У Вселенной есть предел скорости: скорость света в вакууме. Хотите побить скорость света? Попробуйте пройти через медиум!
Ключевые выводы
- Существует предельная скорость, с которой что-либо может двигаться сквозь ткань пространства: скорость света в вакууме.
- При 299 792 458 м/с это предел космической скорости, скорость, с которой все безмассовые частицы должны двигаться через пустое пространство.
- Но как только вы больше не находитесь в вакууме, даже сам свет замедляется. Это приводит к единственному способу превзойти скорость света: отправить его через среду.
В нашей Вселенной есть несколько правил, которым все должно подчиняться. Энергия, импульс и угловой момент всегда сохраняются, когда взаимодействуют любые два кванта. Физика любой системы частиц, движущихся вперед во времени, идентична физике той же системы, отраженной в зеркале, с заменой частиц на античастицы, где направление времени меняется на противоположное. И есть предельное ограничение космической скорости, применимое к каждому объекту: ничто не может превысить скорость света, и ничто, имеющее массу, никогда не может достичь этой хваленой скорости.
На протяжении многих лет люди разрабатывали очень хитрые схемы, чтобы попытаться обойти этот последний предел. Теоретически они представили тахионы как гипотетические частицы, которые могут превышать скорость света, но тахионы должны иметь воображаемую массу и физически не существуют. В рамках общей теории относительности достаточно искривленное пространство могло бы создать альтернативные, укороченные пути, по которым должен проходить свет, но в нашей физической Вселенной нет известных червоточин. И хотя квантовая запутанность может создавать «жуткие» действия на расстоянии, никакая информация никогда не передается быстрее света.
Но есть один способ превзойти скорость света: войти в любую среду, кроме идеального вакуума. Вот физика того, как это работает.
Свет - это не что иное, как электромагнитная волна с синфазными колеблющимися электрическими и магнитными полями, перпендикулярными направлению распространения света. Чем короче длина волны, тем более энергичен фотон, но тем более он восприимчив к изменениям скорости света в среде. Одно из великих открытий Эйнштейна было основано на понимании света как волны.
Свет, вы должны помнить, это электромагнитная волна. Конечно, она тоже ведет себя как частица, но когда мы говорим о скорости ее распространения, гораздо полезнее думать о ней не только как о волне, но и как о волне осциллирующих, синфазных электрического и магнитного полей. Когда он движется через космический вакуум, ничто не мешает этим полям двигаться с амплитудой, которую они выбирают естественным образом, определяемой энергией, частотой и длиной волны волны. (Все они связаны между собой.)
Но когда свет проходит через среду, то есть любую область, где присутствуют электрические заряды (и, возможно, электрические токи), эти электрические и магнитные поля сталкиваются с определенным уровнем сопротивления их свободному распространению. Из всех вещей, которые могут изменяться или оставаться неизменными, свойством света оставаться постоянным является его частота при движении из вакуума в среду, из среды в вакуум или из одной среды в другую.
Если частота остается неизменной, это означает, что длина волны должна измениться, а поскольку частота, умноженная на длину волны, равняется скорости, это означает, что скорость света должна изменяться по мере изменения среды, через которую вы распространяетесь..
Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. Обратите внимание, как волновая природа света согласуется с более глубоким объяснением того факта, что белый свет можно разбить на разные цвета. Однако излучение не происходит непрерывно на всех длинах волн и частотах, а квантуется на отдельные энергетические пакеты: фотоны.
Одним из ярких примеров этого является преломление света при прохождении через призму. Белый свет, как и солнечный свет, состоит из непрерывного света самых разных длин волн. Более длинные волны, такие как красный свет, имеют меньшие частоты, а более короткие длины волн, такие как синий свет, имеют более высокие частоты. В вакууме все длины волн распространяются с одинаковой скоростью: частота, умноженная на длину волны, равна скорости света. Более синие длины волн обладают большей энергией, поэтому их электрические и магнитные поля сильнее, чем у более красных длин волн.
Когда вы пропускаете этот свет через дисперсионную среду, такую как призма, все разные длины волн реагируют немного по-разному. Чем больше энергии содержится в ваших электрических и магнитных полях, тем больший эффект они испытывают при прохождении через среду. Частота всего света остается неизменной, но длина волны света с более высокой энергией сокращается в большей степени, чем у света с более низкой энергией.
В результате, несмотря на то, что весь свет проходит через среду медленнее, чем вакуум, более красный свет замедляется немного меньше, чем синий свет, что приводит ко многим захватывающим оптическим явлениям, таким как существование радуги, солнечный свет разбивается на разные длины волн, когда он проходит через капли воды и капли.
Когда свет переходит из вакуума (или воздуха) в каплю воды, он сначала преломляется, затем отражается от спины и, наконец, преломляется обратно в вакуум (или воздух). Угол, который входящий свет составляет с исходящим светом, всегда достигает максимума под углом 42 градуса, что объясняет, почему радуга всегда образует один и тот же угол на небе.
В космическом вакууме, однако, у света нет другого выбора - независимо от его длины волны или частоты - кроме как двигаться с одной скоростью и только с одной скоростью: со скоростью света в вакууме. Это также скорость, с которой должна двигаться любая форма чистого излучения, такая как гравитационное излучение, а также скорость, согласно законам относительности, с которой должна двигаться любая безмассовая частица.
Но большинство частиц во Вселенной имеют массу, и в результате они должны следовать немного другим правилам. Если у вас есть масса, скорость света в вакууме по-прежнему является вашим максимальным пределом скорости, но вместо того, чтобы быть вынужденным двигаться с этой скоростью, это предел, которого вы никогда не сможете достичь; вы можете только приблизиться к нему.
Чем больше энергии вы вкладываете в свою массивную частицу, тем ближе она может двигаться к скорости света, но она всегда должна двигаться медленнее. Самые энергичные частицы, когда-либо созданные на Земле, а именно протоны на Большом адронном коллайдере, могут двигаться со скоростью, невероятно близкой к скорости света в вакууме: 299, 792, 455 метров в секунду, или 99,999999% скорости света.
Замедление времени (слева) и сокращение длины (справа) показывают, как кажется, что время течет медленнее, а расстояния кажутся тем меньше, чем ближе вы приближаетесь к скорости света. По мере того, как вы приближаетесь к скорости света, часы отодвигаются так, что время вообще не течет, а расстояния сокращаются до бесконечно малых величин.
Независимо от того, сколько энергии мы вкладываем в эти частицы, мы можем только добавить больше «девяток» справа от этого десятичного знака. Мы никогда не сможем достичь скорости света.
Или, точнее, мы никогда не сможем достичь скорости света в вакууме. То есть предельная космическая скорость 299 792 458 м/с недостижима для массивных частиц и одновременно является скоростью, с которой должны двигаться все безмассовые частицы.
Но что произойдет, если мы будем путешествовать не через вакуум, а через среду? Как оказалось, когда свет проходит через среду, его электрические и магнитные поля испытывают воздействие материи, через которую они проходят. Это приводит к тому, что когда свет входит в среду, немедленно изменяется скорость, с которой распространяется свет. Вот почему, когда вы наблюдаете, как свет входит в среду или выходит из нее, или переходит из одной среды в другую, кажется, что он изгибается. Свет, хотя и может свободно распространяться в вакууме, имеет скорость распространения и длину волны, сильно зависящие от свойств среды, через которую он проходит.
Свет, проходящий из ничтожной среды через плотную среду, проявляет преломление. Свет входит слева, попадает на призму и частично отражается (вверху), а оставшаяся часть проходит через призму и выходит справа. Свет, проходящий через призму, кажется искривленным, так как он движется с меньшей скоростью, чем раньше свет, проходящий через воздух. Когда он снова выходит из призмы, он снова преломляется, возвращаясь к своей первоначальной скорости.
Однако частицы постигла другая судьба. Если высокоэнергетическая частица, первоначально проходившая через вакуум, вдруг окажется в среде, ее поведение будет отличаться от поведения света.
Во-первых, он не испытает немедленного изменения импульса или энергии, так как электрические и магнитные силы, действующие на него, которые изменяют его импульс во времени, пренебрежимо малы по сравнению с количеством импульса, который он уже обладает. Вместо того, чтобы искривляться мгновенно, как кажется свету, изменения его траектории могут происходить только постепенно. Когда частицы впервые попадают в среду, они продолжают двигаться примерно с теми же свойствами, включая ту же скорость, что и до входа.
Во-вторых, крупные события, которые могут изменить траекторию частицы в среде, почти всегда являются прямыми взаимодействиями: столкновениями с другими частицами. Эти события рассеяния чрезвычайно важны в экспериментах по физике элементарных частиц, поскольку продукты этих столкновений позволяют нам реконструировать то, что произошло в точке столкновения. Когда быстро движущаяся частица сталкивается с рядом стационарных, мы называем это экспериментами с «фиксированной мишенью», и они используются во всем: от создания пучков нейтрино до создания частиц антивещества, которые имеют решающее значение для изучения определенных свойств природы.
Здесь пучок протонов направлен на дейтериевую мишень в эксперименте LUNA. Скорость ядерного синтеза при различных температурах помогла определить поперечное сечение дейтерия и протона, которое было наиболее неопределенным термином в уравнениях, используемых для расчета и понимания чистых содержаний, которые возникнут в конце нуклеосинтеза Большого взрыва. Эксперименты с фиксированной целью имеют множество применений в физике элементарных частиц.
Но самый интересный факт заключается в следующем: частицы, которые движутся медленнее света в вакууме, но быстрее света в среде, в которую они входят, на самом деле превышают скорость света. Это единственный реальный физический способ, которым частицы могут превысить скорость света. Они никогда не могут превысить скорость света в вакууме, но могут превысить ее в среде. И когда они это делают, происходит кое-что захватывающее: испускается особый тип излучения - черенковское излучение.
Названный в честь первооткрывателя Павла Черенкова, это один из тех физических эффектов, который был впервые отмечен экспериментально, прежде чем его предсказали. Черенков изучал приготовленные радиоактивные образцы, некоторые из которых хранились в воде. Радиоактивные препараты, по-видимому, излучали слабый голубоватый свет, и хотя Черенков изучал люминесценцию, при которой гамма-лучи возбуждали бы эти растворы, а затем испускали бы видимый свет при девозбуждении, он быстро пришел к выводу, что этот свет имел предпочтительное направление. Это было не флуоресцентное явление, а нечто совершенно другое.
Сегодня такое же голубое свечение можно увидеть в резервуарах с водой вокруг ядерных реакторов: черенковское излучение.
Ядерный экспериментальный реактор RA-6 (Республика Аргентина 6), ан марча, демонстрирующий характерное черенковское излучение от испускаемых в воде частиц со скоростью, превышающей скорость света. Нейтрино (или, точнее, антинейтрино), впервые выдвинутые Паули в 1930 году, были обнаружены в аналогичном ядерном реакторе в 1956 году.
Откуда эта радиация?
Когда через среду движется очень быстрая частица, эта частица обычно заряжена, а сама среда состоит из положительного (атомные ядра) и отрицательного (электроны) зарядов. Заряженная частица, путешествуя через эту среду, имеет шанс столкнуться с одной из находящихся там частиц, но, поскольку атомы в основном представляют собой пустое пространство, вероятность столкновения на коротких расстояниях относительно мала.
Вместо этого частица оказывает влияние на среду, через которую она проходит: она заставляет частицы в среде поляризоваться, когда одноименные заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, в ответ на прохождение заряженной частицы. через. Однако, как только заряженная частица уходит с пути, эти электроны возвращаются обратно в свое основное состояние, и эти переходы вызывают излучение света. В частности, они вызывают излучение синего света в форме конуса, где геометрия конуса зависит от скорости частицы и скорости света в этой конкретной среде.
Эта анимация демонстрирует, что происходит, когда релятивистская заряженная частица движется в среде со скоростью, превышающей скорость света. Взаимодействия заставляют частицу испускать конус излучения, известный как черенковское излучение, которое зависит от скорости и энергии падающей частицы. Обнаружение свойств этого излучения - чрезвычайно полезный и широко распространенный метод в экспериментальной физике элементарных частиц.
Это чрезвычайно важное свойство в физике элементарных частиц, поскольку именно этот процесс позволяет нам вообще обнаружить неуловимое нейтрино. Нейтрино почти никогда не взаимодействуют с материей. Однако в тех редких случаях, когда они это делают, они передают свою энергию только одной другой частице.
Что мы можем сделать, так это построить огромный резервуар с очень чистой жидкостью: жидкостью, которая не распадается радиоактивно и не испускает другие высокоэнергетические частицы. Мы можем очень хорошо защитить его от космических лучей, естественной радиоактивности и всевозможных других загрязняющих источников. А затем мы можем выложить снаружи этого резервуара так называемые фотоумножители: трубки, которые могут обнаруживать одиночный фотон, запуская каскад электронных реакций, позволяющих нам узнать, откуда, когда и в каком направлении пришел фотон.
С достаточно большими детекторами мы можем определить многие свойства каждого нейтрино, взаимодействующего с частицей в этих резервуарах. Возникающее в результате черенковское излучение, создаваемое до тех пор, пока частица, «выталкиваемая» нейтрино, превышает скорость света в этой жидкости, является невероятно полезным инструментом для измерения свойств этих призрачных космических частиц.
Нейтринное событие, идентифицируемое по кольцам черенковского излучения, которые появляются вдоль трубок фотоумножителей, выстилающих стенки детектора, демонстрирует успешную методологию нейтринной астрономии и использование черенковского излучения. Это изображение показывает несколько событий и является частью набора экспериментов, прокладывающих наш путь к лучшему пониманию нейтрино.
Открытие и понимание излучения Черенкова было революционным во многих отношениях, но оно также привело к пугающему применению в первые дни лабораторных экспериментов по физике элементарных частиц. Пучок энергичных частиц не оставляет оптических следов при прохождении через воздух, но вызывает излучение этого синего света, если он проходит через среду, где он движется быстрее, чем свет в этой среде. Физики привыкли закрывать один глаз и совать голову на пути луча; если бы луч был включен, они увидели бы «вспышку» света из-за излучения Черенкова, генерируемого в их глазу, подтверждая, что луч был включен.(Излишне говорить, что этот процесс был прекращен с появлением обучения радиационной безопасности.)
Тем не менее, несмотря на все достижения физики за прошедшие поколения, единственный известный нам способ превзойти скорость света - это найти среду, в которой можно замедлить этот свет. Мы можем превысить эту скорость только в среде, и если мы это сделаем, это предательское голубое свечение, которое предоставляет огромное количество информации о взаимодействии, которое его породило, станет нашей богатой данными наградой. Пока варп-двигатель или тахионы не станут реальностью, черенковское свечение - это путь №1!