Onnettomuus, joka muutti fysiikan
Kuvittele tilanne: Vuonna 1934 Pavel Tšerenkov -niminen tiedemies tekee omaa työtään ja tutkii nesteen luminesenssia. Äkillä hän huomaa jotain outoa – heikon sinisen hohteen näytteistään. Useimmat olisivat ohittaneet sen erikoisuutena, mutta Tšerenkovista tuli utelias.
Tuo uteliaisuus toi hänelle fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1958, jonka hän jakoi Ilja Frankin ja Igor Tamin kanssa. Rehellisesti sanottuna tämä löydös on yksi fysiikan hienoimmista (ja aliarvioiduimmista) ilmiöistä.
Odota, valoa nopeammin?
Tiedän, mitä ajattelet: ”Mikään ei voi kulkea valoa nopeammin!” Ja olet täysin oikeassa... suurimmaksi osaksi.
Asia on näin: valo ei aina kulje kuuluisalla 300 000 kilometrin sekuntinopeudella. Kun valo kulkee vedessä, se hidastuu huomattavasti – noin 75 prosenttiin normaalista nopeudestaan. Se on kuin äänen eri etenemisnopeus vedessä verrattuna ilmaan.
Tietyt hiukkaset (kuten elektronit) eivät hidastu yhtä paljon tullessaan veteen. Siksi ne voivat todellisuudessa ohittaa valon kyseisessä väliaineessa. Tämä ei riko mitään kosmisia lakeja – nopeusrajoitus vain muuttuu riippuen siitä, minkä materiaalin läpi valo kulkee.
Kosminen analogia
Mieti, mitä tapahtuu, kun ylirennot suihkukone lentää ääntä nopeammin. Kuulet äänipommin – äänen shokkiaallon, joka saavuttaa korvasi yhtäkkiä kerralla.
Kun varautuneet hiukkaset liikkuvat väliaineessa valoa nopeammin, tapahtuu vastaavaa, paitsi että kyse on valosta äänen sijaan. Nopeasti liikkuvat hiukkaset luovat käytännössä optisen ”äänipommin” – näkyvän valon shokkiaallon. Eikö olekin hienoa?
Miksi sininen? Miksi ei vihreä tai vaaleanpunainen?
Tässä kohtaa asia muuttuu aidosti kiehtovaksi. Veden läpi kulkevat hiukkaset törmäävät atomeihin ja poistavat ne mukavista, tasapainoisista energiatiloistaan. Nämä atomit ”hermostuvat” (tieteellisesti ilmaistuna) ja vapauttavat fotoneja rauhoittuakseen.
Tässä mukana oleva energia on melko voimakasta, mikä tarkoittaa, että fotonit syntyvät korkeataajuisina, lyhytaaltoisina aaltoina. Ja tässä on avain: sininen ja violetti valo ovat näkyvän spektrin lyhytaaltoisimpia ja korkeataajuisimpia. Siksi näemme juuri ne.
Sama syy selittää, miksi taivas näyttää siniseltä – kyse on aallonpituuksista. (Hauska fakta: myös ultraviolettivaloa syntyy, mutta silmämme eivät havaitse sitä.)
Todelliset sovellukset (Tämä on hurjaa)
Tässä kohtaa ”kiva fysiikan temppu” muuttuu aidosti tärkeäksi teknologiaksi.
Muistatko ne siniset hohteet, joita näet elokuvissa ydinreaktorien ympärillä? Ne ovat totta. Kun ydinmateriaali on vedessä olevissa jäähdytysaltaissa, syntyy Tšerenkovin säteilyä, joka tuottaa tuon tunnusomaisen sinisen hohteen.
Tämä ei ole vain hieno visuaalinen efekti – sitä käytetään ydinturvallisuudessa ja -turvajärjestelmissä. Kansainvälinen atomienergiajärjestö (IAEA) käyttää erikoislaitteita tämän hohteen havaitsemiseen ja mittaamiseen. Niillä voidaan varmistaa, raportoivatko maat ydinmateriaalinsa ja niiden käytön tarkasti.
Mieti hetki: fyysikon utelias havainto vuonna 1934 auttaa nyt estämään ydinase