Ирина Радунская - Безумные идеи

Как взмах ракетки

Конечно, вы можете возразить, что для образования ударной звуковой волны самолет или снаряд должен лететь быстрее звука. И добавите: значит, для образования ударной световой волны электрон тоже должен лететь быстрее света? Но как это может быть? Ведь Эйнштейн еще полвека назад доказал, что ни одно тело, ни одна элементарная частица не могут 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 – излучение Черенкова – Вавилова.

Теорию, объясняющую возникновение черенковского излучения, Тамм и Франк создали в 1937 году. Они неопровержимо доказали, что Черенков действительно открыл совершенно новый вид светового излучения.

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 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 у корабля, движущегося с очень малой скоростью. Иное дело, если электрон летит быстрее, чем скорость света в веществе. В этом случае световые волны, излучаемые 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 исследователь. Если бы свет, испускаемый электронами, распределялся равномерно, как при люминесценции, его, вероятно, обнаружили бы не скоро. Конусообразное распределение света в направлении движения электронов – вот что привлекло внимание Черенкова, вот что навело на мысль об особой природе этого свечения, вошедшего в историю науки как «свечение Черенкова – Вавилова».

Так объяснили Тамм и Франк странное на вид свечение. И их теория блестяще совпала со всеми опытами Черенкова, проделанными им за пять лет неустанного труда. Упорство Черенкова победило. Оправдались пророческие 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.

Знакомство продолжается

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. Продолжал чистить и менять тигли, возиться с грудой пузырьков и сосудов, в общем продолжал пестовать свое свечение.

Он понимал, что работа с новым видом излучения только начинается.

То, что наблюдал Черенков, было знакомством лишь с первой светящейся частицей – электроном. Но, кроме электронов – отрицательно заряженных частиц, наука знает много частиц, заряженных положительным электричеством. Это и мезоны, и 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 скорость 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 Черенкова взяли что-то вроде обыкновенного стакана, налили в него жидкость, а затем закупорили.

Потом отправились к ускорителю заряженных частиц. Там они поставили стакан на пути потока протонов, рождающихся в ускорителе, и стали наблюдать. В стакане 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 стакана. А ошиблись при этом меньше чем на 0,1 процента. Приезжие уверяли, что таким же способом они могут измерить и скорость любых 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 стакане с жидкостью образуется черенковское излучение, которое и помогло ученым определить скорость и энергию протонов. Стакан назвали счетчиком Черенкова 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 – бетатрон, 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 одним из главных инструментов при исследованиях, проводимых на ускорителе – синхрофазотроне на 10 миллиардов электрон-вольт, построенном советскими учеными в городе Дубне и на всех других ускорителях.