doskonałej próżni, zawsze możesz jechać szybciej niż światło. Wystarczy Ci energii.