Işık hızını aştığında ...
Evrendeki en hızlı hız nedir?
Hepimiz bunun olduğunu biliyoruz Işık hızı Veya daha doğrusu bir boşluktaki ışığın hızı (ve zaman ve uzayın bükülmediği veya değişmediği).
Işık hızı, genellikle harflerle c Bundan daha hızlı bir şey olmadığını söyledi. Ama yardım edemiyoruz ama merak ediyoruz, başka maddelerin ışık hızını aşmasını sağlayacak bazı yöntemler olabilir mi? Belki bir boşlukta değil, başka medyada?
Hepimiz suyun kırılma fenomenine ve güneş ışığı prizmadan geçtikten sonra gökkuşağının rengine aşinayız Kırılma veya saçılma fenomeni, ışığın bir ortamdan (hava) başka bir ortama (su, prizma) girmesi nedeniyle oluşur. Havada, suda ve prizmalarda ışığın hareket hızı engellenecektir. Hiçlik boşluğuna kıyasla, ortam ne kadar "yoğun "sa, ışığın önündeki engel o kadar büyük ve bu ortamlar içinde ışık yayılma hızının o kadar yavaş olduğunu hayal edebiliriz.
Ortamın ışık üzerindeki engelleyici etkisini tanımlamak için kırılma indisini (n) kullanıyoruz.Örneğin, suyun ışığa kırılma indisi 4/3 ise, sudaki ışık hızı, vakumdaki ışık hızının yalnızca 3 / 4'ü, yani 0.75c'dir.
0.75c! Bu, belirli parçacıkları bu hızın ötesinde hızlandırabileceğimiz anlamına mı geliyor?
Şimdi iki parçacık hazırlayalım: fotonlar ve elektronlar. Elektronları ışık hızına yakın bir hıza, mesela ışık hızının% 99.99'una kadar hızlandırıyoruz.
Bir boşlukta, elektronların yayılma hızının her zaman bir foton kadar daha yavaş olacağını bulacağız:
Ancak suya girdiklerinde elektronlar karşı saldırıya geçmeye başlar! Fotonların hızı orijinal hızın% 75'ine düşeceğinden, elektronların hızı neredeyse değişmez. O zaman suda elektronların hızı ışık hızını aşabilir:
Bu, kaplumbağa ve tavşan yarışındaki gibi, kaplumbağanın bir tavşan gibi koşmasına izin vermek yerine, tavşanı yavaşlatmaya çalışmak, örneğin tavşanı engellemek için yolda bazı sebze ve havuçları pusuya düşürmek.
Bir parçacığı bir fotondan daha hızlı "hareket ettirmek" harika bir şey ama daha eğlenceli bir şey var.
1934'te, Çerenkov (Pavel Cerenkov), yüklü parçacıkların (elektronlar gibi) bir dielektrik ortamda, bu ortamda ışık hareketinden daha hızlı hareket ederse, yüklü parçacıkların Mavi ışık . Bu fenomen artık Çerenkov radyasyonu . (Çerenkov ayrıca 1958'de bunun için Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.)
Çerenkov radyasyonu. | Resim kaynağı: Argonne Ulusal Laboratuvarı
Çerenkov hemen akıl hocası Sergey Vavilov'a bulgularından bahsetti. Akıl hocası iki meslektaşına bu gözlem hakkında bilgi verdi: Igor Tamm ve IIya Frank. Tamm ve Frank, bu fenomeni Einstein'ın özel görelilik teorisine dayanarak açıkladılar ve aynı zamanda Nobel Fizik Ödülü'nü kazandılar.
Neden mavi ışık yayar? Bunun arkasındaki sebep aslında çok karmaşık. Ancak kısaca, yüklü parçacıkların elektrik alanı uzak atomlardaki elektronlarla etkileşime girdiği için üretilir ve bu girişim diğer atomlarda daha büyük parazite neden olur (aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi). Bütün bunlar toplandığında Çerenkov radyasyonu üretilir. Ancak bunun yalnızca yüklü parçacıkların hızı ışıktan daha yüksek olduğunda gerçekleşeceğini unutmayın.
Yüklü parçacıkların elektrik alanı atomları rahatsız eder.
Suda, yüklü bir parçacık ışık hızından daha hızlı hareket ettiğinde, görüntü nedir? Parçacık, bir noktada fotonları yayar (aşağıdaki şekilde kırmızı X) ve ışık, küresel bir yüzey oluşturmak için çevreleyen uzaya gider; daha sonra parçacık bir sonraki noktaya hareket eder ve yeni bir küresel yüzey oluşturmak için fotonları yaymaya devam eder. Sudaki elektronlar ışık hızından daha hızlı hareket ettiğinden, elektronlar ilerlemeye devam ettikçe arkasına bir dizi yayılan ışık atacaktır. Bu kürelerin kenarlarının hafif bir koni oluşturacağını unutmayın.
Elbette, ışık yalnızca X işaretli bu yerlerden değil, yüklü parçacıkların yolu boyunca her yere yayılır. Işığın oluşturduğu kürenin kenarı bir ışık konisi oluşturur.
Bu, bir geminin sudaki sudan daha hızlı yelken açması veya süpersonik bir uçağın havada ses hızından daha hızlı uçması gibi, bir şok dalgası oluşur.
Resim kaynağı: NASA
Işık konisinin şekli, parçacıkların hızı ve ortamdaki ışık hızı ile belirlenir.Işık konisinin tepe açısı ise, o zaman sin = c / nv.
Parçacık hızı v ortamdaki ışık hızından çok daha büyükse, oluşan ışık konisi daha keskin olacaktır; parçacık hareket hızı nispeten küçükse, ancak ortamdaki ışık hızından biraz daha büyükse, ışık konisi nispeten düz olacaktır.
Bir parçacık ortamda ışık hızına yakın bir hızda hareket eder, ortamla etkileşim nedeniyle yavaş yavaş ışık hızının altına iner. Sonuç olarak, Cherenkov parçacıklarının radyasyonu yalnızca bir süre sürer ve sonra durur. Sonunda, görebildiğimiz şey artık ışık konisi olmayacak, ancak dalga cephesi uzaklaşmaya ve bir hale oluşturacak şekilde genişlemeye devam edecek.
Çerenkov radyasyonunun en büyük uygulaması, madde ile neredeyse hiç etkileşime girmeyen malzemeleri tespit etmektir. Nötrino . Büyük ölçekli nötrino dedektörleri genellikle on binlerce ton su içerirler. Nötrinolar suya girdiklerinde elektronlar ve müonlar gibi yüklü parçacıklara dönüştürülebilirler ve ardından yüklü parçacıklar Cherenkov radyasyonu üretecektir. Bir hale oluşturun (yukarıda resmedilmiştir). Halenin boyutuna ve ışığın detektöre ulaştığı zamana göre nötrinonun enerjisi ve yörüngesi hesaplanabilir. Bu ne harika bir uygulama.
