ОБГОНЯЯ СВЕТ
Нужны исключительные обстоятельства, чтобы имя ученого попало из науки в историю человечества.
Увидеть невидимое!
В абсолютной темноте работали дни за днями молодые энтузиасты, изучавшие в начале тридцатых годов природу света.
Изучать свет в темноте! Что может быть нелепее этого! Но тем не менее в здании Академии наук на набережной Невы ученые ежедневно входили в совершенно затемненные комнаты и подолгу сидели в них, обдумывая предстоящие опыты. Да, они сидели в абсолютной темноте и ничего не делали.
Готовились. Подготавливали свои глаза. Лишь через час ощупью подходили к заранее отрегулированным приборам и приступали к работе.
Опыт начинался. Они смотрели и видели то, что совершенно невидимо для остальных людей. Видели свечение столь слабое, что его не мог воспринять ни один из приборов, существовавших в то время.
Это были сотрудники и ученики Сергея Ивановича Вавилова, доказавшего, что человеческий глаз после часового пребывания в темноте способен видеть мельчайшие порции света, измеряемые всего десятками световых квантов-фотонов.
Советские оптики настойчиво изучали люминесценцию — странную способность некоторых веществ самопроизвольно излучать слабый таинственный свет.
Такое самосвечение наблюдают не только ученые. Помните светлячков, то вспыхивающих, то исчезающих в ночной листве? А тому, кто бывал летней ночью на южном море, не забыть серебристой вуали, окутывающей тело пловца, подводную часть лодки, превращающей в фейерверк взбитые веслом каскады брызг.
Светящиеся в темноте стрелки и цифры часов, авиационных приборов… Портреты и пейзажи, писанные светящимися красками… Почему все это светится? Какая невидимая рука поджигает вещество изнутри?
Эту-то загадку и разгадывал Вавилов и его ученики.
…Молодые люди, впервые приходящие сегодня на лекции академика Павла Алексеевича Черенкова, обычно не знают, что курс экспериментальной физики им будет читать ученый, открывший эффект Черенкова. Ведь для молодежи эффект Черенкова так же стар, как и эффект Доплера и другие явления, волнующие воображение многих поколений студентов.
Но вот звонок, и в аудиторию входит спортивного вида человек. Лекция его увлекает так, как может захватить лишь рассказ активного участника интересных событий…
В 1932 году, в то время, когда начинающий физик Павел Черенков изучал свечение растворов ураниловых солей под влиянием гамма-лучей радия, большинство особенностей явления люминесценции оставалось непонятным. Всякое оригинальное наблюдение имело здесь цену. Но особенно важным было выявление новых, неизвестных ранее закономерностей.
Приходя утром в лабораторию и подготавливая глаза, Черенков обдумывал очередной опыт.
Как изменится свечение знакомого раствора, если увеличить его концентрацию? Что будет, если разбавить раствор водой? Конечно, яркость свечения должна измениться. Но важен точный закон. Необходимо установить зависимость яркости свечения от концентрации светящегося вещества, подвергающегося воздействию радия.
Эксперимент начинается.
По мере ослабления свечения приходилось принимать дополнительные меры, для того чтобы опыт оставался безупречным. Ведь под действием радиоактивного излучения могли светиться и стенки сосуда, в котором налит раствор. Но просто вылить раствор и изучать свечение стенок пустого сосуда нельзя. Условия при переходе света из стекла в воздух резко отличаются от условий его перехода из стекла в раствор.
Решение принято. Нужно заменить раствор чистой водой. По всем оптическим свойствам, кроме, конечно, способности к люминесценции, вода очень мало отличается от слабого раствора.
Опыт поставлен. В сосуде дистиллированная вода. Но, оказывается, свечение наблюдается и в этом случае!
Что это, недостаток методики или результат переутомления глаз? А может быть, дистиллированная вода, которой он пользовался, недостаточно чиста? Прежде всего, спокойствие и контрольные опыты.
Все начинается сначала. Он берет тщательно очищенную воду и заменяет стеклянный сосуд на сосуд из плавленого кварца. Вода дважды дистиллирована и практически не содержит примесей. Он терпеливо сидит в темноте, восстанавливая остроту зрения. Опыт начинается и приводит к тому же. В растворе нет ни следа ураниловой соли, но свечение сохраняется. Ему не удается отделить мешающий свет от люминесценции раствора. Что же дальше?
Проходят дни за днями. Слухи о странных опытах Черенкова облетели весь институт. Товарищи встречают его то сочувственным, то насмешливым вопросом:
— Все еще светится?
Молодые и старые физики захаживали в лабораторию к Черенкову, чтобы собственными глазами увидеть странное свечение, которого никто еще не замечал. Приходили поразмыслить, дать совет.
Черенков не находил себе места. Ведь, столкнувшись с неожиданным, ученые обычно меньше всего думают, что эти странности принесут им Нобелевскую премию. Прежде всего экспериментатор ищет возможную ошибку. И он будет повторять опыт до тех пор, пока не устранит погрешность или не убедится, что его наблюдения не результат ошибки, а скрытая дотоле закономерность.
Проходили недели, месяцы, а Черенков все бился над загадкой непонятного, упорного свечения. Что же делать, как быть дальше?
Здесь возможно множество путей. Выбор их зависит от индивидуальности ученого, от его кругозора, от интуиции, наконец, от темперамента. Многие советуют Черенкову бросить чепуху, отдохнуть, заняться другим.
Но Черенков хочет прежде всего ясности. Он должен узнать, почему не удался опыт, чем вызывается свечение, от которого невозможно избавиться. Почему светится дистиллированная вода? Ведь до сих пор считалось, что она не способна к люминесценции. Светится ли сама вода или это остатки примесей? Однако… Он не может ничего сказать, пока не убедится в том, что вода действительно чиста. Может быть, все дело в стекле? Может быть, стекло хотя и слабо, растворяется в воде и дает это свечение?
Черенков тщательно сушит свои прибор и наливает в него другую жидкость. Все то же. Он пробует одну до предела очищенную жидкость за другой. Свечение не исчезает.
Долой стекло! Он берет чистейший платиновый тигель. Под его дно он кладет ампулу с большим, чем раньше, количеством радия. Гамма-лучи от ста четырех миллиграммов радия проходят через дно тигля в жидкость. Сверху на жидкость направлен объектив прибора. Жидкость предельно чиста, но свечение почти не ослабело. Теперь он уверен: яркое свечение концентрированных растворов — это не люминесценция. Слабое свечение чистых жидкостей имеет другую природу. Но он продолжает исследования.
И вот молодой ученый докладывает о своей работе. Шестнадцать чистейших жидкостей — дистиллированная вода, различные спирты, толуол и другие — обнаружили слабое свечение под действием гамма-лучей радия. В отличие от ранее известного, это свечение не распространяется во все стороны подобно свету от лампы, а видно лишь в узком конусе. Ось этого конуса совпадает с направлением гамма-лучей.
Установлено, что во всех этих жидкостях яркость свечения почти одинакова. Сильнее всего она в четыреххлористом углероде, слабее — в изобутиловом спирте. Но разница невелика — всего 25 процентов. Он добавлял во все жидкости азотнокислое серебро, йодистый калий и другие сильнейшие тушители люминесценции. Никакого эффекта — свечение не прекращалось. Он нагревал жидкости, это сильно влияет на люминесценцию, но яркость свечения не изменялась. Теперь он может поручиться, что это не люминесценция.
В 1934 году, после двух лет тщательного исследования, в «Докладах Академии наук СССР» появляется статья Черенкова об открытии нового типа свечения.
Сейчас черенковское излучение может увидеть каждый посетитель выставки достижений народного хозяйства в Москве. Здесь под пятиметровой толщей воды мягко сияет экспериментальный атомный реактор. Свечение, окружающее его, — это черенковское излучение, вызываемое в воде мощным радиоактивным излучением реактора.
Угол зрения
Волга рождается на Валдайской возвышенности в виде маленького родника. Не скоро она разливается могучей рекой, поражающей своей мощью.
Новое открытие вошло в науку не без труда. Многие ученые, в том числе и крупные, сомневались, считали, что опыты поставлены не чисто.
В то время уже было установлено, что люминесценция во всех случаях вызывается не самими гамма-лучами, а электронами, освобождающимися под их влиянием внутри жидкости. Электроны ударом возбуждают атомы растворенного вещества. В ответ атомы излучают свет. Таков механизм люминесценции, утверждали специалисты, и нечего тут мудрить.
— То, что наблюдает Павел Алексеевич, не люминесценция, — возражал руководитель Черенкова, крупнейший специалист в области люминесценции С. И. Вавилов.
Черенков не тратил времени на споры. Он работал, Он продолжал ставить опыты. А опыты красноречивее слов.
Поместив свой прибор в магнитное поле, Черенков доказал, что и «его» свечение тоже вызывается электронами, выбиваемыми гамма-лучами радия из атомов жидкости.
— Вот видите! Это же типичная люминесценция, — говорили его противники. — Что же вы упираетесь?
— Нет, не люминесценция, — возражал Черенков. — Свет, возбуждаемый люминесценцией, распространяется во все стороны с одинаковой яркостью. Новое излучение распространяется лишь в узком конусе, вершина которого указывает на место, где расположена ампула с радием.
И следующим опытом он опять подтверждал свое мнение, получив такое же конусообразное свечение чистых жидкостей под действием не гамма —, а бета-лучей, то есть быстрых электронов, выделяющихся непосредственно при радиоактивном распаде.
Целым каскадом экспериментов Черенков продолжал доказывать, что открытое им свечение не люминесценция.
Его поддержал Вавилов. Сергей Иванович высказал предположение, что свечение вызвано резким торможением электронов в жидкости, явлением, уже известным физикам. Но дальнейшие наблюдения опровергли эту догадку.
— Иногда факт отказывается подтвердить теоретическое истолкование, которое ему хотели дать, — сказал как-то по другому случаю французский ученый Луи де Бройль.
Весь небольшой коллектив лаборатории размышлял над загадкой. Но эксперименты по-прежнему вел один Черенков.
Почти три года ушло на проведение тщательных исследований. Увеличив источник гамма-лучей до 794 миллиграммов радия, Черенков добился столь большого повышения яркости таинственного излучения, что ему удалось зафиксировать его на фотографии. Но никакие опыты по-прежнему не могли непосредственно выявить природу свечения, установить его происхождение, объяснить механизм возникновения. Было совершенно надежно доказано то, что свечение вызывается электронами, летящими внутри чистой, неспособной к люминесценции жидкости.
Учитель и ученик были убеждены в том, что свечение имеет своеобразную, пока неизвестную природу и его источником являются быстрые электроны.
Это был один из тех случаев, когда следующий шаг должна была сделать теория.
Тут Черенкову посчастливилось. Его опыты привлекли внимание двух физиков, которым суждено было стати выдающимися учеными нашего времени. Одним из них был Илья Михайлович Франк, ставший позже академиком. Он в одинаковой степени тяготел и к эксперименту и к теории. Он как бы сцементировал всю тройку. Стал связующим звеном между двумя «полюсами» — «чистым» экспериментатором Черенковым и «чистым» теоретиком Таммом. Уже тогда Игорь Евгеньевич обещал сделаться тем, кем стал для современной физики академик Тамм, — идущим впереди. Игорь Евгеньевич стал во главе тройки! Но это произошло позже. До этого Франку приходилось участвовать во многих обсуждениях совместно с Вавиловым и Черенковым. Эти обсуждения зачастую происходили в полной темноте. Вавилов, экономя время, требовавшееся для подготовки глаз к сложному эксперименту, приходил в лабораторию, чтобы обсудить полученные результаты и программу предстоящих опытов. Франк находился там в качестве добровольного помощника, если Черенков просил его о содействии. В ФИАНе (Физическом институте АН СССР) уже в те годы был силен дух научной взаимопомощи.
Деловое общение, непосредственное участие в экспериментах, воодушевляющие беседы сыграли благотворную роль в дальнейшей теоретической работе Франка. Он чувствовал, как из почти незаметного свечения возникали загадки, наблюдал за попытками опытного физика отделить главное от второстепенного. Обсуждал свои сомнения с Таммом.
Тамм заинтересовался этим не сразу. У него были свои проблемы, а в опытах Черепкова сущность могла быть скрыта видимостью, возникавшей случайно. Но когда и на случайность, на загрязнения и примеси были отвергнуты одна за другой, Тамм увлекся. Началась совместная работа.
Три молодых исследователя еще не знали, что дружба их закрепится на много лет. Что за ее плечами будет много покоренных вершин и в науке, и в альпинизме. Они не подозревали, что вместе взойдут на пик Тамма — так окрестили впоследствии ученики Игоря Евгеньевича одну из безымянных вершин Алтая. Если бы наши герои знали, что в день 60-летия друзья преподнесут Тамму альпинистскую палатку с надписью:
«Идет к вершинам Игорь Тамм,
а мы за Таммом по пятам»,
они, возможно, сделали бы эти слова своим девизом.
Объектом первого совместного восхождения знаменитое ныне трио выбрало черенковское свечение.
Что же увидели ученые с вершины?
Катер разрезает гладкую поверхность воды, и по обе стороны от него, подобно журавлиному клину, разбегаются две волны. Если бы недалеко один от другого с одинаковыми скоростями шли два катера, можно было бы заметить, что они образуют одинаковые волны. Если же один из катеров идет быстрее другого, то образуемые им волны разбегаются под более острым углом.
Если скорость катера уменьшается, то угол, под которым разбегаются носовые волны, увеличивается. Когда же его скорость становится меньше, чем скорость движения волн на поверхности воды, носовые волны исчезают совсем.
Понять механизм образования носовой волны нетрудно. Бросим в воду камень. От места его падения во все стороны побегут круги. Сколько раз ни кидать камни в одно и то же место, ничего похожего на носовую волну не получится. Лишь круглые кольца волн будут одно за другим разбегаться от места падения камней. Но если кидать камни с грузовика, едущего по берегу быстрее, чем бегут волны по поверхности воды, картина изменится. Круги, возникающие от падения отдельных камней, будут накладываться один на другой и образуют полное подобие носовой волны. Отдельные круговые волны складываются воедино, образуя две больших волны, разбегающиеся под углом, который зависит от скорости движения грузовика. В остальных направлениях отдельные круги гасят друг друга.
Попросим, чтобы шофер вел грузовик по берегу очень медленно, и повторим опыт. Теперь отдельные круги не смогут пересечься. Ведь все волны бегут с одинаковыми скоростями, а значит, круги не могут догнать друг друга и наложиться один на другой. Они разбегаются таким образом, что круги, образовавшиеся от падения первых камней, всегда остаются снаружи остальных.
Совершенно так же обстоит дело при движении катера. Разрезая форштевнем воду, катер образует волны. Если катер идет со скоростью большей, чем скорость волн, то в результате их сложения образуются носовые волны.
Носовые волны образуются не только на поверхности воды, но и во всяком другом случае, когда источник перемещается быстрее, чем бегут образуемые им волны. Пули и снаряды, скорость которых больше скорости звука в воздухе, образуют волну, тянущуюся за ними в виде узкого конуса. Такие же волны образуются за самолетом, летящим со сверхзвуковой скоростью.
Сильная сжимаемость воздуха, сопровождающаяся его нагреванием при сжатии, придает воздушной носовой волне особые свойства. По мере возникновения такой волны ее фронт становится все более крутым, скачок давления на ее фронте все более увеличивается. Вследствие этого новая волна в воздухе приобретает особенности ударной волны, образуемой при взрыве.
На заре сверхзвуковой авиации многие удивлялись взрывам, раздававшимся особенно часто при ясной погоде. Передавали друг другу различные варианты происхождения этих таинственных взрывов. Упоминались и аварии самолетов, и взрывы светильного газа, и многое другое.
Теперь все знают, что эти мощные удары вызываются не взрывом, а ударной волной — носовой волной, тянущейся за сверхзвуковым самолетом. Мощность этих волн так велика, что во избежание несчастных случаев сверхзвуковые самолеты не сближаются с обычными самолетами и не летают на малых высотах над населенными пунктами.
Опыт показал, что, летя на бреющем полете, сверхзвуковой самолет буквально звуком вышибает окна и двери в домах, разрушает легкие постройки и опрокидывает стоящие на земле самолеты. В связи с этой особенностью за рубежом даже возникали проекты создания самолетов-штурмовиков, воздействующих на противника ударной волной.
Но вернемся к загадочному черенковскому излучению. Теперь общепризнанно, что излучение, открытое Черенковым, не что иное, как ударная световая волна!
Конечно, можно возразить: для образования ударной звуковой волны самолет или снаряд должен лететь быстрее звука. Значит, для образования ударной световой волны электрон должен лететь быстрее света? Но как это может быть? Ведь Эйнштейн еще восемьдесят лет тому назад понял, что ни одно тело, ни одна элементарная частица не может передвигаться со скоростью, превосходящей скорость света в пустоте.
Эта-то последняя оговорка и спасает положение.
Дело в том, что в веществе свет распространяется медленнее, чем в пустоте, а в некоторых веществах даже намного медленнее. Поэтому ничто не препятствует электрону, обладающему достаточной энергией, обогнать световую волну, бегущую в веществе. А при этом уже может образоваться ударная световая волна.
Теорию, объясняющую возникновение черенковского излучения, Тамм и Франк создали в 1937 году. Они неопровержимо доказали, что Черенков действительно открыл совершенно новый вид светового излучения. Отдавая должное вкладу своего учителя в открытие и объяснение природы этих волн, Черенков предложил назвать их излучением Вавилова — Черепкова.
Как же объяснили они увиденное Черенковым?
Когда жидкость, даже простая дистиллированная вода, облучается гамма-лучами радия, эти лучи выбивают из атомов жидкости электроны. А так как электроны — крошечные сгустки материи — очень легки, то удар кванта гамма-лучей действует на них, как удар ракетки на теннисный мяч. Вот почему электроны вылетают из атомов с колоссальными одинаково направленными скоростями.
Электрон, летящий в жидкости, сильно взаимодействует с атомами, лежащими вблизи его пути. Электроны этих атомов тоже начинают излучать. В результате в веществе возникают световые волны, которые разбегаются во все стороны от летящего электрона.
Если электрон летит медленнее света, то световые волны, исходящие от различных участков его пути, гасят друг друга, и мы не видим световых волн, так же как не видим носовую волну корабля, движущегося с очень малой скоростью. Иное дело, если электрон летит быстрее, чем скорость света в веществе. В этом случае световые волны, возбуждаемые электроном по мере его продвижения в веществе, складываются, образуя разбегающуюся в виде конуса световую волну.
Светящийся хвостик электрона, вернее, электронов — их в жидкости во время этого опыта летит множество — и увидел Черенков. Если бы свет, испускаемый электронами распределялся равномерно, как при люминесценции, вероятно, обнаружили бы не скоро. Конусообразное распределение света в направлении движения электронов — вот что привлекло внимание Черепкова, вот что надо на мысль об особой природе этого свечения, вошедшего в историю науки как излучение Вавилова — Черепкова.
Так объяснили Тамм и Франк странное на вид свечение. И их теория блестяще совпала со всеми опытами Черепкова, проделанными им за пять лет неустанного труда. Упорство Черепкова победило. Оправдались вдохновляющие слова английского писателя Оскара Уайльда: «Верь в себя, и другие в тебя поверят». Черенков был убежден в том, что стоит на пороге неведомого. Эту убежденность подтвердили математические расчеты. В новое открытие в конце концов поверили все.
Тетрадка в пять страниц
Много позже Вавилов обнаружил, что знаменитый лорд Кельвин еще в 1901 году указал на то, что атом, летящий в пустоте со сверхсветовой скоростью, должен создавать электромагнитную волну, аналогичную волнам Маха в акустике, ударным или носовым волнам, о которых упоминалось на предыдущих страницах.
В то время еще никто не знал, что ни одно материальное тело, в том числе и атом, не может лететь в пустоте со скоростью, превышающей скорость света. Теория относительности, основанная на постулате о скорости света как предельной скорости, была создана лишь четыре года спустя, а признание справедливости этого постулата пришло еще позже.
Но не невозможность сверхсветовой скорости явилась причиной тому, что указание Кельвина не получило дальнейшего развития и было забыто. Объяснение давней истории дал в 1961 году Франк. Он писал:
«Высказывание такого крупного физика, как Кельвин, разумеется, не могло быть забыто случайно. В нем, как вскоре выяснилось, содержалась существенная ошибка. Как ни странно, эта ошибка состояла в том, что Кельвин не довел свою аналогию со звуковыми волнами до конца.
…Теперь известно, что если сопоставить возникновение электромагнитных волн в среде с упругими волнами, то аналогия эффекта Вавилова — Черепкова с волнами Маха проявилась бы полностью. Однако во времена Кельвина такая постановка вопроса была бы крайне надуманной. Принималось, что свет распространяется в среде, которую называли мировым эфиром, и пытались наделить его своеобразными упругими свойствами. Поэтому в то время естественно было искать аналогию между свойствами волн в эфире и упругими акустическими волнами. Рассматривать движение заряженной частицы в плотной среде не было оснований, тем более что такой случай, как движение атома в плотной среде, не представлялся реальным».
После того как теория относительности стала общепризнанной, а предельная роль скорости света в пустоте стала одной из фундаментальных основ науки, высказывание Кельвина отошло в прошлое вместе с эфиром. Впрочем, предыстория этим не закончилась. В 1904 году выдающийся физик-теоретик Зоммерфельд рассчитал силу, тормозящую движение заряда, летящего со сверхсветовой скоростью в пустоте. Это было за год до создания теории относительности, а эксперименты с катодными лучами — заряженными частицами, летящими в пустоте, — привлекали всеобщее внимание.
На эту работу Зоммерфельда указал Тамму и Франку замечательный советский физик А. Ф. Иоффе. Об этом можно прочитать в статье Тамма и Франка, содержащей первое и безупречное объяснение опытов Черенкова. Теория относительности передала работу Зоммерфельда в архив науки, несмотря на то что расчеты в ней были верны. Однако верные расчеты относились к нереальному случаю сверхсветовой скорости в пустоте.
Но и это не было началом предыстории. В начале 1974 года А. А. Тяпкин направил в редакцию журнала «Успехи физических наук» письмо «О первом теоретическом предсказании излучения, открытого Вавиловым и Черенковым».
Тяпкин пишет, что недавно, просматривая работу О. Хевисайда «Об электромагнитных эффектах при движении электризации через диэлектрик», опубликованную в 1889 году, он обнаружил в ней параграф, специально посвященный движению заряда через диэлектрик со скоростью, превышающей скорость распространения света в диэлектрике. Тяпкин, обращаясь к физикам, не считает нужным подчеркнуть, что речь идет о движении заряда в диэлектрике, а не в пустоте. Что Хевисайд рассматривает задачу, точно соответствующую условиям опыта Черепкова. Вместо этого он приводит цитату из статьи Хевисайда.
Хевисайд пишет: «Ясно прежде всего, что здесь совсем не может быть возмущения впереди движущегося заряда (точечного для простоты)».
Отметим два обстоятельства. Первое — «здесь» указывает на условия, для которых проводится расчет: для заряда, движущегося быстрее скорости света в диэлектрике. Второе — Хевисайд строит свою теорию впрок. В то время электрон еще не был открыт и никто не знал ничего о возможности движения точечного заряда внутри диэлектрика. Так теория прокладывает путь эксперименту. Путь в будущее.
Результат Хевисайда таков: сферические волны, излучаемые движущимся зарядом, образуют коническую волну, в вершине которой — сам заряд.
Вновь возникает вопрос: почему предсказание Хевисайда прошло незамеченным и почему сам Хевисайд не возвратился к этой проблеме после открытия электрона, после открытия радиоактивности, после открытия космических частиц? Этот вопрос совсем недавно (в 1984 году) обсуждал Франк. Он считает удивительным, что Хевисайд пишет о движении заряда в диэлектрике, а не в пустоте, и) находит ответ у самого Хевисайда:
«…Следует отметить, что сказанное выше не является описанием того, что имело бы место, если бы заряд заставили двигаться через эфир со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света, об этом я ничего не знаю; но это описание того, что случилось бы, если Максвеллова теория диэлектриков справедлива для рассматриваемого случая и если я не ошибаюсь в ее интерпретации».
Франк отмечает, что Хевисайд опасается считать теорию применимой к скоростям, превышающим скорость света в пустоте, что он, рассмотрев движение заряда со сверхсветовой скоростью в диэлектрике, оказался в этом вопросе более проницательным, чем Кельвин и Зоммерфельд.
Мысленный опыт Хевисайда не противоречил теории Максвелла для диэлектриков, хотя он и делает оговорку: «…если я не ошибаюсь в ее интерпретации».
Еще один вопрос к предыстории. Почему так долго после начала систематических исследований радиоактивности никто не обнаружил излучения Вавилова — Черенкова?
Научные журналы хранят статьи М. Малле, который в 1928–1929 годах опубликовал несколько работ по наблюдению свечения жидкостей под действием гамма-лучей.
Он установил, что в нескольких жидкостях наблюдается свечение, обладающее во всех случаях одинаковым и сплошным спектром. Он высказал предположение, что наблюдаемое им свечение, возможно, универсально. Теперь ни у кого не возникает сомнения в том, что Малле наблюдал излучение Вавилова — Черенкова. Но он не разобрался в увиденном, не изучил характеристик явления, необходимых для правильного понимания его природы, для разработки теории явления.
Малле остался в плену обычных работ по исследованию люминесценции. Отметив необычность своих наблюдений, он не пошел дальше. Он не вышел за пределы обычных экспериментов.
Мы знаем, каких усилий потребовал простой вывод Вавилова — «это не люминесценция».
Черенков, в отличие от Малле, пользовался новым методом, методом, разработанным Вавиловым и Брумбергом практически перед его опытами. Этот метод основан на сравнении интенсивности слабого излучения с порогом зрительного восприятия глаза, адаптированного к темноте. Никаких методов, сравнимых с этим по точности и чувствительности, тогда не существовало.
И еще одно обстоятельство. В сложных ситуациях неожиданный результат опыта редко приводит к открытию, если своевременно на помощь не приходит теория. Здесь они шли рука об руку.
И в заключение: многовековая история науки свидетельствует о том, что открытия — плоды индивидуального творчества. Здесь же впервые открытие осуществлено коллективно. У него четыре автора.
Если относить к предыстории все, что происходило до 1937 года, до выхода из печати статьи Тамма и Франка, объяснившей во всех деталях эффект Вавилова — Черенкова, то нельзя обойти молчанием курьезный случай, живо описанный Франком.
«Я вспоминаю, — читаем мы в статье Франка, опубликованной в 1984 году, — что, когда осенью 1936 года приехал в Москву Жолио-Кюри (известный специалист в области радиоактивности. — И. Р.), ему был продемонстрирован опыт Черепкова, теперь вошедший в популярные книги. Вертикально поставленный стеклянный цилиндрический сосудик с жидкостью с боков был окружен коническим зеркалом. Если смотреть на зеркало сверху, то можно было видеть угловое распределение излучения, выходившего в горизонтальной плоскости через стеклянные стенки цилиндра. Когда препарат радия помещался сбоку от цилиндра, то отчетливо были видны два максимума излучения под острым углом к направлению гамма-лучей Сделанные Черенковым фотографии таких колечек с неравномерным почернением в различных азимутах теперь общеизвестны, а сам опыт нагляден и безупречно убедителен, если, конечно, не заподозрить элементарной ошибки, граничащей с жульничеством. Именно такая мысль, видимо, возникла у Жолио-Кюри, который немедленно начал поворачивать сосудик и зеркало вокруг оси, чтобы убедиться, что прозрачность стекла или качество серебрения зеркала не играет здесь роли. В обсуждении же опыта им был сделан намек на аналогию с лучами Бландло. Этому не следует удивляться. Демонстрацию опыта приходилось проводить в полной темноте, причем даже при некоторой адаптации глаза свечение было на пределе видимости. Вся обстановка была в самом деле необычна для физического эксперимента и напоминала нечто вроде спиритического сеанса или опыта с применением «ловкости рук».
И еще один эпизод из воспоминаний Франка, бросающий свет на стиль работы физиков.
«…Как-то поздно вечером И. Е. Тамм позвонил мне по телефону и попросил немедленно приехать к нему домой.
Я застал И. Е. Тамма за столом, увлеченного работой и же исписавшего много листов бумаги формулами. Он сразу же принялся рассказывать мне о сделанном им до моего прихода… Домой я возвратился под утро пешком, так как городской транспорт уже закончил (или еще не начал) свою работу».
Франк сохранил школьную тетрадку, пять с половиной страниц, заполненных торопливой рукой Тамма со многими исправлениями. Результат, выраженный короткой формулой, правилен, но вывод формулы существенно отличается от содержащегося в опубликованной статье.
«Результаты Черепкова и их теоретическая интерпретация, — вспоминает Франк, — первоначально были замечены лишь советскими физиками. Видимо, иностранные ученые мало читали в то время наши журналы (хотя «Доклады Академии наук» печатались на двух языках: на русском и иностранном). Уже после того, как в исследование явления была внесена полная ясность, С. И. Вавилов в 1937 году направил небольшую статью П. А. Черенкова, суммировавшую полученные результаты и их сравнение с теорией, в «Nature» (английский журнал «Природа». — И. Р.). Не помню, под каким благовидным предлогом, но статья была отклонена».
Бочка для микрочастиц
Но даже после того как теоретики свели концы с концами, увязали эксперимент с теорией, когда новое открытие было единодушно принято в лоно науки, Черенков продолжал работать в прежнем направлении.
Он понимал, что работа с новым видом излучения только начинается.
То, что наблюдал Черенков, было знакомством лишь со свечением частиц одного типа — электронов. Но, кроме электронов — отрицательно заряженных частиц, наука знает много частиц, обладающих электрическим зарядом. Это лептоны и мезоны, протоны — ядра атомов водорода и ядра более тяжелых элементов.
Исследователю не терпелось поставить и их на место электронов. Он предчувствовал, что и положительно заряженные частицы вещества, если их скорости достаточно велика, тоже способны сигналить светом. А если это так, в этом столько практических возможностей, что…
И вот однажды — это было уже после Отечественной войны (война надолго прервала исследования) — сотрудники Черепкова взяли стеклянный сосуд, налили в него жидкость, а затем закупорили.
Потом отправились к ускорителю заряженных частиц. Там они поставили сосуд на пути потока протонов, рождающихся в ускорителе, и стали наблюдать. В сосуде вспыхнуло слабое сияние. Ученые усилили поток. Сияние стало ярче. Тогда они тщательно измерили силу свечения и угол, под которым было видно излучение, и, вынув блокноты, начали делать какие-то расчеты.
Работающие на ускорителе с интересом наблюдали за ними. Через некоторое время приезжие точно назвали величину скорости и энергии протонов. Они сделали это гораздо быстрее, чем делалось на ускорителе раньше, и всего лишь с помощью одного сосуда. А ошиблись при этом меньше чем на 0,1 процента. Приезжие уверяли, что таким же способом они могут измерить и скорость других заряженных частиц!
Объясняя действие прибора, они напомнили о волнах, разбегающихся по воде от движущегося катера. И утверждали, что, если бы на катере вышли из строя обычные приборы для измерения скорости, капитан смог бы определить его скорость, измеряя угол, под которым расходятся крылья носовой волны.
Вы наверное, уже догадались, что в сосуде с жидкостью образуется черенковское излучение, которое и могло ученым определить скорость и энергию протонов. Сосуд назвали счетчиком Черепкова и включили в список важнейших физических приборов.
Заметим, что к этому времени работа со счетчиками Черенкова упростилась еще больше. Появились фотоумножители, приборы, очень чувствительные к свету, улавливающие даже порции из нескольких световых квантов. Чтобы наблюдать черенковское излучение, ученым теперь не приходится часами сидеть в темноте. Специальные электронные приборы автоматически ведут подсчет фотонов черенковского излучения, замечая и то, чего не мог заметить самый натренированный глаз.
Счетчики Черенкова прогремели на весь мир. Ими был оборудован один из крупных американских ускорителей — беватрон, дающий частицы с энергией 6,3 миллиарда электрон-вольт. Вскоре с их помощью было сделано замечательное открытие. В числе известных частиц были опознаны две новые, о которых еще не знал никто на свете, — антипротон и антинейтрон.
Черенковские счетчики стали одними из главных инструментов при исследованиях, проводимых на ускорителе — синхрофазотроне на 10 миллиардов электрон-вольт, построенном советскими учеными в городе Дубне, а затем и на всех других ускорителях.
Счетчики Черенкова оказались способными не только определять скорость и энергию быстрых заряженных частиц, но могли (с высокой точностью) указать направление, откуда прилетели эти частицы. Ведь черенковское излучение имеет вид очень острого конуса. И конус этот расширяется вдоль направления полета частицы.
О каком же еще более удобном и точном приборе могли мечтать ученые, изучающие космические частицы, прилетающие на Землю из глубин космоса!
Ведь раньше, чтобы определить направление прилета частиц, надо было собирать сложные и громоздкие установки. Телескоп — так называлась одна из этих установок — состоял из целого набора счетчиков иного типа, чем черенковские, расположенных один за другим, да еще из специальной электронной схемы.
И такую установку смог заменить всего лишь один счетчик Черенкова!
Как же могли не воспользоваться ученые такой находкой? И уже в 1951 году они обнаружили черенковское излучение от мю мезонов — особых элементарных частиц, содержащихся в космических лучах, а еще через год — от космических протонов.
Но и этим не исчерпались замечательные свойства счетчиков Черенкова.
Сама природа образования ударной световой волны приводит к тому, что они обладают еще одной очень важной особенностью. Они хорошо «видели» одни частицы, но не хотели замечать другие. Они были избирательны в своем отношении к космическим пришельцам. Счетчики обладали, как сказал бы ученый, пороговым эффектом.
Казалось, это огромный недостаток.
Казалось, они могут пропустить, не заметить важную частицу. Но этот-то недостаток и обернулся достоинством.
Дело в том, что счетчик Черенкова не хочет замечать лишь медленные частицы. Те частицы, скорость которых меньше скорости света в веществе, из которого сделан сам счетчик, не создают в нем черенковского излучения, а значит, счетчик не считает.
И чудесно! Ученые поняли: изготавливая счетчики из различных веществ, можно изменять величину пороговой скорости.
Так можно измерять скорость космических частиц, энергия которых столь велика, что ее невозможно измерить другими приборами.
Эти замечательные способности счетчиков Черенкова и дали им право полететь уже на первых советских искусственных спутниках и ракетах. И они не только помогли обнаружить корону Земли — три пояса заряженных частиц, ореолом опоясывающих Землю, — но и дали возможность раскрыть секрет состава космических лучей.
Над этим вопросом давно и безуспешно бились ученые. Как определить химический состав космических частиц? Как узнать, частицы каких элементов залетают к нам из космоса?
И тут проявилось еще одно уникальное свойство черенковских счетчиков. Они оказались способными не только определить скорость, энергию и направление прилета частицы, но и измерить ее заряд. Выяснилось, что чем больше заряд частицы, залетевшей в счетчик Черенкова, тем более яркий хвост сопровождает ее, тем большая часть ее энергии переходит в свет на каждом сантиметре ее пути. Тем более яркое излучение Вавилова — Черенкова она вызывает. Таким образом, яркость и сила свечения, острота светового конуса точно и однозначно указывают, какая частица залетела в счетчик, ядром какого элемента она является. Так ученые узнали, что в составе космических лучей есть ядра водорода и гелия, железа и многих других элементов, имеющихся на Земле.
Благодаря счетчикам Черенкова люди узнали, что и Земля, и далекие миры, которые прислали нам своих космических посланников, состоят из одних и тех же элементов, что химический состав в огромных областях Вселенной одинаков.
Для исследования космического пространства приходится изготавливать счетчики Черенкова, имеющие очень малые размеры.
Но в институте, где работает Павел Алексеевич, стоит такой огромный бак с водой, что заглянуть в него можно, лишь забравшись по лестнице на второй этаж. В этом баке — самом большом в мире счетчике Черепкова — налито сто тонн воды! Просто не верится, что необходимо такое огромное сооружение для определения свойств частички, залетевшей в бак с неба!
Но конечно, сделано это не напрасно.
Конструкторам пришлось сделать бак таким большим для того, чтобы космическая частица, пролетая через него, успела превратить в нем в свет всю свою энергию. И тогда, измеряя интенсивность свечения фотоумножителем, можно определить полную энергию влетевшей в бак частицы.
Новые применения
Но и это не рекорд. Известны эксперименты, в которых чувствительные фотоприемники попросту размещали в глубине океана — и они фиксировали излучение Вавилова — Черепкова, образуемое космическими частицами, пронизывающими толщу воды.
Возможность детектирования нейтрино по черенковскому излучению в воде на больших глубинах океана была рассмотрена в 1969 году членом-корреспондентом АН СССР Е. А. Чудаковым. Он указал, что толща воды надежно экранирует фотоприемники черенковского излучения от воздействия всех частиц, кроме нейтрино и мюонов.
Конкретный проект такого эксперимента был выдвинут в 1975 году большим коллективом американских ученых. Проект получил наименование ДЮМАНД — по первым буквам английских фраз, определяющих его существо: глубоководное детектирование мюонов и нейтрино. В разработке этого проекта активно участвовали советские ученые. Масштабы установки поражают воображение. Объем воды, участвующей в эксперименте, образует куб, каждая грань которого равна одному километру. Объем установки равен миллиарду кубометров.
Вся установка располагается на 5-километровой глубине. На этой глубине вблизи Гавайских островов вода столь чиста, что фотоумножитель способен надежно зафиксировать вспышку черенковского излучения на расстоянии двадцати метров. Это определяет требуемое количество фотоумножителей — свыше тысячи.
Их сигналы будут обрабатываться ЭВМ, располагаемой на берегу.
Вокруг открытия Черепкова и после его признания бушевало много споров. Особенно относительно его практического применения. В дискуссиях рождались интересные идеи. Одну из них высказал еще при обсуждении докторской диссертации Черепкова академик Мандельштам. Он предположил, что для наблюдения эффекта Черепкова вовсе не обязательно пропускать электроны через вещество, где они довольно быстро тормозятся встречными атомами. По его мнению, достаточно пропустить пучок быстрых электронов не через вещество, а вблизи его поверхности. Можно даже попытаться «вспрыснуть» их в канал, проделанный в твердом теле.
Электроны, пролетая близко к его поверхности, будут возбуждать в атомах вещества электромагнитные волны. Если электроны летят быстрее, чем возбуждаемые им в веществе волны, значит, в веществе возникает ударная черенковская волна излучения.
Электроны летят в пустоте и поэтому, конечно, не могут лететь быстрее света. Но достаточно, чтобы они летели быстрее, чем электромагнитная волна, бегущая внутри диэлектрика. В этом случае волны, возникающие в диэлектрике под воздействием пролетающего электрона, обязательно будут складываться в черенковскую волну, которая распространится внутри диэлектрика, а затем…
А затем рожденные таким образом электромагнитные волны могут быть излучены в пространство.
Мысль Мандельштама была не просто красивой иллюстрацией механизма возникновения черенковского излучения. Она указывала на большие практические возможности.
В 1947 году физик-теоретик В. Л. Гинзбург развил мысль Мандельштама.
Он тщательно изучил черенковское излучение в твердых телах и пришел к выводу, что таким образом можно просто осуществить генерацию очень коротких, миллиметровых и даже субмиллиметровых волн. То есть создать новые генераторы радиоволн. Для радиотехники, которая все время борется за все более и более короткие волны, такие генераторы были бы просто находкой.
Таким способом можно получить особенно мощные радиоволны, используя не сплошной поток электронов, а электроны, предварительно сгруппированные в небольшие сгустки.
Оказалось, это не единственный способ получения радиоволн с помощью эффекта Черенкова. Ведь мы знаем, что для возникновения эффекта достаточно уменьшить скорость электромагнитной волны до величины меньшей, чем скорость электрона, и черепковское излучение начнется.
Однако скорость электромагнитных волн можно уменьшить, не только пропуская их через диэлектрик. Во многих случаях сантиметровые и миллиметровые волны передаются с помощью специальных металлических труб — волноводов. Если внутри трубы установить ряд перегородок с отверстиями, то скорость распространения волны по такой трубе сильно уменьшится.
Значит, выбрав подходящие размеры трубы и перегородок, откачав из трубы воздух и пропустив через нее пучок быстрых электронов, сгруппированных в сгустки, 0 получить мощное черепковское излучение миллиметровых волн. Оно будет образовываться здесь в результате взаимодействия электронов с отдельными отсеками волновода и сложения образующихся при этом электромагнитных волн.
Так эффект, открытый советским ученым и казавшийся ранее лишь интересным физическим явлением, уже входит в технику.
Создание лазеров позволило по-новому взглянуть на пути и возможности практического применения когерентного излучения свободных электронов. Появились приборы, сущность которых отражена в самом названии: лазеры на свободных электронах.
Первоначально такое сочетание казалось бессмысленным, ибо излучение лазеров представлялось возникающим только при переходах электронов внутри атома, молекулы или иона. Правда, затем появились полупроводниковые лазеры и лазеры на вынужденном комбинационном рассеянии, но и в этих случаях излучение возникало в результате перехода электронов с изменением их доли энергии во внутренней энергии вещества.
Конечно, различные электронные лампы позволяют применять для получения электромагнитных волн потоки свободных электронов. Но это относится к совершенно другой области науки и техники.
Лазеры на свободных электронах — действительно лазеры.
Их основой является взаимодействие релятивистских электронов с внешними магнитными полями. Релятивистских — значит движущихся со скоростями, близкими к скорости света в пустоте. Получение пучков таких электронов стало технически достижимо только после создания современных ускорителей.
Основное отличие лазеров от остальных источников излучения — когерентность, то есть жесткая согласованность процессов испускания фотонов в различных областях пространства. Возможность таких процессов, обусловленная взаимодействием отдельных актов испускания через электромагнитное поле, порождаемое ими, была показана еще в 1927 году одним из творцов квантовой физика Шредингером. Он поставил вопрос о том, возможен ли вынужденный эффект Комптона, и пришел к выводу о том, что он возможен. В то время никто не усмотрел путей практического применения такого процесса. Теперь всем ясно, что модель, рассмотренная Шредингером, совпадает со схемой Комптон-лазера, как называют один из вариантов лазера на свободных электронах.
Долгое время оставалась незамеченной опубликованная в 1933 году совместная работа двух гигантов современной науки П. Дирака и П. А. Капицы. Они рассмотрели процесс вынужденного рассеяния при взаимодействии электронов со стоячей электромагнитной волной. Этот процесс приводит к генерации когерентных электромагнитных волн в некоторых типах электронных ламп, а также в созданном Капицей оригинальном мощном генераторе-нигатроне.
Все реализованные лазеры на свободных электронах так или иначе опираются на пионерские работы В. Л. Гинзбурга, начатые им в 1947 году. Основные усилия в этой области направлены на увеличение мощности излучения и укорочение длины волны.
Излучение Вавилова — Черенкова в диапазоне рентгеновских волн было получено группой Э. И. Денисова Я 1981 году при помощи линейного ускорителя электронов ЛУЭ-2 в Харьковском физико-техническом институте./ Теоретические оценки показывают, что существуют условия, при которых это излучение может быть получено даже в диапазоне гамма-волн.
Эффект Вавилова — Черенкова порождает новые идеи и разнообразные приборы и устройства, ускоряющие дальнейший прогресс человечества.
…В прошлом веке в Швеции жил очень богатый предприниматель и инженер Альфред Нобель, тот самый, который изобрел динамит. В своем завещании Нобель распорядился употребить свое огромное состояние на присуждение премий ученым, сделавшим важные научные открытия. С тех пор Шведская академия наук ежегодно присуждает Нобелевские премии за наиболее интересные и важные научные работы. Такую премию когда-то получили всем известные ученые Рентген, Эйнштейн, Фредерик Жолио-Кюри; русские ученые Павлов, Мечников. В 1958 году за открытие и толкование эффекта Черенкова — Вавилова И. Е. Тамм, И. М. Франк и П. А. Черенков были награждены этой премией. С. И. Вавилова не было в их числе, ибо Нобелевские премии не присуждаются посмертно.