Быстрее света летит, ещё и сам светит
Угадайте, кто?
Электрон в огромной бочке с водой, которому хорошенького пинка под зад дали.
«В чём подвох?» - спросите вы совершенно справедливо, ведь никто ещё не отменял того факта, что ни один электрон, какого бы мощного пинка ему ни давали, со скоростью, превышающей 300 000 км/с, лететь никак не сможет.
Подвох же кроется в том, что свет далеко не всегда распространяется со скоростью 300 000 км/с. Этой величине (а если быть более точным 299 792 458 м/с) равна лишь скорость света в вакууме. То есть с такой быстротой он рассекает разве что межгалактическое пространство, вдали от звёзд и прочих газовых облаков и скоплений. В воздухе и, тем более, бочке с водой дело обстоит совершенно иначе.
В привычной нам окружающей среде, которая состоит из молекул и атомов, свету приходится тратить очень немалое время на взаимодействие с этими частицами - их возбуждение и последующее переизлучение. Можно сказать, что львиную долю времени фотоны только тем и занимаются, что возбуждают частицы среды, в которой они оказались - и делают они это тем больше, чем плотнее (дальше от состояния вакуума) среда. Потому некоторые высоколобые теоретики и предпочитают вовсе забыть о фотонах, и говорить лишь о так называемых, путешествующих по среде, экситонах (от англ. «excitation» - возбуждение). Но не в том суть.
Факт же состоит в том, что в бочке с дистиллированной водой скорость света за счёт его взаимодействия с частицами аш2о станет чуть ли не на треть меньше вакуумной! А это значит, что, в принципе, если хорошо постараться, то в ней вполне можно разогнать какую-нибудь частицу до скорости, превышающей «пониженную на треть световую». Что тогда произойдёт?
Возникнет весьма любопытный эффект, за открытие и объяснение которого трое учёных (Черенков, Тамм и Франк) даже были удостоены Нобелевской премии в 1958 году. Это может прозвучать странновато, однако между нашим «сверхсветовым» электроном в бочке с водой и сверхзвуковым самолётом в воздухе есть много общего! Это общее состоит в возникновении ударной волны.
Действительно, летящий самолёт заставляет частицы воздуха вокруг себя колебаться - таким образом возникают механические волны среды, более известные нам как звук. Скорость распространения звука (этих волн в воздухе) - величина ограниченная, и, когда самолёт оказывается быстрее волн, им порождаемых, звук, грубо говоря, начинает «не поспевать» за ним. В результате этого возникнет нечто вроде тянущегося за самолётом «хвоста» из звуковых волн, передний фронт распространения которых, как показано на рисунке ниже, образует конус. А в самой вершине (углу) этого конуса, собственно, находится самолёт. Конус - и есть ударная волна, эффектно запечатлённая на множестве видео с берущими разгон сверхзвуковыми самолётами.
В ситуации с нашим электроном наблюдается полностью аналогичная ситуация, только вместо сверхзвукового самолёта мы имеем частицу с огромной скоростью, а вместо звуковых волн - электромагнитные, т.е., по сути, свет. Таким образом, вместо ударной звуковой волны, наш быстрый электрон тянет за собой конусообразный шлейф из света, в случае бака с водой имеющий зеленовато-голубой оттенок. Называется этот эффект излучением Вавилова-Черенкова.
Интересным же бывает наблюдение за таким «свечением» электронов за счёт того, что оно позволяет делать выводы о том, что именно заставило их разогнаться до огромных скоростей. Так, например, в Японии на глубине 1 км под землёй прорыта лаборатория, в которой расположен детектор Super-Kamiokande, предназначенный для изучения одной из самых неуловимых частиц во Вселенной - нейтрино. Представляет из себя детектор как раз-таки огромный бак с водой, внутренняя сторона стенок которого сплошь покрыта огромным количеством светочуствительных приборов (на фото ниже), которые улавливали бы черенковское излучение. Эксперимент рассчитан на то, что нейтрино вступают в реакцию с электронами молекул воды, сообщая им огромную энергию, так что те приобретают огромную скорость и начинают генерировать излучение Вавилова-Черенкова. Примечательно, что этот эксперимент внёс посильную лепту в обнаружение у нейтрино ненулевой массы покоя.
Электрон в огромной бочке с водой, которому хорошенького пинка под зад дали.
«В чём подвох?» - спросите вы совершенно справедливо, ведь никто ещё не отменял того факта, что ни один электрон, какого бы мощного пинка ему ни давали, со скоростью, превышающей 300 000 км/с, лететь никак не сможет.
Подвох же кроется в том, что свет далеко не всегда распространяется со скоростью 300 000 км/с. Этой величине (а если быть более точным 299 792 458 м/с) равна лишь скорость света в вакууме. То есть с такой быстротой он рассекает разве что межгалактическое пространство, вдали от звёзд и прочих газовых облаков и скоплений. В воздухе и, тем более, бочке с водой дело обстоит совершенно иначе.
В привычной нам окружающей среде, которая состоит из молекул и атомов, свету приходится тратить очень немалое время на взаимодействие с этими частицами - их возбуждение и последующее переизлучение. Можно сказать, что львиную долю времени фотоны только тем и занимаются, что возбуждают частицы среды, в которой они оказались - и делают они это тем больше, чем плотнее (дальше от состояния вакуума) среда. Потому некоторые высоколобые теоретики и предпочитают вовсе забыть о фотонах, и говорить лишь о так называемых, путешествующих по среде, экситонах (от англ. «excitation» - возбуждение). Но не в том суть.
Факт же состоит в том, что в бочке с дистиллированной водой скорость света за счёт его взаимодействия с частицами аш2о станет чуть ли не на треть меньше вакуумной! А это значит, что, в принципе, если хорошо постараться, то в ней вполне можно разогнать какую-нибудь частицу до скорости, превышающей «пониженную на треть световую». Что тогда произойдёт?
Возникнет весьма любопытный эффект, за открытие и объяснение которого трое учёных (Черенков, Тамм и Франк) даже были удостоены Нобелевской премии в 1958 году. Это может прозвучать странновато, однако между нашим «сверхсветовым» электроном в бочке с водой и сверхзвуковым самолётом в воздухе есть много общего! Это общее состоит в возникновении ударной волны.
Click to viewДействительно, летящий самолёт заставляет частицы воздуха вокруг себя колебаться - таким образом возникают механические волны среды, более известные нам как звук. Скорость распространения звука (этих волн в воздухе) - величина ограниченная, и, когда самолёт оказывается быстрее волн, им порождаемых, звук, грубо говоря, начинает «не поспевать» за ним. В результате этого возникнет нечто вроде тянущегося за самолётом «хвоста» из звуковых волн, передний фронт распространения которых, как показано на рисунке ниже, образует конус. А в самой вершине (углу) этого конуса, собственно, находится самолёт. Конус - и есть ударная волна, эффектно запечатлённая на множестве видео с берущими разгон сверхзвуковыми самолётами.
В ситуации с нашим электроном наблюдается полностью аналогичная ситуация, только вместо сверхзвукового самолёта мы имеем частицу с огромной скоростью, а вместо звуковых волн - электромагнитные, т.е., по сути, свет. Таким образом, вместо ударной звуковой волны, наш быстрый электрон тянет за собой конусообразный шлейф из света, в случае бака с водой имеющий зеленовато-голубой оттенок. Называется этот эффект излучением Вавилова-Черенкова.
Интересным же бывает наблюдение за таким «свечением» электронов за счёт того, что оно позволяет делать выводы о том, что именно заставило их разогнаться до огромных скоростей. Так, например, в Японии на глубине 1 км под землёй прорыта лаборатория, в которой расположен детектор Super-Kamiokande, предназначенный для изучения одной из самых неуловимых частиц во Вселенной - нейтрино. Представляет из себя детектор как раз-таки огромный бак с водой, внутренняя сторона стенок которого сплошь покрыта огромным количеством светочуствительных приборов (на фото ниже), которые улавливали бы черенковское излучение. Эксперимент рассчитан на то, что нейтрино вступают в реакцию с электронами молекул воды, сообщая им огромную энергию, так что те приобретают огромную скорость и начинают генерировать излучение Вавилова-Черенкова. Примечательно, что этот эксперимент внёс посильную лепту в обнаружение у нейтрино ненулевой массы покоя.