تابش چرنکوف چیست؟

در روز ۲۳ سپتامبر ۲۰۱۱ (برابر با اول مهر ماه ۹۰) فیزیکدانان آزمایش نوترینوی ایرا( OPERA) اعلام کردند که موفق به ثبت نوترینوهایی شده‌اند که فاصله ۷۳۰ کیلومتری مسیر خود در این آزمایش را با سرعتی بیش از سرعت نور طی کرده‌اند. این خبر بلافاصله سر و صدای زیادی را در رسانه‌های علمی جهان ایجاد کرد؛ چرا که در نگاه اول به نظر می‌رسید سبقت گرفتن نوترینوها از نور عملا با نظریه نسبیت خاص اینشتین در تناقض باشد. به همین دلیل هم بسیاری از کارشناسان از همان ابتدا نسبت به نتایج آزمایش اپرا به دیده تردید نگریستند و دست آخر هم معلوم شد که حق با آن‌ها بوده است.

ظاهرا یکی از سیم‌هایی که اطلاعات سیگنال‌های زمانی GPS را منتقل می‌کرده اتصالی داشته و همین مسأله سبب ثبت داده‌های نادرست در آزمایش اپرا شده بود. سرانجام هم با استعفای مدیر گروه پژوهشی اپرا این ماجرا که به یکی از جنجالی‌ترین اشتباهات علمی قرن بیست و یکم تبدیل شده بود خاتمه پیدا کرد. اما نتایج اشتباه آزمایش اپرا خالی از فایده هم نبود؛ چراکه حداقل سبب شد فیزیکدان‌ها یک بار دیگر بعضی نظریاتی را که امکان پیشی گرفتن از سرعت نور را تحت شرایطی مجاز می‌دانند مجددا مرور کنند.

سؤال این است که آیا حرکت با سرعتی فراتر از سرعت نور اساسا ممکن است یا خیر؟

می‌دانیم که بر اساس نظریه نسبیت خاص اینشتین، هیچ ذره‌ای که جرم سکون حقیقی بزرگ‌تر از صفر داشته باشد نمی‌تواند در فضا با سرعتی بیش از سرعت سیر نور حرکت کند چرا که برای رساندن چنین ذره‌ای به سرعت نور، بینهایت انرژی لازم داریم (جرم سکون فوتون صفر است و بنابراین مشکلی با این مسأله ندارد). با توجه به آنچه بیان شد می‌بینیم که محدودیت رسیدن به سرعت نور و حتی فراتر رفتن از آن به هیچ وجه مطلق نیست؛ بلکه شرایطی دارد. به عبارتی تحت شرایط ویژه‌ای عبور از سرعت نور اساسا ممکن و میسر است. در این مقاله برخی از این حالت‌های شگفت‌انگیز را با همدیگر مرور می‌کنیم.

تابش اسرارآمیز چرنکوف

بر اساس نسبیت خاص هیچ ذره‌ای با جرم حقیقی بزرگتر از صفر نمی‌تواند به سرعت نور در خلا که یک ثابت جهانی است – برسد. بر این اساس اولین گزینه‌ای که برای سبقت گرفتن از نور به ذهن می‌رسد آن است که سرعت نور را کم کنیم و این اتفاقی است که به طور طبیعی در تمامی اجسام شفاف رخ می‌دهد. به عنوان مثال سرعت نور در آب تنها ۷۵ درصد سرعت آن در خلا است و بنابراین هیچ محدودیتی برای عبور از این سرعت از نگاه نسبیت خاص اینشتین وجود ندارد.

در سال ۱۳۱۳٫۱۹۳۴ یک فیزیکدان روس به نام پاول الکسیویچ چرنکوف برای نخستین بار موفق شد این نوع سبقت گرفتن ذرات از نور را به طور تجربی مشاهده کند. چرنکوف در آزمایش خود مشاهده کرد چنانچه یک بطری شفاف پر از آب را در معرض تابش‌های رادیواکتیو بتا قرار دهیم، نور آبی رنگ اسرارآمیزی از آب درون بطری گسیل می‌شود. منشأ این نور آبی رنگ اسرارآمیز برای فیزیکدان‌ها به معمایی تبدیل شده بود تا اینکه تقریبا سه سال بعد دو فیزیکدان به نام‌های ایلیا فرانک و ایگور تام با استفاده از معادلات نسبیت خاص اینشتین موفق شدند منشأ نور آبی اسرارآمیز را توضیح دهند.

آن‌ها نشان دادند که هر وقت یک ذره باردار با سرعتی بیش از سرعت نور در محیط شفافی حرکت کند، بخشی از انرژی خود را به صورت طیفی از قوتونها گسیل می‌کند. محاسبات فرانک و تام نشان داد که فوتون‌های این تابش اسرارآمیز در امتداد یک مخروط نوری از ذره باردار در حال حرکت گسیل می‌شوند (دقیقا همانند مخروط ماخ که وقتی یک هواپیمای مافوق صوت با سرعتی فراتر از سرعت صوت در هوا حرکت می‌کند شکل می‌گیرد). بدین ترتیب مشخص شد که نور آبی رنگ اسرار آمیزی که چرنکوف در آزمایش خود مشاهده کرده بود در واقع از الکترون‌هایی گسیل می‌شده که با سرعتی بیش از سرعت نور از آب درون بطری عبور می‌کردند. به مناسبت این کشف بسیار مهم جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۳۳۷/ ۱۹۵۸ به طور مشترک به چرنکوف، فرانک و تام اهدا شد.