Radiasi Cherenkov dapat disebut fisika abad ke-19, yang secara tidak sengaja mencapai abad ke-20. Dia bisa diprediksi (dan sampai batas tertentu oleh fisikawan
Heaviside ) pada tahun 1880-an, tetapi efek ini ditemukan secara kebetulan, mungkin oleh Maria dan Pierre Curie. Itu dipelajari dengan cermat oleh Pavel Cherenkov pada 1930-an, dan setelah beberapa tahun efeknya dijelaskan secara rinci oleh
Ilya Mikhailovich Frank dan
Igor Evgenievich Tamm . Tiga dari fisikawan ini menerima Hadiah Nobel pada tahun 1958 karena mempelajari fenomena ini.
Catatan terjemahan: dalam sumber-sumber bahasa Inggris, hampir selalu ketika menggambarkan radiasi Cherenkov, para penulis buru-buru menyebutkan pasangan Curie dan fakta bahwa, pada awal abad ke-20, mereka tampaknya mengamati semacam cahaya biru dalam eksperimen mereka dengan radiasi. Namun, mereka biasanya tidak menunjukkan sumber informasi ini; dalam kasus yang jarang terjadi, mereka menulis bahwa informasi itu diperoleh berdasarkan membaca buku seni, biografi pasangan Curie, yang ditulis oleh putri mereka, Eva.
Dan dalam biografi itu sendiri tentang cahaya biru, hanya ini yang dikatakan:
"Dan di antara gudang yang gelap, bejana kaca dengan partikel radium yang berharga, diletakkan, karena kurangnya lemari, hanya di atas meja, di rak kayu yang dipakukan di dinding, bersinar dengan siluet berpijar kebiru-biruan, seolah menggantung dalam gelap." // "Pierre dan Marie Curie", trans. dari S. A. Shukarev Prancis, Evgeny Fedorovich Korsh, ed. 1959Pengamatan seperti apa itu? Cherenkov mempelajari cahaya biru yang muncul pada saat benda-benda radioaktif (mengandung atom, yang nukleusnya meluruh menjadi nuklei lain, memuntahkan partikel berenergi tinggi, di antaranya terdapat elektron dan positron) ditempatkan di sebelah air dan bahan transparan lainnya. Sekarang kita tahu bahwa partikel bermuatan listrik, seperti elektron yang bergerak dengan energi cukup tinggi melalui air, udara atau media transparan lainnya, akan memancarkan cahaya biru. Cahaya ini bergerak dari partikel pada sudut tertentu ke arah gerakannya.
Apa yang sedang terjadi Seperti dipahami Frank dan Tamm, ini adalah kejutan fotonik, mirip dengan ledakan sonik yang terjadi ketika pesawat supersonik bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara, atau kegembiraan yang diciptakan oleh kapal yang bepergian melalui air. Cahaya dalam media transparan akan bergerak pada kecepatan yang berbeda dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa karena interaksi antara cahaya dan partikel bermuatan (elektron dan inti atom) yang membentuk media ini. Misalnya, dalam air, cahaya bergerak sekitar 25% lebih lambat daripada di ruang hampa! Karenanya, lebih mudah bagi elektron berenergi tinggi untuk bergerak lebih cepat daripada cahaya yang bergerak di air, dan pada saat yang sama tidak melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Jika partikel tersebut bergerak melalui air, ia menciptakan gelombang ledakan elektromagnetik, mirip dengan gelombang ledakan yang diciptakan oleh pesawat supersonik di udara padat. Gelombang ini berasal dari partikel, sama seperti gelombang suara berasal dari pesawat terbang, dan membawa energi dalam berbagai bentuk (panjang gelombang) radiasi elektromagnetik, termasuk cahaya tampak. Pada ujung ungu pelangi, lebih banyak energi dihasilkan daripada pada merah, sehingga cahaya untuk mata dan otak kita sebagian besar tampak biru.
Radiasi semacam itu sangat berguna dalam fisika partikel, karena ia menyediakan cara terbaik untuk mendeteksi partikel berenergi tinggi! Kita tidak hanya dapat melihat keberadaan partikel bermuatan energi tinggi berkat cahaya yang dipancarkan olehnya, kita dapat memahami lebih banyak lagi dengan mempelajari detail cahaya ini. Pola radiasi yang akurat dapat membantu menentukan (a) jalur mana partikel mengikuti dalam medium, (b) berapa banyak energi yang dibawanya, dan bahkan (c) sesuatu tentang massanya (karena elektron akan tersebar di medium, dan partikel yang lebih berat akan berperilaku berbeda). Beberapa percobaan yang sangat penting, termasuk yang kemudian menerima Hadiah Nobel, didasarkan pada radiasi ini. Di antara mereka adalah eksperimen yang memainkan peran utama dalam studi neutrino, misalnya,
Super-Kamiokande .
Radiasi Cherenkov juga sangat berguna dalam memverifikasi kebenaran deskripsi alam oleh teori relativitas Einstein. Sinar kosmik - partikel yang terbang dari angkasa luar (sering bertabrakan dengan sesuatu di atmosfer dan menghasilkan kaskade partikel yang dapat dideteksi oleh detektor di bumi), dalam kasus yang jarang terjadi, dapat memiliki energi yang sangat tinggi - 100 juta kali lebih tinggi daripada energi proton di Collider Hadron Besar. Partikel-partikel ini (sejauh yang kita tahu) diciptakan pada jarak beberapa tahun cahaya dari Bumi dalam peristiwa astronomi yang sangat kuat seperti supernova. Misalkan kecepatan cahaya tidak akan menjadi batas kecepatan universal, dan partikel-partikel ini akan bergerak lebih cepat daripada cahaya dalam ruang hampa udara. Kemudian partikel berenergi tinggi ini juga akan menyebabkan radiasi Cherenkov. Dan karena perjalanan mereka begitu lama, mereka akan kehilangan banyak energi pada radiasi ini. Ternyata kehilangan energi ini dapat terjadi dengan sangat cepat, dan bahwa dalam kasus ini partikel-partikel ini tidak dapat menempuh jarak astronomi dan mempertahankan tingkat energi setinggi itu, kecuali jika kecepatannya tetap kurang dari kecepatan cahaya.
Singkatnya, jika sinar kosmik dari energi super dapat bergerak lebih cepat dari cahaya, maka kita tidak dapat mengamati sinar kosmik dengan energi seperti itu, karena mereka harus kehilangan semua energinya sebelum mencapai Bumi. Tapi kami mengamati mereka.
Ada tangkapan kecil: kami hampir yakin bahwa sebagian besar dari mereka memiliki muatan: sifat-sifatnya menunjukkan bahwa mereka berpartisipasi dalam interaksi nuklir yang kuat, dan satu-satunya partikel stabil yang dapat menempuh jarak seperti itu adalah proton, dan secara umum, inti atom, dan mereka semua memiliki muatan listrik. Sekalipun Anda menggunakan trik ini, tetapi batasannya bisa sedikit dilonggarkan, tetapi mereka akan tetap cukup kuat.
Dari sini kita dapat menyimpulkan: sinar kosmik energi ultra-tinggi (dan juga umumnya semua sinar kosmik energi rendah) tidak dapat bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya, setidaknya jauh lebih cepat. Dan jika kemajuan ini ada, maka perkiraannya, dibuat pada akhir 1990-an oleh fisikawan terkenal
Sidney Coleman dan
Sheldon Glashow , mengatakan bahwa nilai ini bisa sama dengan sepuluh bagian dari satu triliun triliun. Sejak itu, keterbatasan ini mungkin ditingkatkan berkat data eksperimental.
Demikian pula, fakta bahwa kita dapat mengamati elektron berenergi tinggi memberikan batasan pada kecepatannya relatif terhadap kecepatan cahaya. Salah satu pernyataan terakhir yang saya baca mengatakan bahwa dari pengamatan elektron dengan energi hingga 0,5 TeV dapat disimpulkan bahwa elektron tidak dapat melebihi kecepatan cahaya lebih dari satu bagian dari seribu triliun.