Quebrando a velocidade da luz

Crédito da imagem: Matt Howard, Laboratório Nacional de Idaho / Argonne.

É mais fácil do que você imagina, e fazemos isso há mais de um século.

Os médicos perceberam em retrospecto que, embora a maioria desses mortos também tivesse sofrido queimaduras e efeitos de explosão, eles absorveram radiação suficiente para matá-los. Os raios simplesmente destruíram as células do corpo – fizeram com que seus núcleos se degenerassem e quebrassem suas paredes. – John Hersey



Em geral, é bastante indiscutível que a radiação ionizante de alta energia é ruim para você . E quanto mais você obtém em um curto período de tempo, pior as pessoas geralmente tendem a se sair. Felizmente, a maior parte da radiação ionizante originária do Universo é bloqueada pela nossa atmosfera, e a maior parte da radiação com a qual lidamos aqui na Terra é muito baixa em energia para ionizar qualquer tipo de átomo ou molécula.



Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Indutiveload, modificações feitas por mim.

Ionizar é uma palavra simples, e significa apenas arrancar um elétron de um átomo ou molécula neutra. A luz visível (ou menos energética) normalmente não é forte o suficiente para fazê-lo, mas a radiação ultravioleta, raios X ou raios gama normalmente pode. Ele quebra as ligações, interrompendo a função das células e organelas em um nível molecular. Quanto maior a energia e mais luminosa a radiação, mais ligações podem ser quebradas.



Escusado será dizer que isso pode danificar o tecido vivo de forma bastante severa. Mas, apesar dos efeitos negativos, uma descontrolado dose de radiação ionizante pode ter, às vezes a radiação ionizante pode ser útil.

Crédito da imagem: Christina Macpherson.

Visadas a radiação – nas células cancerígenas, por exemplo – é útil exatamente por esta razão: destrói as células cancerígenas. Certo, alguns seu as células também estão no caminho, mas a radioterapia é projetada para matar o câncer mais rapidamente (e com mais eficácia) do que mata você.



Mas muita radiação ionizante causará muitos danos ao seu corpo e significará a ruína de qualquer ser humano. Aqui na Terra, as fontes mais intensas de partículas energéticas são aquelas que vêm dos aceleradores de partículas mais poderosos do mundo: atualmente, essa é a Grande Colisor de Hádrons , ou LHC.

Crédito da imagem: CERN / LHC, recuperada de http://aposasopa.com.br/ .

As partículas que eles aceleram – prótons – atingiram uma velocidade máxima de 299.792.447 metros por segundo , somente 11 metros por segundo tímido da velocidade da luz! Após a iminente atualização de energia do LHC, ele ficará ainda mais próximo: até 299.792.455 m/s , ou um tentador 99,9999991% da velocidade da luz.



Você acelera partículas carregadas usando campos elétricos e as dobra em uma forma circular usando campos magnéticos. Os eletroímãs são usados ​​há quase um século para aproximar cada vez mais as partículas carregadas dessa barreira inquebrável: a velocidade da luz: 299.792.458 m/s.

Crédito de animação: American Institute of Physics, obtido em aip.org.



Mas não há absolutamente nenhuma maneira de obter um próton, ou algum partícula com massa, para se mover em ou mais rápido do que A velocidade da luz; isso é proibido pela Relatividade Especial. Experimentalmente, seríamos capazes de dizer, a partir de nossos ajustes eletromagnéticos de aceleradores de partículas, se eles estivessem se movendo mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. E, no entanto, mesmo nas velocidades incríveis que essas partículas estão viajando, você não pode dizer se um feixe de prótons está ligado simplesmente olhando.

Image credit: KEK e+/e- LINAC.

Na verdade, mesmo se você entrou na linha de luz , você não seria capaz de sentir isto! Semelhante a como você não pode sentir os raios X no consultório do dentista, quando essas partículas atingem você, não há parte do seu sistema nervoso ou órgãos sensoriais que sejam sensíveis a elas.

E, no entanto, se você quiser detectar - como um humano – se o feixe de partículas de alta energia estava ligado ou desligado, existe uma maneira simples, que era bastante comum nos primeiros dias da física de partículas.

Crédito de imagem: K S Hundal, A A Mearza e N Joshi, Nature, via http://www.nature.com/eye/journal/v18/n4/fig_tab/6700668f1.html .

Com os olhos abertos, você simplesmente não consegue ver se há um feixe ou não, não importa o que você faça. Mas se você (fazer não tente isso) feche os olhos e coloque seu olho fechado onde o feixe deve ser , você começará a ver flashes de luz no interior da pálpebra se o feixe estiver ligado!

A razão para isso é tão simples quanto por que a luz se transforma em um arco-íris quando você a passa por um prisma.

Crédito da imagem: Grimsmann e Hansen.

Você vê, a velocidade da luz - 299.792.458 metros por segundo - é a velocidade da luz no vácuo . Mas se você passar essa luz através de um médio , ou algo feito de átomos em vez do vácuo do espaço vazio, a velocidade da luz será mais baixo do que no vácuo.

No ar, por exemplo, a velocidade da luz é apenas cerca de 299.790.000 m/s, mas na água – que é do que a maior parte do seu corpo é feito – a velocidade da luz já é cerca de 75% do que é no vácuo. !

Crédito da imagem: Richard Megna — Fotografias fundamentais.

Isso causa a estranha curvatura dos efeitos de luz que você vê quando coloca objetos parcialmente na água, mas Além disso faz com que a luz diminua!

E enquanto a luz de qualquer comprimento de onda pode diminuir instantaneamente em um meio, qualquer coisa com massa não vai . Então, se você estiver se movendo a 80%, 90% ou 99,9999% da velocidade da luz no vácuo e, de repente, passar para a água, você se verá se movendo mais rápido que a velocidade da luz nesse novo meio ! E se for esse o caso, algo notável acontece.

Crédito da imagem: Reed Research Reactor / Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos.

Quando uma partícula carregada se movendo mais devagar que a velocidade da luz no vácuo entra em um meio onde está se movendo mais rápido que a luz nesse meio , ele polariza as moléculas circundantes à medida que passa por elas. As moléculas excitadas caem rapidamente de volta ao seu estado fundamental, emitindo um tipo muito especial de radiação conhecido como radiação Čerenkov , que aparece como um brilho azul característico, por exemplo, no reator nuclear mostrado acima.

Polarizar as moléculas custa energia, e vem da partícula inicial mais rápida que a luz em um meio, que perde energia (e velocidade) em proporção a isso. Ele continuará perdendo energia dessa maneira até cair abaixo da velocidade da luz nesse meio, emitindo radiação Čerenkov o tempo todo. Por causa de como a luz de Čerenkov é emitida - perpendicular à partícula incidente, mas com algum momento em sua direção inicial - a radiação toma a forma de um cone estreito.

Crédito da imagem: Cherenkov Telescope Array na Argentina.

Então, se você colocar seu olho, com a pálpebra fechada no caminho de um feixe de partículas de alta energia, quando essas partículas atingirem o fluido em seu olho (o gel vítreo em particular), elas causarão a emissão de radiação Čerenkov, que inclui a luz visível. Em outras palavras, se o feixe estivesse ligado, você veria pontos de luz com o olho fechado!

Crédito da imagem: 2014 Oregon Eye Specialists e MedNet Technologies, Inc.

Se isso faz você se contorcer, é devemos. Os físicos costumavam morrer de câncer por falta de segurança quando se tratava de radiação em taxas alarmantes, e não temos mais (felizmente) permissão para testar se o feixe está ligado ou não por métodos como esse. Deixou de ser uma prática comum há cerca de 70 anos, o que é bom, porque à medida que as energias e luminosidades dos feixes aumentam, aumentam também os danos que podem causar aos tecidos vivos.

Mas em 1978, o acelerador de partículas mais poderoso da União Soviética — atingindo energias de 70 GeV — sofreu um acidente.

Crédito da imagem: Pravda / Protvino, via http://www.eco-pravda.ru/page.php?al=bugorsky_casus .

Anatoli Bugorski estava examinando um equipamento com defeito quando ocorreu uma falha de segurança, e o feixe acendeu, passando logo à esquerda de seu nariz, todo o crânio e pela parte traseira esquerda de seu crânio. Ele disse que viu uma luz mais brilhante que 1000 sóis, mas não sentiu dor.

Alguns dias depois, o lado esquerdo de seu rosto inchou tremendamente e as camadas de pele inchada começaram a descascar; ele ficou com danos permanentes nos nervos e agora tem convulsões complexas. Mas notavelmente, apesar de receber o que normalmente é uma dose letal de radiação, ele vive até hoje . O lado esquerdo de seu rosto não está apenas totalmente paralisado, mas parece ter parou de envelhecer . Como você pode ver, abaixo, o lado esquerdo de seu rosto parece muito mais jovem do que o certo, e a medicina moderna não sabe exatamente por quê!

Crédito da imagem: Pravda / Protvino, via http://www.eco-pravda.ru/page.php?al=bugorsky_casus .

Ele continua sendo um físico experimental, com sua capacidade mental de alguma forma inalterado desde o acidente .

Então, fisicamente, é realmente muito fácil quebrar a velocidade da luz, desde que você seja capaz de diminuir a velocidade da luz abaixo da velocidade de suas partículas! Reatores nucleares, aceleradores de partículas e raios cósmicos são exemplos comuns de fontes que emitem radiação Čerenkov na água, embora eu altamente recomendo usar algo de outros do que o seu corpo como o detector!

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