Tscherenkow-Strahlung: Schneller als Licht im Wasser
Cherenkov Radiation - traveling faster than light
In der Diskussion auf Hacker News wird erklärt, dass Tscherenkow-Strahlung entsteht, wenn geladene Teilchen in einem Medium wie Wasser schneller sind als das Licht in diesem Medium. Das Licht selbst bewegt sich im Vakuum immer mit c, der maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Information. In Materie wird es jedoch langsamer, sodass Teilchen die lokale Lichtgeschwindigkeit überschreiten können. Dabei entsteht ein blaues Leuchten, das dem Überschallknall nachempfunden ist. Die Kommentatoren diskutieren die genaue Formulierung und die zugrunde liegende Physik.
Nichts kann sich schneller als das Licht im Vakuum bewegen. In anderen Medien können Teilchen jedoch potenziell schneller als das Licht sein.
- nuccy
Der Titel ist (wahrscheinlich absichtlich) irreführend, es sollte heißen "schneller als Licht in einem Medium". Nichts hier bewegt sich schneller als Licht im Vakuum.
Übrigens gibt es spezielle Teleskope zur Beobachtung von Gammastrahlen – sie können Gammastrahlen nicht direkt sehen, sondern beobachten einen Blitz von Tscherenkow-Licht einer Kaskade geladener Teilchen, die entsteht, wenn ein Gammastrahl auf Atome in der Atmosphäre trifft. Diese Teleskope sind Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes [1].
1. https://en.wikipedia.org/wiki/MAGIC_(telescope) oder https://en.wikipedia.org/wiki/VERITAS oder https://en.wikipedia.org/wiki/High_Energy_Stereoscopic_Syste... oder https://en.wikipedia.org/wiki/Cherenkov_Telescope_Array_Obse...
- hakonjdjohnsen
Eine lustige Tatsache über Tscherenkow-Strahlung ist, dass die Forschung zur Entwicklung effizienter Tscherenkow-Detektoren in den 1960er Jahren zur Entwicklung optischer Prinzipien führte, die noch heute für die Konstruktion 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 Tscherenkow-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 Tscherenkow-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 forsche selbst in diesem Bereich und finde die Optik und die Prinzipien dahinter endlos faszinierend
- maxnoe
Der Artikel hat einen Abschnitt darüber, wofür es verwendet werden kann, erwähnt aber nur die Verwendungen der IAEA.
Natürlich bin ich voreingenommen, weil ich in diesem Bereich arbeite, aber die mit Abstand weitreichendste Anwendung von Tscherenkow-Strahlung ist die Detektion hochenergetischer Teilchen, insbesondere in der Astrophysik.
- Imaging Atmospheric Cherenkov-Teleskope detektieren die in der Atmosphäre emittierte Tscherenkow-Strahlung, wenn ein hochenergetischer kosmischer Strahl oder Gammastrahl einen Luftschauer erzeugt
- Wasser-Tscherenkow-Detektoren detektieren Tscherenkow-Licht, wenn die Sekundärteilchen dieser Luftschauer Wassertanks am Boden erreichen
- Neutrinoteleskope wie Kamiokande, IceCube und KM3NeT detektieren Tscherenkow-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 Tscherenkow-Strahlung und die anschließende Rekonstruktion der ursprünglichen Teilcheneigenschaften.
- GlobalFrog
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-Tscherenkow-Strahlung emittieren, da sich dieses Teilchen schneller als Licht bewegen würde. Das wäre eine Art Überschallknall. Einige Theorien dazu besagen, dass ein Teilchen, das sich schneller als Licht bewegt, seine Energie verliert und Photonen aussendet.
IANAP (ja, ich bin kein Physiker), aber ich würde gerne eine Theorie darüber hören, wie solche Überlichtgeschwindigkeits-Teilchen nachgewiesen werden könnten, wenn es sie gäbe, und was die Beobachtung sein könnte, wahrscheinlich aufgrund dieses Vakuum-Tscherenkow-Effekts. Ich weiß, das widerspricht aller Physik, aber die Theorie wäre cool!
- prathje
Ich habe lange gebraucht, um eine Intuition für die Ausbreitung von Licht und elektromagnetischen Wellen zu entwickeln, und ich arbeite noch daran.
Grundsätzlich breiten sich Änderungen im EM-Feld immer mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum aus, also c (auch bekannt als die Geschwindigkeit der Kausalität). Einzelne EM-Wellen breiten sich mit genau dieser Geschwindigkeit aus und werden im Medium nicht magisch langsamer... sie breiten sich fröhlich mit Geschwindigkeit c aus! (Übrigens sind EM-Wellen komplizierter und beinhalten elektrische und magnetische Felder, die sich gemeinsam entwickeln).
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 oder irgendetwas dazwischen sein. Wenn sie unterschiedliche Frequenzen haben, können sie auch "Interferenz"-Muster oder Puls-Hüllkurven erzeugen, die langsamer und sogar schneller als c zu propagieren scheinen.
Zweifellos sind 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.