miezul reactorului de testare avansată de la Laboratorul Național Idaho nu este albastru strălucitor, deoarece există… luminile albastre implicate, ci mai degrabă pentru că acesta este un reactor nuclear care produce particule relativiste, încărcate, care sunt înconjurate de apă. Când particulele trec prin acea apă, ele depășesc viteza luminii din acel mediu, determinându-le să emită radiații Cherenkov, care apare ca această lumină albastră strălucitoare.,
Argonne National Laboratory
nimic nu se poate mișca mai repede decât viteza luminii. Când Einstein și-a expus teoria relativității, acesta a fost postulatul său inviolabil: că există o limită de viteză cosmică finală și că numai particulele fără masă ar putea să o atingă vreodată. Toate particulele masive s-ar putea apropia doar de ea, dar nu ar ajunge niciodată la ea. Viteza luminii, conform lui Einstein, a fost aceeași pentru toți observatorii din toate cadrele de referință și nicio formă de materie nu ar putea să o atingă vreodată.,dar această interpretare a lui Einstein omite un avertisment important: toate acestea sunt adevărate doar în vidul spațiului pur, perfect gol. Printr — un mediu de orice tip — fie că este vorba de aer, apă, sticlă, acrilic sau orice gaz, lichid sau solid-lumina călătorește cu o viteză măsurabil mai mică. Particulele energetice, pe de altă parte, sunt obligate să călătorească mai lent decât lumina într-un vid, nu lumina într-un mediu. Folosind această proprietate a naturii, putem merge cu adevărat mai repede decât lumina.,
lumina emisă de soare călătorește prin vidul spațiului la exact 299,792,458 m/s:… limita maximă de viteză cosmică. Cu toate acestea, de îndată ce acea lumină lovește un mediu, inclusiv ceva asemănător atmosferei Pământului, acei fotoni vor scădea în viteză pe măsură ce se mișcă doar cu viteza luminii prin acel mediu. În timp ce nici o particulă masivă nu poate atinge vreodată viteza luminii într-un vid, ea poate atinge sau chiar depăși cu ușurință viteza luminii într-un mediu.,
Fyodor Yurchikhin / Agenția Spațială Rusă
Imaginați-vă o rază de lumină care călătorește direct de soare. În vidul spațiului, dacă nu sunt prezente particule sau materie, acesta va călători într-adevăr la limita de viteză cosmică finală, c: 299,792,458 m/s, viteza luminii într-un vid. Deși omenirea a produs particule extrem de energetice în colizoare și acceleratoare — și a detectat particule și mai energetice provenind din surse extragalactice — știm că nu putem depăși această limită.,la LHC, protonii accelerați pot atinge viteze de până la 299.792.455 m/s, cu doar 3 m/s sub viteza luminii. La LEP, care a accelerat electronii și pozitronii în loc de protoni în același CERN tunelul LHC-ul ocupă acum, partea de sus viteza de particule a fost 299,792,457.9964 m/s, care este cel mai rapid accelerate de particule creat vreodată. Și cea mai mare energie de raze cosmice ceasuri cu o viteză extraordinară de 299,792,457.999999999999918 m/s, care ar pierde-o cursă cu un foton să Andromeda și înapoi de doar șase secunde.,toate particulele fără masă călătoresc cu viteza luminii, dar viteza luminii se schimbă în funcție de… fie că este vorba de călătorie prin vid sau un mediu. Dacă ar fi să concurezi cu cea mai mare energie particulă de raze cosmice descoperită vreodată cu un foton către galaxia Andromeda și înapoi, o călătorie de ~5 milioane de ani-lumină, particula ar pierde cursa cu aproximativ 6 secunde.,
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
putem accelera particulele de materie foarte aproape de viteza luminii într-un vid, dar nu o putem atinge sau depăși niciodată. Totuși, acest lucru nu înseamnă că nu putem merge niciodată mai repede decât lumina; înseamnă doar că nu putem merge mai repede decât lumina într-un vid. Într-un mediu, povestea este extrem de diferită.puteți vedea acest lucru pentru dvs. trecând o rază de lumină solară care lovește Pământul printr-o prismă., În timp ce lumina care se deplasează prin aer ar putea călători la viteze atât de apropiate de viteza luminii într-un vid încât plecarea sa este imperceptibilă, lumina printr-o prismă se îndoaie clar. Acest lucru se datorează faptului că viteza luminii scade semnificativ într-un mediu mai dens: este doar ~225.000.000 m/s în apă și doar 197.000.000 m/s în sticlă coroană. Această viteză lentă, combinată cu o varietate de legi de conservare, asigură că lumina se îndoaie și se dispersează într-un mediu.comportamentul luminii albe pe măsură ce trece printr-o prismă demonstrează cât de diferită este lumina…, energiile se mișcă cu viteze diferite printr-un mediu, dar nu printr-un vid. Newton a fost primul care a explicat reflexia, refracția, absorbția și transmiterea, precum și capacitatea luminii albe de a se descompune în culori diferite.această proprietate duce la o predicție uimitoare: posibilitatea de a vă deplasa mai repede decât lumina, atât timp cât vă aflați într-un mediu în care viteza luminii este sub viteza luminii într-un vid., De exemplu, multe procese nucleare determină emisia unei particule încărcate-cum ar fi un electron — prin fuziune, fisiune sau dezintegrare radioactivă. În timp ce aceste particule încărcate pot fi energice și se mișcă rapid, ele nu pot atinge niciodată viteza luminii în vid.dar dacă treci acea particulă printr-un mediu, chiar dacă este ceva la fel de simplu ca apa, va descoperi brusc că se mișcă mai repede decât viteza luminii în acel mediu., Atâta timp cât acest mediu este format din particule de materie și particula mai rapidă decât lumina este încărcată, va emite o formă specială de radiație caracteristică acestei configurații: radiația Čerenkov (pronunțată Cherenkov).Reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, arătând caracteristica… Radiația Cherenkov din particulele mai rapide decât lumina în apă emise. Neutrinii (sau, mai precis, antineutrinos) prima ipoteza de Pauli în 1930 au fost detectate de un similare reactor nuclear, în 1956., Experimentele moderne continuă să observe o deficiență de neutrino, dar lucrează din greu pentru ao cuantifica ca niciodată, în timp ce detectarea radiației Cherenkov a revoluționat fizica particulelor.
Centro Atomico Bariloche, prin Pieck Dario
Čerenkov radiații caracteristic apare ca o strălucire albastră, și devine emise ori de câte ori o particula se deplasează mai repede decât lumina într-un anumit mediu. Este cel mai frecvent văzut, ca mai sus, în apa din jurul reactoarelor nucleare., Reacțiile din interior provoacă emisia de particule de energie înaltă care se mișcă mai repede decât lumina în apă, dar cantități substanțiale de apă înconjoară reactorul pentru a proteja mediul extern de emisia dăunătoare de radiații.acest lucru este remarcabil de eficient!, Există interacțiuni electromagnetice care apar între particule în mișcare și (perceput) particule care alcătuiesc mediul e călătoresc prin, și aceste interacțiuni cauza deplasare a particulelor de a emite radiații de o anumită energie în toate admisibilă direcții: radial în exterior, perpendicular pe direcția de mișcare sale.această animație prezintă ce se întâmplă atunci când o particulă încărcată relativist se mișcă mai repede decât lumina… într-un mediu., Interacțiunile determină ca particula să emită un con de radiație cunoscut sub numele de radiație Cherenkov, care depinde de viteza și energia particulei incidente. Detectarea proprietăților acestei radiații este o tehnică extrem de utilă și răspândită în fizica experimentală a particulelor.
vlastni dilo / H. Seldon/public domain
dar din moment ce particula care emite radiația este în mișcare și din moment ce se mișcă atât de repede, toți acei fotoni emiși vor fi amplificați., În loc să obțină un inel de fotoni care pur și simplu se mișcă spre exterior, această particulă — care se mișcă mai repede decât lumina în mediul prin care călătorește — va emite un con de radiație care se deplasează în aceeași direcție de mișcare ca particula care o emite.
Čerenkov radiații iese la un unghi definit prin doi factori numai:
- viteza de particule (vparticle, mai repede decât lumina în mediu, dar mai lent decât viteza luminii în vid),
- și viteza luminii în mediu (vlight).de fapt, formula este foarte simplă: θ = cos-1 (vlight/vparticle)., În limba engleză simplă, aceasta înseamnă că unghiul la care se stinge lumina este cosinusul invers al raportului dintre cele două viteze, viteza luminii în mediu și viteza particulei.rezervorul umplut cu apă de la Super Kamiokande, care a stabilit limitele cele mai stricte pe durata de viață… protonului. Acest rezervor enorm nu este umplut numai cu lichid, ci căptușit cu tuburi fotomultiplicatoare., Când are loc o interacțiune, cum ar fi o lovitură de neutrino, o dezintegrare radioactivă sau (teoretic) o dezintegrare de protoni, se produce lumină Cherenkov și poate fi detectată de tuburile fotomultiplicatoare care ne permit să reconstruim proprietățile și originile particulei. ICRR, Kamioka Observator, Universitatea din Tokyo
Există câteva lucruri importante de observat la Čerenkov radiații. Primul este că poartă atât energie, cât și impuls, care, din necesitate, trebuie să provină din particula care se mișcă mai repede decât lumina în mediu., Aceasta înseamnă că particulele care emit radiații Čerenkov încetinesc datorită emisiei sale.al doilea este că unghiul la care este emisă radiația Čerenkov ne permite să determinăm viteza particulei care a cauzat emisia acesteia. Dacă puteți măsura lumina Čerenkov care provine de la o anumită particulă, puteți reconstrui proprietățile acelei particule., Modul în care aceasta funcționează, în practică, este că puteți seta un rezervor mare de material cu tuburi fotomultiplicatoare (capabil de a detecta fotoni individuali) garnitură de margine, și-a detectat Čerenkov radiații vă permite să reconstitui proprietățile primite de particule, inclusiv în cazul în care acesta își are originea în detector.un eveniment neutrino, identificabile de inele de Cerenkov radiații care apar de-a lungul… tuburile fotomultiplicatoare căptușesc pereții detectorului, prezintă metodologia de succes a astronomiei neutrino și valorifică utilizarea radiației Cherenkov., Această imagine prezintă mai multe evenimente și face parte din suita de experimente care ne deschid calea către o mai bună înțelegere a neutrinilor.destul de interesant, radiația Čerenkov a fost teoretizată chiar înainte de teoria relativității lui Einstein, unde a rămas în obscuritate. Matematician Oliver Heaviside a prezis că în 1888-9, și independent Arnold Sommerfeld (care l-a ajutat quantize atomul de hidrogen) a făcut-o în 1904., Dar odată cu apariția relativității speciale a lui Einstein din 1905, nimeni nu a fost suficient de interesat de această linie de gândire pentru a o ridica din nou. Chiar și atunci când Marie Curie a observat lumina albastră într-o soluție concentrată de radiu (în 1910), ea nu a investigat originea sa.în schimb ,a căzut la un tânăr cercetător pe nume Pavel Čerenkov, care lucra la luminiscența elementelor grele. Atunci când exciți un element, electronii săi se dezexcită spontan, coborând în cascadă în nivelurile de energie și emițând lumină așa cum o fac., Ceea ce Čerenkov a observat și apoi a investigat a fost lumina albastră care nu se încadra exclusiv în acest cadru. Altceva era în joc.razele cosmice, care sunt particule de energie ultra-înaltă originare din tot universul, lovesc… protonii din atmosfera superioară și produc dușuri de particule noi. Particulele încărcate cu mișcare rapidă emit, de asemenea, lumină datorită radiației Cherenkov, deoarece se mișcă mai repede decât viteza luminii din atmosfera Pământului. În prezent, există rețele de telescoape construite și extinse pentru a detecta direct această lumină Cherenkov.,Čerenkov a preparat soluții apoase care erau bogate în radioactivitate și a observat că lumina albastră caracteristică. Când aveți un fenomen fluorescent, în care electronii de-excită și emit radiații vizibile, acea radiație este izotropă: aceeași în toate direcțiile. Dar cu o sursă radioactivă în apă, radiația nu a fost izotropă, ci mai degrabă a ieșit în conuri. Aceste conuri s-au dovedit ulterior că corespund particulelor încărcate emise., Noua formă de radiație, prost înțeleasă la momentul descoperirii lui Čerenkov din 1934, a fost, prin urmare, numită radiație Čerenkov.
Trei ani mai târziu, Čerenkov teoretice colegii Igor Tamm și Ilya Frank au reușit să descrie aceste efecte în contextul relativității și electromagnetism, care a condus la Čerenkov detectoare de a deveni un instrument util și tehnică standard experimentale în fizica particulelor. Cei trei au împărțit Premiul Nobel pentru Fizică în 1958.,în 1958, Premiul Nobel pentru fizică a fost acordat celor trei persoane responsabile în primul rând pentru… dezvăluirea proprietăților experimentale și teoretice ale radiației emise atunci când particulele încărcate se mișcă mai repede decât lumina într-un mediu. Strălucirea albastră, cunoscută astăzi sub numele de radiația Čerenkov, are aplicații enorme în fizică chiar și astăzi.,radiația Čerenkov este un fenomen atât de remarcabil încât, atunci când primii electroni accelerați, în primele zile ale fizicii particulelor din Statele Unite, fizicienii ar închide un ochi și l-ar pune în calea unde ar fi trebuit să fie fasciculul de electroni. Dacă fasciculul ar fi pornit, electronii ar produce radiații Čerenkov în mediul apos al globului ocular al fizicianului, iar acele sclipiri de lumină ar indica faptul că se produc electroni relativiști., Odată ce efectele radiațiilor asupra corpului uman au devenit mai bine înțelese, au fost puse în aplicare măsuri de siguranță pentru a împiedica fizicienii să se otrăvească.dar fenomenul de bază este același indiferent unde mergeți: o particulă încărcată care se mișcă mai repede decât lumina se mișcă într-un mediu va emite un con de radiație albastră, încetinind în timp ce dezvăluie informații despre energia și impulsul său. Încă nu poți depăși limita de viteză cosmică finală, dar dacă nu ești într-un vid adevărat, perfect, poți merge întotdeauna mai repede decât lumina. Tot ce ai nevoie este suficientă energie.