den avancerade Testreaktorhärden i Idaho National Laboratory lyser inte blått eftersom det finns några… blåljus inblandade, utan snarare för att detta är en kärnreaktor som producerar relativistiska, laddade partiklar som är omgivna av vatten. När partiklarna passerar genom det vattnet överstiger de ljusets hastighet i det mediet, vilket får dem att avge Cherenkov-strålning, vilket framträder som detta glödande blå ljus.,
Argonne National Laboratory
ingenting kan röra sig snabbare än ljusets hastighet. När Einstein lade fram sin relativitetsteori var detta hans okränkbara postulat: att det fanns en ultimat kosmisk hastighetsgräns, och att endast masslösa partiklar någonsin kunde uppnå det. Alla massiva partiklar kunde bara närma sig det, men skulle aldrig nå det. Ljusets hastighet, enligt Einstein, var densamma för alla observatörer i alla referensramar, och ingen form av materia kunde någonsin uppnå det.,
men denna tolkning av Einstein utelämnar en viktig varning: allt detta är bara sant i vakuumet av rent, helt tomt utrymme. Genom ett medium av vilken typ som helst — oavsett om det är luft, vatten, glas, akryl eller någon gas, vätska eller fast ljus färdas med en mätbart långsammare hastighet. Energiska partiklar å andra sidan är bara bundna att resa långsammare än ljus i vakuum, inte ljus i ett medium. Genom att utnyttja naturens egendom kan vi verkligen gå snabbare än ljuset.,
ljus som avges av solen färdas genom vakuum utrymme på exakt 299,792,458 m/s: den… ultimata kosmiska hastighetsgränsen. Så snart det ljuset slår ett medium, inklusive något som jordens atmosfär, kommer dessa fotoner att sjunka i hastighet när de bara rör sig med ljusets hastighet genom det mediet. Medan ingen massiv partikel någonsin kan uppnå ljusets hastighet i ett vakuum, kan det enkelt uppnå eller till och med överstiga ljusets hastighet i ett medium.,
Fyodor Yurchikhin/Russian Space Agency
Föreställ dig en ljusstråle som färdas direkt från solen. I rymdens vakuum, om inga partiklar eller materia är närvarande, kommer det verkligen att resa vid den ultimata kosmiska hastighetsgränsen, c: 299,792,458 m/s, ljusets hastighet i vakuum. Även om mänskligheten har producerat extremt energiska partiklar i kollidrar och acceleratorer — och upptäckt ännu mer energiska partiklar som kommer från extragalaktiska källor — vet vi att vi inte kan bryta denna gräns.,
vid LHC kan de accelererade protonerna nå hastigheter upp till 299,792,455 m/s, bara 3 m/s under ljusets hastighet. Vid LEP, som accelererade elektroner och positroner i stället för protoner i samma CERN tunnel som LHC nu upptar den översta partikelns hastighet var 299,792,457.9964 m/s, vilket är den snabbaste snabbare partikel som någonsin skapats. Och den högsta energi kosmisk strålning klockor i med ett enastående hastighet av 299,792,457.999999999999918 m/s, vilket skulle förlora ett lopp med en foton till Andromeda och tillbaka med bara sex sekunder.,
alla masslösa partiklar färdas med ljusets hastighet, men ljusets hastighet ändras beroende på… oavsett om det reser genom vakuum eller ett medium. Om du skulle tävla Den högsta energi kosmiska strålpartikeln som någonsin upptäckts med en foton till Andromeda-galaxen och tillbaka, en resa på ~ 5 miljoner ljusår, skulle partikeln förlora loppet med cirka 6 sekunder.,
NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet
Vi kan accelerera materiapartiklar mycket nära ljusets hastighet i vakuum, men kan aldrig nå eller överstiga den. Men det betyder inte att vi aldrig kan gå snabbare än ljuset; det betyder bara att vi inte kan gå snabbare än ljuset i ett vakuum. I ett medium är historien extremt annorlunda.
Du kan se detta själv genom att passera en stråle av solljus som slår jorden genom ett prisma., Medan ljus som rör sig genom luften kan färdas i hastigheter så nära ljusets hastighet i ett vakuum att dess avgång är omärklig, ljus genom ett prisma böjer sig tydligt. Detta beror på det faktum att ljusets hastighet sjunker betydligt i ett tätare medium: det är bara ~225,000,000 m/s i vatten och bara 197,000,000 m/s i kronglas. Denna långsamma hastighet, i kombination med en mängd olika bevarandelagar, säkerställer att ljuset både böjer och sprider sig i ett medium.
beteendet hos vitt ljus när det passerar genom ett prisma visar hur ljus av olika…, energier rör sig i olika hastigheter genom ett medium, men inte genom vakuum. Newton var den första som förklarade reflektion, brytning, absorption och överföring, liksom förmågan hos vitt ljus att bryta upp i olika färger.
University of Iowa
den här egenskapen leder till en fantastisk förutsägelse: möjligheten att du kan flytta snabbare än ljus, så länge du är i ett medium där ljusets hastighet ligger under ljusets hastighet i vakuum., Till exempel orsakar många kärnprocesser utsläpp av en laddad partikel — som en elektron — genom fusion, fission eller radioaktivt sönderfall. Medan dessa laddade partiklar kan vara energiska och snabbrörliga, kan de aldrig nå ljusets hastighet i vakuum.
men om du passerar den partikeln genom ett medium, även om det är något så enkelt som vatten, kommer det plötsligt att upptäcka att det rör sig snabbare än ljusets hastighet i det mediet., Så länge det mediet består av materiapartiklar och den snabbare än lätta partikeln laddas, kommer den att avge en speciell form av strålning som är karakteristisk för denna konfiguration: Čerenkov (uttalad Cherenkov) strålning.
reaktor nuclear experimental ra-6 (Republica Argentina 6), en marcha, visar egenskapen… Cherenkov strålning från de snabbare-än-ljus-i-vatten partiklar som avges. De neutriner (eller mer exakt, antineutrinos) första hypoteser av Pauli 1930 upptäcktes från en liknande kärnreaktor 1956., Moderna experiment fortsätter att observera en neutrinobrist, men arbetar hårt för att kvantifiera det som aldrig tidigare, medan detekteringen av Cherenkov-strålning har revolutionerat partikelfysik.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Čerenkov strålning karakteristiskt visas som en blå glöd, och får avges när en laddad partikel färdas snabbare än ljus i ett visst medium. Det ses oftast, som ovan, i vattnet kring kärnreaktorer., Reaktionerna inuti orsakar utsläpp av högenergipartiklar som rör sig snabbare än ljus i vatten, men stora mängder vatten omger reaktorn för att skydda den yttre miljön från skadliga utsläpp av strålning.
detta är anmärkningsvärt effektivt!, Det finns elektromagnetiska interaktioner som uppstår mellan den laddade partikeln i rörelse och de (laddade) partiklarna som utgör mediet som den reser genom, och dessa interaktioner orsakar att den resande partikeln avger strålning av en viss energi i alla tillåtna riktningar: radiellt utåt, vinkelrätt mot rörelsens riktning.
den här animationen visar vad som händer när en relativistisk, laddad partikel rör sig snabbare än ljuset… på ett medium., Interaktionerna orsakar partikeln att avge en kon av strålning som kallas Cherenkov strålning, som är beroende av hastigheten och energin hos den infallande partikeln. Att upptäcka egenskaperna hos denna strålning är en enormt användbar och utbredd teknik inom experimentell partikelfysik.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
men eftersom den partikel som avger strålningen är i rörelse, och eftersom den rör sig så snabbt, kommer alla de emitterade fotonerna att förstärkas., I stället för att få en ring av fotoner som helt enkelt rör sig utåt, kommer denna partikel — som rör sig snabbare än ljuset i mediet det färdas genom — att avge en kon av strålning som färdas i samma rörelseriktning som partikeln avger den.
Čerenkov-strålningen kommer ut i en vinkel som endast definieras av två faktorer:
- partikelns hastighet (vpartikel, snabbare än ljus i mediet men långsammare än ljus i vakuum),
- och ljusets hastighet i mediet (vlight).
i själva verket är formeln väldigt enkel: θ = cos-1 (vlight / vparticle)., På vanlig engelska betyder det att den vinkel som ljuset släcks vid är den inversa cosinus av förhållandet mellan dessa två hastigheter, ljusets hastighet i mediet till partikelns hastighet.
den vattenfyllda tanken på Super Kamiokande, som har satt de strängaste gränserna för livslängden… protonen. Denna enorma tank är inte bara fylld med vätska, men fodrad med fotomultiplikatorrör., När en interaktion inträffar, såsom en neutrino strejk, ett radioaktivt förfall, eller (teoretiskt) en proton förfall, Cherenkov ljus produceras, och kan detekteras av fotomultiplikatorrören som tillåter oss att rekonstruera partikelens egenskaper och ursprung.
ICRR, Kamioka Observatory, University of Tokyo
det finns några viktiga saker att märka om Čerenkov-strålning. Den första är att den bär både energi och fart, vilket av nödvändighet måste komma från partikeln som rör sig snabbare än ljus i mediet., Detta innebär att partiklar som avger Čerenkov-strålning saktar ner på grund av dess utsläpp.
den andra är att den vinkel som Cerenkov-strålningen avges vid tillåter oss att bestämma hastigheten på partikeln som orsakade dess utsläpp. Om du kan mäta Čerenkov-ljuset som kommer från en viss partikel kan du rekonstruera partikelns egenskaper., Det sätt på vilket detta fungerar är i praktiken att du kan ställa in en stor tank av material med fotomultiplikatorrör (som kan upptäcka enskilda fotoner) som kantar kanten, och den upptäckta Čerenkov-strålningen gör att du kan rekonstruera egenskaperna hos den inkommande partikeln, inklusive var den härstammar i din detektor.
en neutrino-händelse, identifierbar av ringarna av Cerenkov-strålning som dyker upp längs… fotomultiplikatorrör som fodrar detektorväggarna, visar upp den framgångsrika metoden för neutrino astronomi och utnyttjar användningen av Cherenkov-strålning., Denna bild visar flera händelser, och är en del av den svit av experiment banar vår väg till en större förståelse av neutriner.
Super Kamiokande samarbete
intressant nog teoriserades Čerenkov-strålning redan före Einsteins relativitetsteori, där den smög i dunkelhet. Matematiker Oliver Heaviside förutspådde det 1888-9, och självständigt Arnold Sommerfeld (som hjälpte till att kvantifiera väteatomen) gjorde det 1904., Men med tillkomsten av Einsteins 1905 speciella relativitet var ingen intresserad nog i denna tankegång för att hämta den igen. Även när Marie Curie observerade blått ljus i en koncentrerad radiumlösning (1910) undersökte hon inte dess ursprung.
istället föll det till en ung forskare som heter Pavel Čerenkov, som arbetade med luminescens av tunga element. När du excitera ett element, dess elektroner spontant de-excite, cascading ner i energinivåer och avger ljus som de gör., Vad Čerenkov märkte och undersökte sedan var blått ljus som inte passade enbart inom denna ram. Något annat var på spel.
kosmiska strålar, som är ultrahöga energipartiklar som härrör från hela universum, slår… protoner i den övre atmosfären och producerar duschar av nya partiklar. De snabbt rörliga laddade partiklarna avger också ljus på grund av Cherenkov-strålning när de rör sig snabbare än ljusets hastighet i jordens atmosfär. Det finns för närvarande teleskop arrays byggs och utvidgas för att upptäcka denna Cherenkov ljus direkt.,
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov förberedde vattenhaltiga lösningar som var rika på radioaktivitet och märkte det karakteristiska blå ljuset. När du har ett fluorescerande fenomen, där elektroner exciterar och avger synlig strålning, är den strålningen isotropisk: densamma i alla riktningar. Men med en radioaktiv källa i vatten var strålningen inte isotropisk, utan kom snarare ut i kottar. Dessa koner visades senare motsvara emitterade laddade partiklar., Den nya strålningsformen, dåligt förstådd vid tidpunkten för Čerenkovs upptäckt 1934, namngavs därför Čerenkov-strålning.
tre år senare kunde Čerenkovs teoretiska kollegor Igor Tamm och Ilya Frank framgångsrikt beskriva dessa effekter inom ramen för relativitet och elektromagnetism, vilket ledde till att Čerenkov-detektorer blev en användbar och standardteknik inom experimentell partikelfysik. De tre delade Nobelpriset i fysik 1958.,
år 1958 tilldelades Nobelpriset i fysik de tre personer som var huvudansvariga för… avslöjar de experimentella och teoretiska egenskaperna hos strålning som emitteras när laddade partiklar rör sig snabbare än ljus i ett medium. Den blå glöden, känd idag som Čerenkov-strålning, har enorma tillämpningar inom fysiken även idag.,
Nobel Media AB 2019
Čerenkov-strålning är ett så anmärkningsvärt fenomen att när de första accelererade elektronerna, i de tidiga dagarna av partikelfysik i USA, skulle fysiker stänga ett öga och lägga det i vägen för var elektronstrålen borde ha varit. Om strålen var på skulle elektronerna producera Čerenkov-strålning i den vattenhaltiga miljön i fysikens ögonboll, och dessa ljusblixtar skulle indikera att relativistiska elektroner producerades., När effekterna av strålning på människokroppen blev bättre förstådda, infördes säkerhetsåtgärder för att förhindra att fysiker förgiftar sig själva.
men det underliggande fenomenet är detsamma oavsett var du går: en laddad partikel som rör sig snabbare än ljusrörelser i ett medium kommer att avge en kon av blå strålning, sakta ner samtidigt som man avslöjar information om sin energi och fart. Du kan fortfarande inte bryta den ultimata kosmiska hastighetsgränsen, men om du inte är i ett sant, perfekt vakuum kan du alltid gå snabbare än ljuset. Allt du behöver är tillräckligt med energi.