• Começa Com Um Estrondo

É assim que os físicos enganam as partículas para ir mais rápido que a luz

O núcleo do Reator de Teste Avançado do Laboratório Nacional de Idaho não está brilhando em azul porque há luzes azuis envolvidas, mas porque este é um reator nuclear que produz partículas carregadas relativísticas que são cercadas por água. Quando as partículas passam por essa água, elas excedem a velocidade da luz nesse meio, fazendo com que emitam radiação Cherenkov, que aparece como essa luz azul brilhante. (LABORATÓRIO NACIONAL DE ARGONNE)

Se você acha que nada pode se mover mais rápido que a luz, confira esta maneira inteligente de superar esse limite.

Nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Quando Einstein apresentou sua teoria da relatividade, este era seu postulado inviolável: que havia um limite máximo de velocidade cósmica e que apenas partículas sem massa poderiam alcançá-lo. Todas as partículas massivas só poderiam se aproximar dele, mas nunca o alcançariam. A velocidade da luz, de acordo com Einstein, era a mesma para todos os observadores em todos os referenciais, e nenhuma forma de matéria poderia alcançá-la.

Mas essa interpretação de Einstein omite uma ressalva importante: tudo isso só é verdade no vácuo do espaço puro e perfeitamente vazio. Através de um meio de qualquer tipo – seja ar, água, vidro, acrílico ou qualquer gás, líquido ou sólido – a luz viaja a uma velocidade mensurável mais lenta. As partículas energéticas, por outro lado, só são obrigadas a viajar mais devagar que a luz no vácuo, não a luz em um meio. Aproveitando essa propriedade da natureza, podemos realmente ir mais rápido que a luz.

A luz emitida pelo Sol viaja através do vácuo do espaço a exatamente 299.792.458 m/s: o limite máximo de velocidade cósmica. Assim que essa luz atinge um meio, no entanto, incluindo algo como a atmosfera da Terra, esses fótons diminuem de velocidade à medida que se movem apenas na velocidade da luz através desse meio. Embora nenhuma partícula massiva possa atingir a velocidade da luz no vácuo, ela pode facilmente atingir ou até exceder a velocidade da luz em um meio. (FYODOR YURCHIKHIN / AGÊNCIA ESPACIAL RUSSA)

Imagine um raio de luz que viaja diretamente para longe do Sol. No vácuo do espaço, se nenhuma partícula ou matéria estiver presente, ela realmente viajará no limite máximo de velocidade cósmica, c : 299.792.458 m/s, a velocidade da luz no vácuo. Embora a humanidade tenha produzido partículas extremamente energéticas em aceleradores e aceleradores – e detectado partículas ainda mais energéticas vindas de fontes extragalácticas – sabemos que não podemos quebrar esse limite.

No LHC, os prótons acelerados podem atingir velocidades de até 299.792.455 m/s, apenas 3 m/s abaixo da velocidade da luz. No LEP, que acelerou elétrons e pósitrons em vez de prótons no mesmo túnel CERN que o LHC agora ocupa, a velocidade máxima das partículas foi de 299.792.457,9964 m/s, que é a partícula acelerada mais rápida já criada. E o raio cósmico de mais alta energia chega com uma velocidade extraordinária de 299.792.457,999999999999918 m/s, o que perderia uma corrida com um fóton para Andrômeda e voltar por apenas seis segundos.

Todas as partículas sem massa viajam na velocidade da luz, mas a velocidade da luz muda dependendo se está viajando no vácuo ou em um meio. Se você corresse com a partícula de raio cósmico de maior energia já descoberta com um fóton para a galáxia de Andrômeda e voltasse, uma jornada de ~ 5 milhões de anos-luz, a partícula perderia a corrida por aproximadamente 6 segundos. (NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET)

Podemos acelerar partículas de matéria muito próximas à velocidade da luz no vácuo, mas nunca podemos alcançá-la ou ultrapassá-la. No entanto, isso não significa que nunca podemos ir mais rápido que a luz; significa apenas que não podemos ir mais rápido que a luz no vácuo. Em um meio, a história é extremamente diferente.

Você pode ver isso por si mesmo passando um raio de sol que atinge a Terra através de um prisma. Enquanto a luz que se move pelo ar pode estar viajando a velocidades tão próximas da velocidade da luz no vácuo que sua partida é imperceptível, a luz através de um prisma se curva claramente. Isso se deve ao fato de que a velocidade da luz cai significativamente em um meio mais denso: é de apenas ~225.000.000 m/s na água e apenas 197.000.000 m/s em vidro de coroa. Essa velocidade lenta, combinada com uma variedade de leis de conservação, garante que a luz se dobre e se disperse em um meio.

O comportamento da luz branca ao passar por um prisma demonstra como a luz de diferentes energias se move em diferentes velocidades através de um meio, mas não através do vácuo. Newton foi o primeiro a explicar a reflexão, a refração, a absorção e a transmissão, bem como a capacidade da luz branca de se dividir em cores diferentes. (UNIVERSIDADE DE IOWA)

Essa propriedade leva a uma previsão incrível: a possibilidade de você se mover mais rápido que a luz, desde que esteja em um meio onde a velocidade da luz esteja abaixo da velocidade da luz no vácuo. Por exemplo, muitos processos nucleares causam a emissão de uma partícula carregada – como um elétron – por meio de fusão, fissão ou decaimento radioativo. Embora essas partículas carregadas possam ser energéticas e se mover rapidamente, elas nunca podem atingir a velocidade da luz no vácuo.

Mas se você passar essa partícula por um meio, mesmo que seja algo tão simples quanto a água, de repente ela descobrirá que está se movendo mais rápido que a velocidade da luz nesse meio. Enquanto esse meio for composto de partículas de matéria e a partícula mais rápida que a luz estiver carregada, ele emitirá uma forma especial de radiação que é característica dessa configuração: radiação Čerenkov (pronuncia-se Cherenkov) .

Reator nuclear experimental RA-6 (República Argentina 6), em marcha, mostrando a característica radiação Cherenkov das partículas mais rápidas que a luz na água emitidas. Os neutrinos (ou mais precisamente, os antineutrinos) formulados pela primeira vez por Pauli em 1930 foram detectados a partir de um reator nuclear similar em 1956. a radiação revolucionou a física das partículas. (CENTRO ATÔMICO DE BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

A radiação Čerenkov aparece caracteristicamente como um brilho azul e é emitida sempre que uma partícula carregada viaja mais rápido que a luz em um meio específico. É mais comumente visto, como acima, na água ao redor dos reatores nucleares. As reações internas causam a emissão de partículas de alta energia que se movem mais rápido que a luz na água, mas quantidades substanciais de água cercam o reator para proteger o ambiente externo da emissão prejudicial de radiação.

Isso é extremamente eficaz! Existem interações eletromagnéticas que ocorrem entre a partícula carregada em movimento e as partículas (carregadas) que compõem o meio pelo qual ela está viajando, e essas interações fazem com que a partícula em movimento emita radiação de uma energia particular em todas as direções permitidas: radialmente para fora, perpendicular a a direção de seu movimento.

Esta animação mostra o que acontece quando uma partícula carregada relativística se move mais rápido que a luz em um meio. As interações fazem com que a partícula emita um cone de radiação conhecido como radiação Cherenkov, que depende da velocidade e da energia da partícula incidente. Detectar as propriedades desta radiação é uma técnica extremamente útil e difundida em física de partículas experimental. . (TRABALHO PRÓPRIO / H. SELDON / DOMÍNIO PÚBLICO)

Mas como a partícula que emite a radiação está em movimento e se move tão rapidamente, todos esses fótons emitidos serão impulsionados. Em vez de obter um anel de fótons que simplesmente se move para fora, essa partícula – movendo-se mais rápido que a luz no meio pelo qual viaja – emitirá um cone de radiação que viaja na mesma direção do movimento da partícula que o emite.

A radiação Čerenkov sai em um ângulo definido por apenas dois fatores:

1. a velocidade da partícula (v_particle, mais rápida que a luz no meio, mas mais lenta que a luz no vácuo),
2. e a velocidade da luz no meio (v_light).

Na verdade, a fórmula é bem simples: θ = arccos (v_light/v_particle). Em linguagem simples, isso significa que o ângulo em que a luz sai é o cosseno inverso da razão dessas duas velocidades, a velocidade da luz no meio para a velocidade da partícula.

O tanque cheio de água em Super Kamiokande, que estabeleceu os limites mais rigorosos para a vida útil do próton. Este enorme tanque não está apenas cheio de líquido, mas também revestido com tubos fotomultiplicadores. Quando ocorre uma interação, como um ataque de neutrinos, um decaimento radioativo ou (teoricamente) um decaimento de prótons, a luz Cherenkov é produzida e pode ser detectada pelos tubos fotomultiplicadores que nos permitem reconstruir as propriedades e origens da partícula. (ICRR, OBSERVATÓRIO KAMIOKA, UNIVERSIDADE DE TÓQUIO)

Há algumas coisas importantes a serem observadas sobre a radiação de Čerenkov. A primeira é que ele carrega energia e momento, que por necessidade tem que vir da partícula que está se movendo mais rápido que a luz no meio. Isso significa que as partículas que emitem radiação Čerenkov desaceleram devido à sua emissão.

A segunda é que o ângulo em que a radiação de Čerenkov é emitida nos permite determinar a velocidade da partícula que causou sua emissão. Se você puder medir a luz de Čerenkov que se origina de uma partícula específica, poderá reconstruir as propriedades dessa partícula. A maneira como isso funciona, na prática, é que você pode configurar um grande tanque de material com tubos fotomultiplicadores (capazes de detectar fótons individuais) revestindo a borda, e a radiação Čerenkov detectada permite reconstruir as propriedades da partícula que entra, incluindo onde originou-se em seu detector.

Um evento de neutrinos, identificável pelos anéis de radiação de Cerenkov que aparecem ao longo dos tubos fotomultiplicadores que revestem as paredes do detector, mostra a metodologia bem-sucedida da astronomia de neutrinos e aproveitando o uso da radiação de Cherenkov. Esta imagem mostra vários eventos e faz parte do conjunto de experimentos que abre caminho para uma maior compreensão dos neutrinos. (COLABORAÇÃO SUPER KAMIOKANDE)

Curiosamente, a radiação de Čerenkov foi teorizada mesmo antes da teoria da relatividade de Einstein, onde definhou na obscuridade. O matemático Oliver Heaviside previu isso em 1888-9, e independentemente Arnold Sommerfeld (que ajudou a quantizar o átomo de hidrogênio) fez isso em 1904. Mas com o advento da relatividade especial de Einstein em 1905, ninguém estava interessado o suficiente nessa linha de pensamento para pegá-la novamente. Mesmo quando Marie Curie observou a luz azul em uma solução concentrada de rádio (em 1910), ela não investigou sua origem.

Em vez disso, coube a um jovem pesquisador chamado Pavel Čerenkov, que estava trabalhando na luminescência de elementos pesados. Quando você excita um elemento, seus elétrons desexcitam espontaneamente, caindo em cascata nos níveis de energia e emitindo luz à medida que o fazem. O que Čerenkov notou, e então investigou, foi a luz azul que não se encaixava apenas nessa estrutura. Algo mais estava em jogo.

Os raios cósmicos, que são partículas de energia ultra-alta originárias de todo o Universo, atingem prótons na atmosfera superior e produzem chuvas de novas partículas. As partículas carregadas em movimento rápido também emitem luz devido à radiação Cherenkov, pois se movem mais rápido que a velocidade da luz na atmosfera da Terra. Atualmente, existem conjuntos de telescópios sendo construídos e expandidos para detectar essa luz de Cherenkov diretamente. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Čerenkov preparou soluções aquosas ricas em radioatividade e notou aquela luz azul característica. Quando você tem um fenômeno fluorescente, onde os elétrons desexcitam e emitem radiação visível, essa radiação é isotrópica: a mesma em todas as direções. Mas com uma fonte radioativa na água, a radiação não era isotrópica, mas sim em cones. Esses cones foram mostrados mais tarde para corresponder a partículas carregadas emitidas. A nova forma de radiação, mal compreendida na época da descoberta de Čerenkov em 1934, foi, portanto, denominada radiação de Čerenkov.

Três anos depois, os colegas teóricos de Čerenkov, Igor Tamm e Ilya Frank, foram capazes de descrever com sucesso esses efeitos no contexto da relatividade e do eletromagnetismo, o que levou os detectores de Čerenkov a se tornarem uma técnica útil e padrão na física de partículas experimental. Os três dividiram o Prêmio Nobel de Física em 1958.

Em 1958, o Prêmio Nobel de Física foi concedido aos três indivíduos responsáveis ​​por revelar as propriedades experimentais e teóricas da radiação emitida quando partículas carregadas se movem mais rápido que a luz em um meio. O brilho azul, conhecido hoje como radiação Čerenkov, tem enormes aplicações na física até hoje. (NOBEL MIDDLE AB 2019)

A radiação de Čerenkov é um fenômeno tão notável que quando os primeiros elétrons acelerados, nos primeiros dias da física de partículas nos Estados Unidos, os físicos fecharam um olho e o colocaram no caminho de onde o feixe de elétrons deveria estar. Se o feixe estivesse ligado, os elétrons produziriam radiação Čerenkov no ambiente aquoso do globo ocular do físico, e esses flashes de luz indicariam que elétrons relativísticos estavam sendo produzidos. Uma vez que os efeitos da radiação no corpo humano se tornaram mais bem compreendidos, precauções de segurança foram postas em prática para evitar que os físicos se envenenassem.

Mas o fenômeno subjacente é o mesmo, não importa para onde você vá: uma partícula carregada que se move mais rápido que a luz se move em um meio emitirá um cone de radiação azul, desacelerando enquanto revela informações sobre sua energia e momento. Você ainda não pode quebrar o limite máximo de velocidade cósmica, mas a menos que esteja em um vácuo verdadeiro e perfeito, você sempre pode ir mais rápido que a luz. Tudo que você precisa é de energia suficiente.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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