تابش چرنکوف

براساس نظریه نسبیت اینشتین، هیچ ذره ای که جرم سکون حقیقی بزرگتر از صفر داشته باشد نمی تواند در فضا با سرعتی بیش از سرعتی بیشتر از نور حرکت کند چرا که برای رساندن چنین ذره ای به نور، بی نهایت انرژی لازم داریم ( جرم سکون فوتون صفر است و بنابراین مشکلی با این مساله ندارد). با توجه به آنچه بیان شد می بینیم که محدودیت رسیدن به سرعت نور اساسا ممکن و میسر نیست. در این مقاله برخی از این حالت های شگفت انگیز را با هم مرور می کنیم.

در این عکس تابش آبی رنگ اسرار آمیز چرنکوف را در قلب نیروگاه پژهشی واقع در آزمایشگاه ملی ایداهوی آمریکا مشاهده می کنید. این تابش اسرار آمیز از الکترون هایی گسیل می شوند که با سرعتی فراتر از سرعت نور در حال عبور از آب محفظه استخری نیروگاه هستند. این الکترون ها پر از انرژی فروپاشی هسته ای رادیواکتیو در قلب نیروگاه حاصل می شوند.

۱- تابش اسرار آمیز چرنکوف
براساس نسبیت خاص هیچ ذره ای با جرم حقیقی بزرگتر از صفر نمی تواند به سرعت نور در خلا- که یک ثابت جهانی است- برسد. بر این اساس اولین گزینه ای که برای سبقت گرفتن از نور به ذهن می رسد آن است که سرعت نور را کم کنیم و این اتفاقی است که بطور طبیعی در تمامی اجسام شفاف رخ می دهد. بعنوان مثال سرعت نور در آب تنها ۷۵ درصد سرعت نور در خلا است و بنابراین هیچ محدودیتی برای عبور این سرعت از نگاه نسبیت خاص اینشتین وجود ندارد.
در سال ۱۹۳۴ یک فیزیکدان روس بنام پاول الکسویچ چرنکوف برای نخستین بار موفق شد این نوع سبقت گرفتن ذرات از نور را بطور تجربی مشاهده کند. چرنکوف در آزمایش خود مشاهده کرد چنانچه یک بطری شفاف پر از آب را در معرض تابش های رادیواکتیو بتا قرار دهیم، نور آبی رنگ اسرار آمیزی از آب درون بطری گسیل می شود.
منشا این نور آبی رنگ اسرار آمیز برای فیزیک دان ها به معمایی تبدیل شده بود تا اینکه تقریبا سه سال بعد دو فیزیکدان به نام های ایلیا فرانک و ایگور تام با استفاده از معادلات نسبیت خاص اینشتین موفق شدند منشا نور آبی اسرار آمیز را توضیح دهند. آنها نشان دادند که هر وقت یک ذره باردار با سرعتی بیش از سرعت نور در محیط شفافی حرکت کتد، بخشی از انرژی خود را بصورت طیفی از فوتون ها گسیل می کند. محاسبات فرانک و تام نشان داد که فوتون های تابش اسرار آمیز در امتداد یک مخروط نوری از ذره باردار در حال حرکت گسیل می شوند. ( دقیقا همانند مخروط ماخ که وقتی یک هواپیمای مافوق صوت با سرعتی فراتر از سرعت صوت در هوا حرکت می کند شکل می گیرد).
بدین ترتیب مشخص شد که نور آبی رنگ اسرار آمیزی که چرنکوف در آزمایش خود مشاهده کرده بود در واقع از الکترون هایی گسیل می شده که با سرعتی بیش از سرعت نور از آب درون بطری عبور می کردند. به مناسبت این کشف بسیار مهم جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۵۸ بطور مشترک به چرنکوف، فرانک و تام اهدا شد.

2- میان بر زدن از درون ابعاد بالاتر هستی
براساس نظریه ریسمان ها و خصوصا نظریه M کل هستی یا کائنات از ابعاد مکانی بالاتری، فراتر از سه بعد مکانی جهان ما تشکیل شده است. در این دیدگاه، جهان ما در واقع یک ابر رویه یا ابر سطح سه بعدی است که در گستره ی بی پایان ابعاد بالاتر هستی- موسوم به ابر فض- شناور است. در سال ۲۰۰۶ هاینریش پاس، فیزیکدان دانشگاه هاوایی آمریکا بر مبنای وجود این ابعاد بالاتر ، ایده حیرت انگیزی را برای ارسال ذراتی موسوم به " نوترینوهای خنثی » از نقطه ای از جهان به نقطه ای دیگر از آن با سرعتی فراتر از سرعت نور مطرح کرد. در نظریه هاینریش پاس چنانچه جهان ما - که براساس مشاهدات کیهان شناسی هندسه ای تخت دارد- در ابعاد بالاتری به شدت انحنا دارند شناور باشد می توان از طریق میان بر زدن از درون ابعاد بالاتر با سرعتی حتی سریعتر از نور از بخشی از جهان به بخش دیگری از آن رسید.

البته هر ذره ای را نمی توان به این سفر فرانوری فرستاد چرا که برای تحقق ایده هاینریش پاس پیش از همه به ذراتی احتیاج داریم که بتواند از سه بعد مکانی جهان ما خارج شده و وارد ابر فضا شوند. اما آیا چنین ذراتی وجود دارند؟
براساس نظریه ریسمان ها که ذرات بنیادی در واقع بصورت ریسمان های بسیار کوچک و مرتعش انرژی هستند. این ریسمان ها می توانند باز یا مانند یک حلقه بسته باشند. طبق نظریه ریسمان ها و نظریه M دو انتهای ریسمان های باز همواره باید به ابر سطح یا همان جهانی که به آن تعلق دارند متصل باشند و همین مساله سبب می شود که این نوع ریسمان ها هیچ گاه نتوانند از جهان خود جدا شده و وارد ابعاد بالاتر ابر فضا شوند. از آنجایی که تقربیا تمامی ذرات بنیادین جهان ما از نوع ریسمان های باز هستند، این ذرات همواره به جهان ما مقید بوده و امکان خروج از جهان و ورود به حوزه ابر فضا را ندارند.

با این حال استثناهایی هم در این موارد وجود دارد. یکی از این استثناها، ذراتی بنام " نوترینوهای خنثی » هستند. نوترینوهای خنثی در واقع ریسمان های مرتعش بسته ای هستند که بر خلاف ریسمان های باز، دو سر ابتدایی و انتهایی ندارند که به جهان ما مقید باشند و بنابریان می توانند آزادانه از ابعاد سه گانه جهان ما خارج شده و وارد حوزه اسرار آمیز ابر فضا شوند. این نوترینوهای خنثی در صورت وجود به هیچ یک از سه خانواده شناخته شده نوترینوها تعلق نداشته و آشکارسازی غیر مستقیم آنها از طریق فرایند تبدیل نوترینوها به همدیگر وجود دارد.

برمبنای قوانین فیزیک کوانتومی و بر طبق آزمایشات صورت گرفته در ژاپن و آمریکا می دانیم که نوترینوها می توانند از نوعی به نوع دیگر تبدیل شوند، بر همین طبق، هاینریش پاس و همکارانش پیشنهاد آزمایشی را ارائه دادند که می تواند امکان سفر با سرعت فرا نوری را بطور تجربی نشان دهد. در این آزمایش، باریکه ای نوترینوهای معمولی از یک مرکز تحقیقاتی واقع در قطب جنوب به سوی آشکارسازی روی خط استوا ارسال خواهد شد . هنگام عبور باریکه از میان کره زمین، بخشی از نوترینوها به نوترینوهای خنثی تبدیل خواهند شد. از آنجایی که این نوع نوترینوها قادرند از میان ابعاد بالاتر فراسوی جهان ما میان بر بزنند بنابراین زودتر از بقیه به آن سوی کره زمین خواهند رسید.، به گونه ای که گویی از نور هم سریع تر حرکت کرده اند. همین که این نوترینوها از آن سوی زمین خارج شده و وارد اتمسفر شوند، دوباره تغییر نوع داده و به نوترینوهای معمولی- که قابل آشکارسازی هستند- بدل خواهند شد. نتیجه اینکه آزمایشگران در کمال تعجب می بینند تعدادی از نوترینوها مسیر خود را حتی سریع تر از نور طی کرده اند، اما باید توجه داشت که در اینجا هم نسبیت خاص اینشتین نقض نشده است چرا که نوترینوها عملا با تبدیل شدن به نوترینوهای خنثی از درون ابعاد بالاتر ابر فضا میان بر زده و به این ترتیب از نور هم پیش گرفته اند.

هر چند آزمایش پیشنهاد شده هاینریش پاس فراتر از توانمندی فناوری فعلی میباشد اما احتمالا این آزمایش طی ۵۰ سال آینده میسر خواهد شد. خوشبختانه با راه اندازی یک باریکه جدیدی نوترینو در آزمایشگاه فیزیک ذرات بنیادی CERN احتمالا تا حدود سه سال آینده پاسخ این پرسش مهم را خواهیم یافت. و اما شرط دو آن است که همان طور که هاینریش پاس فرض کرده جهان ما واقعا در میان ابعاد بالاتر و به شدت خمیده ای شناور باشد. اما آیا واقعا چنین است؟ هنوز نمی دانیم.

نقل از سایت جامع فیزیک

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات