Tscherenkow-Strahlung: Schneller als Licht im Wasser

Eine lustige Tatsache über Cherenkov-Strahlung ist, dass die Forschung zur Entwicklung effizienter Cherenkov-Detektoren in den 1960er Jahren zur Entwicklung optischer Prinzipien führte, die noch heute für die Gestaltung von Beleuchtungssystemen und Solarkonzentratoren verwendet werden.

Der verstorbene Professor Roland Winston arbeitete an diesem Problem und entdeckte eine Geometrie, die das Licht einer diffusen Quelle wie Cherenkov-Strahlung mit nahezu idealer Leistung auf einen Detektor konzentrieren konnte ( https://doi.org/10.1063/1.1720428 ). Es stellte sich heraus, dass die effiziente Übertragung von Licht aus diffusen Quellen Anwendungen weit über die Detektion von Cherenkov-Strahlung hinaus hat, so dass Winston das Feld der Nonimaging Optics gründete und einen Großteil seiner restlichen Karriere damit verbrachte, die Grundlagen des Feldes zu entwickeln und eine Gemeinschaft von Wissenschaftlern zusammenzubringen, die das Feld voranbringen würden.

Ich selbst forsche auf diesem Gebiet und finde die Optik und die Prinzipien dahinter endlos faszinierend

Der Artikel hat einen Abschnitt darüber, wofür es verwendet werden kann, erwähnt aber nur die Verwendungen der IAEA.

Natürlich bin ich voreingenommen, weil ich auf diesem Gebiet arbeite, aber die mit Abstand weitreichendste Anwendung von Cherenkov-Strahlung ist die Detektion hochenergetischer Teilchen, insbesondere in der Astrophysik.

- Imaging Atmospheric Cherenkov-Teleskope detektieren die Cherenkov-Strahlung, die in der Atmosphäre emittiert wird, wenn ein hochenergetischer kosmischer Strahl oder Gammastrahl einen Luftschauer erzeugt

- Water Cherenkov Detectors detektieren Cherenkov-Licht, wenn die Sekundärteilchen dieser Luftschauer Wassertanks am Boden erreichen

- Neutrinoteleskope wie Kamiokande, Icecube und km3net detektieren Cherenkov-Strahlung in Wasser oder Eis, die von Sekundärteilchen erzeugt wird, die durch die seltenen Wechselwirkungen von Neutrinos in ihren Detektorvolumina entstehen

Moderne Hochenergie-Astrophysik dreht sich ganz um die Detektion verschiedener Arten von Cherenkov-Strahlung und die anschließende Rekonstruktion der ursprünglichen Teilcheneigenschaften.

Ich habe lange gebraucht, um eine Intuition für Licht und elektromagnetische Wellenausbreitung zu entwickeln, und ich arbeite noch daran.

Grundsätzlich breiten sich Änderungen im EM-Feld immer mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum aus, also c (auch als Kausalitätsgeschwindigkeit bekannt). Einzelne EM-Wellen breiten sich mit genau dieser Geschwindigkeit aus und werden in einem Medium nicht magisch langsamer... sie breiten sich fröhlich mit Geschwindigkeit c aus! (FYI EM-Wellen sind komplizierter als das und beinhalten elektrische und magnetische Felder, die sich gemeinsam entwickeln).

Aber da EM-Strahlung mit Materie wechselwirkt und diese Wechselwirkung selbst das EM-Feld wieder verändert, entstehen weitere EM-Wellen, die sich ebenfalls mit c ausbreiten. Daher breiten sie sich gemeinsam aus und das Nettoergebnis kann konstruktiv oder destruktiv sein oder irgendetwas dazwischen. Wenn sie unterschiedliche Frequenzen haben, können sie auch "Interferenz"-Muster oder Puls-Hüllkurven erzeugen, die scheinbar langsamer und sogar schneller als c wandern.

Zweifellos sind die Ursachen und Wirkungen nicht leicht zu verstehen, aber immer in Begriffen von Änderungen im EM-Feld zu denken, die sich IMMER mit c ausbreiten, hat mir geholfen.

Ich habe keine Ahnung, ob sie es noch tun, oder ob dies der allgemeinen Öffentlichkeit zugänglich war oder eine besondere Sache für unsere Gruppe war, aber einmal, in meinen frühen Teenagerjahren, durfte ich den Testreaktor von NIST in Boulder, Colorado, besichtigen.

An einem Punkt der Tour schalteten sie den Reaktor ein, während wir am Rand des Beckens standen, in das er eingetaucht war. Buchstäblich alles, was uns von der Magie der Kernspaltung trennte, waren etwa 5-6 Meter Wasser. Ich erinnere mich noch an das elektrisch blaue Leuchten der Cherenkov-Strahlung. Selbst mit Jahrzehnten des Lebens, der Erfahrung und der Bildung zwischen damals und heute ist es schwer, die psychische Wirkung zu beschreiben, mit eigenen Augen etwas zu beobachten, das ich bisher für unmöglich gehalten hatte. Etwas Ähnliches wie zum ersten Mal Narnia durch den Kleiderschrank zu sehen.

Ich interessierte mich damals schon für Physik (ich hatte einen Tag lang einen Geschwisterkind an der University of Washington begleitet und einige Jahre zuvor in ihrem Kurs "Physik für Geisteswissenschaftler" eine Vorlesung über Kernspaltung besucht), aber das war etwas ganz anderes. All das soll sagen: Ich hatte bereits verstanden, dass Drachen existieren, sozusagen, aber es gibt einen Unterschied zwischen dem Verstehen und dem Gefühl, ihren Atem im Gesicht zu spüren.

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Wie kann sich etwas schneller als Licht bewegen?

> Nichts kann sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bewegen. In anderen Medien können sich Teilchen jedoch möglicherweise schneller als Licht bewegen. Zum Beispiel würde Licht in Wasser sofort auf 75 % seiner normalen Geschwindigkeit verlangsamt, aber es gibt andere Teilchen, die nicht so stark verlangsamt werden und sich schließlich schneller als Licht bewegen. Wann immer das passiert, entsteht ein blaues oder violettes Leuchten.

Nachdem ich diese Antwort gelesen hatte, war ich nicht klüger.

Genau genommen ist das, was wir "Lichtgeschwindigkeit" nennen, die Grenzgeschwindigkeit, mit der sich Informationen und kausale Effekte durch die Raumzeit ausbreiten können. Im Vakuum stimmt sie mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen überein, also von Licht. In anderen Medien oder unter bestimmten Bedingungen kann sich Licht jedoch mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die geringer ist als

, ohne die von der Relativitätstheorie auferlegte fundamentale Grenze zu ändern.

Die Verwendung von "Lichtgeschwindigkeit" zur Bezeichnung von ist also etwas irreführend

Mehrere Kommentare hier erwähnen, dass sich nichts schneller als Licht im Vakuum bewegt, was richtig ist.

Aber...

Abgesehen von allen Überlegungen zur Kausalität: Wenn sich ein Teilchen schneller als Licht bewegen würde, würde es auch eine Vakuum-Cherenkov-Strahlung emittieren, da dieses Teilchen schneller als Licht wäre. Das wäre eine Art Überschallknall. Einige Theorien dazu besagen, dass ein Teilchen, das sich schneller als Licht bewegt, seine Energie verliert und Photonen emittiert.

IANAP (ja, ich bin kein Physiker), aber ich würde gerne eine Theorie darüber hören, wie diese FTL-Teilchen nachgewiesen werden könnten, wenn es sie gäbe, und was die Beobachtung sein könnte, die wahrscheinlich von diesem Vakuum-Cherenkov-Effekt stammt. Nochmals, ich weiß, dass dies gegen alle Physik verstößt, aber die Theorie wäre cool!