Mënyra e vetme për të mposhtur shpejtësinë e dritës

Mënyra e vetme për të mposhtur shpejtësinë e dritës në LinkedIn
Në Universin tonë, ka disa rregulla që çdo gjë duhet t’i bindet. Energjia, momenti dhe momenti këndor ruhen gjithmonë sa herë që ndërveprojnë dy kuante. Fizika e çdo sistemi grimcash që ecën përpara në kohë është identike me fizikën e të njëjtit sistem të pasqyruar në një pasqyrë, me grimca të shkëmbyera me antigrimca, ku drejtimi i kohës është i kundërt. Dhe ekziston një kufi i fundit i shpejtësisë kozmike që zbatohet për çdo objekt: asgjë nuk mund të kalojë kurrë shpejtësinë e dritës dhe asgjë me masë nuk mund ta arrijë kurrë atë shpejtësi të lavdëruar.

Me kalimin e viteve, njerëzit kanë zhvilluar skema shumë të zgjuara për të provuar të anashkalojnë këtë kufi të fundit. Teorikisht, ata i kanë prezantuar takionet si grimca hipotetike që mund të tejkalojnë shpejtësinë e dritës, por takionët duhet të kenë masa imagjinare dhe nuk ekzistojnë fizikisht. Brenda Relativitetit të Përgjithshëm, hapësira mjaft e shtrembëruar mund të krijojë shtigje alternative, të shkurtuara mbi atë që drita duhet të përshkojë, por Universi ynë fizik nuk ka vrima krimbash të njohur. Dhe ndërsa ngatërrimi kuantik mund të krijojë veprim “drithërues” në distancë, asnjë informacion nuk transmetohet kurrë më shpejt se drita.

Por ka një mënyrë për të mposhtur shpejtësinë e dritës: futni çdo medium tjetër përveç një vakumi të përsosur. Këtu është fizika se si funksionon.

Drita, duhet të mbani mend, është një valë elektromagnetike. Sigurisht, ajo gjithashtu sillet si një grimcë, por kur flasim për shpejtësinë e përhapjes së saj, është shumë më e dobishme ta mendojmë atë jo vetëm si një valë, por si një valë fushash elektrike dhe magnetike lëkundëse, në fazë. Kur udhëton nëpër vakum të hapësirës, ​​nuk ka asgjë për t’i kufizuar ato fusha që të udhëtojnë me amplituda që do të zgjidhnin natyrshëm, të përcaktuar nga energjia, frekuenca dhe gjatësia e valës së valës. (Të cilat janë të gjitha të lidhura.)

Por kur drita udhëton përmes një mediumi – domethënë, çdo rajon ku ngarkesat elektrike (dhe ndoshta rrymat elektrike) janë të pranishme – ato fusha elektrike dhe magnetike hasin një nivel të rezistencës ndaj përhapjes së tyre të lirë. Nga të gjitha gjërat që janë të lira të ndryshojnë ose të mbeten të njëjta, vetia e dritës që mbetet konstante është frekuenca e saj kur lëviz nga vakum në medium, nga një mjedis në vakum ose nga një medium në tjetrin.

Udhëtoni në Univers me astrofizikantin Ethan Siegel. Abonentët do të marrin buletinin çdo të shtunë. Të gjithë në bord!
Fushat e shënuara me * janë të nevojshme.
Nëse frekuenca qëndron e njëjtë, megjithatë, kjo do të thotë se gjatësia e valës duhet të ndryshojë, dhe meqë frekuenca e shumëzuar me gjatësinë e valës është e barabartë me shpejtësinë, kjo do të thotë se shpejtësia e dritës duhet të ndryshojë ndërsa mediumi që po përhapni përmes ndryshimeve.

Një demonstrim spektakolar i kësaj është thyerja e dritës ndërsa kalon nëpër një prizëm. Drita e bardhë – si drita e diellit – përbëhet nga drita e një larmie vale të vazhdueshme dhe të gjerë. Gjatesite valore me te gjata, si drita e kuqe, posedojne frekuenca me te vogla, ndersa gjatesite valore me te shkurtra, si drita blu, kane frekuenca me te medha. Në një vakum, të gjitha gjatësitë e valëve udhëtojnë me të njëjtën shpejtësi: frekuenca e shumëzuar me gjatësinë e valës është e barabartë me shpejtësinë e dritës. Gjatesite valore me blu kane me shume energji dhe keshtu fushat e tyre elektrike dhe magnetike jane me te forta se drita me gjate valore me te kuqe.

Kur e kaloni këtë dritë përmes një mediumi shpërndarës si një prizëm, të gjitha gjatësitë e valëve të ndryshme përgjigjen paksa ndryshe. Sa më shumë energji të keni në fushat tuaja elektrike dhe magnetike, aq më i madh është efekti që ato përjetojnë nga kalimi përmes një mediumi. Frekuenca e të gjithë dritës mbetet e pandryshuar, por gjatësia e valës së dritës me energji më të lartë shkurtohet me një sasi më të madhe se drita me energji më të ulët.

Si rezultat, edhe pse e gjithë drita udhëton më ngadalë nëpër një mjedis sesa vakum, drita më e kuqe ngadalësohet me një sasi pak më të vogël se drita blu, duke çuar në shumë fenomene optike magjepsëse, të tilla si ekzistenca e ylberëve kur drita e diellit shpërthen në gjatësi vale të ndryshme ndërsa kalon. përmes pikave dhe pikave të ujit.

Në vakum të hapësirës, ​​megjithatë, drita nuk ka zgjidhje – pavarësisht nga gjatësia e valës apo frekuenca e saj – veçse të udhëtojë me një shpejtësi dhe vetëm një shpejtësi: shpejtësinë e dritës në vakum. Kjo është gjithashtu shpejtësia me të cilën duhet të udhëtojë çdo formë e rrezatimit të pastër, siç është rrezatimi gravitacional, dhe gjithashtu shpejtësia, sipas ligjeve të relativitetit, me të cilën duhet të udhëtojë çdo grimcë pa masë.

Por shumica e grimcave në Univers kanë masë, dhe si rezultat, ato duhet të ndjekin rregulla paksa të ndryshme. Nëse keni masë, shpejtësia e dritës në vakum është ende kufiri juaj përfundimtar i shpejtësisë, por në vend që të detyroheni të udhëtoni me atë shpejtësi, është një kufi që nuk mund ta arrini kurrë; ju vetëm mund t’i afroheni.

Sa më shumë energji të vendosni në grimcën tuaj masive, aq më afër mund të lëvizë me shpejtësinë e dritës, por gjithmonë duhet të udhëtojë më ngadalë. Grimcat më energjike të krijuara ndonjëherë në Tokë, të cilat janë protone në Përplasësin e Madh të Hadronit, mund të udhëtojnë tepër afër shpejtësisë së dritës në vakum: 299,792,455 metra në sekondë, ose 99,999999% e shpejtësisë së dritës.

Pavarësisht se sa energji pompojmë në ato grimca, ne mund të shtojmë vetëm më shumë “9” në të djathtë të atij vendi dhjetor. Ne kurrë nuk mund të arrijmë shpejtësinë e dritës.

Ose, më saktë, nuk mund të arrijmë kurrë shpejtësinë e dritës në vakum. Kjo do të thotë, kufiri përfundimtar i shpejtësisë kozmike, prej 299,792,458 m/s është i paarritshëm për grimcat masive, dhe njëkohësisht është shpejtësia me të cilën duhet të udhëtojnë të gjitha grimcat pa masë.

Por çfarë ndodh atëherë, nëse udhëtojmë jo përmes një vakumi, por përmes një mediumi? Siç rezulton, kur drita udhëton nëpër një medium, fushat e saj elektrike dhe magnetike ndjejnë efektet e materies nëpër të cilën ato kalojnë. Kjo ka efektin, kur drita hyn në një mjedis, të ndryshojë menjëherë shpejtësinë me të cilën udhëton drita. Kjo është arsyeja pse, kur shikoni dritën që hyn ose del nga një medium, ose kalon nga një medium në tjetrin, duket se përkulet. Drita, ndonëse e lirë për t’u përhapur e pakufizuar në vakum, ka shpejtësinë e saj të përhapjes dhe gjatësia e valës së saj varet shumë nga vetitë e mediumit nëpër të cilin udhëton.

Megjithatë, grimcat kanë një fat tjetër. Nëse një grimcë me energji të lartë që fillimisht po kalonte nëpër një vakum e gjen veten duke udhëtuar në një mjedis, sjellja e saj do të jetë e ndryshme nga ajo e dritës.

Së pari, ai nuk do të përjetojë një ndryshim të menjëhershëm në momentin ose energjinë, pasi forcat elektrike dhe magnetike që veprojnë mbi të – të cilat ndryshojnë vrullin e tij me kalimin e kohës – janë të papërfillshme në krahasim me sasinë e momentit që ajo tashmë posedon. Në vend që të përkulet në çast, siç duket drita, ndryshimet e trajektores së saj mund të vazhdojnë vetëm në një mënyrë graduale. Kur grimcat hyjnë për herë të parë në një mjedis, ato vazhdojnë të lëvizin me afërsisht të njëjtat veti, duke përfshirë të njëjtën shpejtësi, si përpara se të hynin.

Së dyti, ngjarjet e mëdha që mund të ndryshojnë trajektoren e një grimce në një mjedis janë pothuajse të gjitha ndërveprime të drejtpërdrejta: përplasje me grimcat e tjera. Këto ngjarje shpërndarjeje janë jashtëzakonisht të rëndësishme në eksperimentet e fizikës së grimcave, pasi produktet e këtyre përplasjeve na mundësojnë të rindërtojmë çdo gjë që ka ndodhur përsëri në pikën e përplasjes. Kur një grimcë me lëvizje të shpejtë përplaset me një sërë grimcash të palëvizshme, ne i quajmë këto eksperimente të “objektivit fiks” dhe ato përdoren në çdo gjë, nga krijimi i rrezeve të neutrinos deri tek krijimi i grimcave antimateries që janë kritike për eksplorimin e vetive të caktuara të natyrës.

Por fakti më interesant është ky: grimcat që lëvizin më ngadalë se drita në vakum, por më shpejt se drita në mjedisin ku hyjnë, në fakt po thyejnë shpejtësinë e dritës. Kjo është e vetmja mënyrë reale fizike që grimcat mund të tejkalojnë shpejtësinë e dritës. Ata kurrë nuk mund ta tejkalojnë shpejtësinë e dritës në vakum, por mund ta tejkalojnë atë në një mjedis. Dhe kur ato ndodhin, ndodh diçka magjepsëse: një lloj i veçantë rrezatimi – rrezatimi Cherenkov – emetohet.

I emëruar sipas zbuluesit të tij, Pavel Cherenkov, është një nga ato efekte fizike që u vu re për herë të parë eksperimentalisht, përpara se të parashikohej ndonjëherë. Cherenkov po studionte mostrat radioaktive që ishin përgatitur dhe disa prej tyre po ruheshin në ujë. Preparatet radioaktive dukej se lëshonin një dritë të dobët, me ngjyrë kaltërosh, dhe megjithëse Cherenkov po studionte luminescencën – ku rrezet gama do t’i ngacmonin këto solucione, të cilat më pas do të lëshonin dritë të dukshme kur ato çeksitoheshin – ai shpejt arriti në përfundimin se kjo dritë kishte një drejtim të preferuar. Nuk ishte një fenomen fluoreshent, por diçka krejtësisht tjetër.

Sot, e njëjta shkëlqim blu mund të shihet në rezervuarët e ujit që rrethojnë reaktorët bërthamorë: rrezatimi Cherenkov.

Nga vjen ky rrezatim?

Kur keni një grimcë shumë të shpejtë që udhëton nëpër një mjedis, ajo grimcë në përgjithësi do të ngarkohet, dhe vetë mediumi përbëhet nga ngarkesa pozitive (bërthamë atomike) dhe negative (elektrone). Grimca e ngarkuar, ndërsa udhëton nëpër këtë medium, ka një shans të përplaset me një nga grimcat atje, por duke qenë se atomet janë kryesisht hapësirë ​​boshe, shanset për një përplasje janë relativisht të ulëta në distanca të shkurtra.

Në vend të kësaj, grimca ka një efekt në mediumin nëpër të cilin udhëton: bën që grimcat në mjedis të polarizohen – ku ashtu si ngarkesat zmbrapsen dhe ngarkesat e kundërta tërhiqen – në përgjigje të grimcës së ngarkuar që po kalon. Megjithatë, sapo grimca e ngarkuar të dalë jashtë rrugës, ato elektrone kthehen në gjendjen e tyre bazë dhe ato kalime shkaktojnë emetimin e dritës. Në mënyrë të veçantë, ato shkaktojnë emetimin e dritës blu në një formë konike, ku gjeometria e konit varet nga shpejtësia e grimcave dhe shpejtësia e dritës në atë mjedis të veçantë.

Kjo është një veti jashtëzakonisht e rëndësishme në fizikën e grimcave, pasi është pikërisht ky proces që na lejon të zbulojmë fare neutrinën e pakapshme. Neutrinot nuk ndërveprojnë fare me materien. Megjithatë, në raste të rralla që ata e bëjnë, ata i japin energjinë e tyre vetëm një grimce tjetër.

Ajo që mund të bëjmë, pra, është të ndërtojmë një rezervuar të madh me lëng shumë të pastër: lëng që nuk prishet në mënyrë radioaktive ose nuk lëshon grimca të tjera me energji të lartë. Ne mund ta mbrojmë atë shumë mirë nga rrezet kozmike, radioaktiviteti natyror dhe nga të gjitha llojet e burimeve të tjera ndotëse. Dhe më pas, ne mund të rreshtojmë pjesën e jashtme të këtij rezervuari me ato që njihen si tubat e fotoshumëzuesit: tuba që mund të zbulojnë një foton të vetëm, duke shkaktuar një kaskadë reaksionesh elektronike që na mundësojnë të dimë se nga, kur dhe në çfarë drejtimi erdhi një foton.

Me detektorë mjaft të mëdhenj, ne mund të përcaktojmë shumë veti për çdo neutrino që ndërvepron me një grimcë në këto tanke. Rrezatimi Cherenkov që rezulton, i prodhuar për aq kohë sa grimca e “shkelmuar” nga neutrinoja tejkalon shpejtësinë e dritës në atë lëng, është një mjet tepër i dobishëm për matjen e vetive të këtyre grimcave kozmike fantazmë.

Zbulimi dhe kuptimi i rrezatimit Cherenkov ishte revolucionar në shumë mënyra, por gjithashtu çoi në një aplikim të frikshëm në ditët e para të eksperimenteve të fizikës së grimcave laboratorike. Një rreze grimcash energjike nuk lë asnjë nënshkrim optik ndërsa udhëton nëpër ajër, por do të shkaktojë emetimin e kësaj drite blu nëse kalon nëpër një mjedis ku udhëton më shpejt se drita në atë mjedis. Fizikantët mbyllnin njërin sy dhe fusnin kokën në rrugën e rrezes; nëse rrezja ishte ndezur, ata do të shihnin një “blic” drite për shkak të rrezatimit Cherenkov të gjeneruar në syrin e tyre, duke konfirmuar që rrezja ishte ndezur. (Eshtë e panevojshme të thuhet se ky proces u ndërpre me ardhjen e trajnimit për sigurinë nga rrezatimi.)

Prapëseprapë, pavarësisht nga të gjitha përparimet që kanë ndodhur në fizikë gjatë brezave që ndërhynë, e vetmja mënyrë që ne dimë për të mposhtur shpejtësinë e dritës është të gjesh veten një medium ku mund ta ngadalësosh atë dritë. Ne mund ta tejkalojmë atë shpejtësi vetëm në një medium, dhe nëse e bëjmë, kjo shkëlqim blu treguese – e cila ofron një sasi të madhe informacioni në lidhje me ndërveprimin që e shkaktoi atë – është shpërblimi ynë i pasur me të dhëna. Derisa të bëhet realitet “varp drive” ose tachyons, shkëlqimi i Cherenkov është mënyra numër 1!