Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

В синхротроне электрон разгоняется до энергии в несколько ГэВ (ГэВ — гигаэлектронвольт, или миллиард электронвольт, раньше обозначался как БэВ — биллион эВ, это энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов в миллиард вольт). Сейчас проектируются или уже строятся ускорители, которые смогут придать частицам в тысячи раз большую энергию — ускорители в диапазоне ТэВ, т. е. триллионы или тысячи миллиардов эВ.

При такой энергии масса частицы, а следовательно и инерция, становится в 10 000–100 000 раз больше массы покоя. Соответственно требуется в 10 000–100 000 раз более сильное магнитное поле, чтобы удержать такой электрон на круговой орбите ускорителя, при этом скорости частиц отличаются от скорости света на одну миллиардную. Отсюда и гигантские размеры современных больших ускорителей — Большой адронный коллайдер, ускоритель Международного центра ядерных исследований (ЦЕРН) вблизи Женевы, собранный глубоко под землей, не уместился в Швейцарии — часть его оказалась во Франции (нужно было найти геологически безопасную площадку).

Рассказывают, что когда строительство большого ускорителя в США приостановилось (Сенат урезал суммы на самую крупную статью расходов — трансформаторное железо для огромных магнитов), то Джулиан Швингер, блистательный теоретик и расчетчик, собрал команду, и они совершили невозможное — пересчитали все магниты на сердечники из отживших свое время и потому практически ничего не стоящих старых рельсов вместо фигурных листов первосортного специального железа.

Такие машины стоят очень дорого, и поэтому их строят коллективно. Никто не может сказать, принесут ли эти исследования практическую пользу налогоплательщикам или нет, и когда можно эту пользу ожидать, но, во-первых, стоит вспомнить историю с английским королем Георгом IV, не ожидавшим ничего полезного от работ Фарадея, а во-вторых, как говорят, во время строительства ускорителя ЦЕРНа физиками и инженерами, работающими на нем, было сделано столько изобретений (все патенты брались на имя ЦЕРНа) по проходке туннелей, сбору конструкций, электротехнике и электронике сопутствующего оборудования, что доход от них превысил все расходы.

Ускорители показали, что говорить о проверке принципов СТО уже поздно: все они доказаны в инженерной практике.

Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) много и успешно занимался исследованием люминесценции (от латинского «люмен» — свет), т. е. свечения различных материалов, вызванного их предварительным освещением (фосфоресценция, первоначально обнаружена на соединениях фосфора), а также химическими (например, гниением) и механическими процессами (например, при раскалывании куска сахара) и т. д. В 1934 г. он поручил своему аспиранту Павлу Алексеевичу Черенкову (1904–1990) исследовать процессы люминесценции при облучении различных веществ потоком электронов от радиоактивных источников.

Черенков для уменьшения энергии этих электронов пропускал их через воду и вдруг обнаружил совершенно непонятное явление: вода, через которую проходил поток, начинала светиться слабым голубоватым светом.

Черенкову довольно долго не удавалось уговорить кого-нибудь просто посмотреть на это свечение: оно было столь слабым, что для адаптации глаза нужно было долго просиживать в абсолютно темной комнате. Но когда Вавилов и другие убедились, что свечение действительно существует, его природа никак не прояснялась — это не люминесценция: оно мгновенно исчезало при отключении источника, его спектр никак не был связан со спектром воды, оно не зависело от температуры воды, да и наблюдалось оно и в иных жидкостях. Становилось ясно, что это совершенно новое явление.

Над ним упорно думали теоретики Игорь Евгеньевич Тамм [14] Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) был не только замечательным физиком-теоретиком, по словам А. Д. Сахарова, «в нем, наряду с Ландау, советские физики-теоретики видели своего заслуженного и признанного главу». и Илья Михайлович Франк (1908–1990) и в итоге доказали, что это релятивистский эффект.

Их рассмотрение проводилось таким образом. Скорость света в воде определяется как скорость света в пустоте, деленная на показатель преломления (он для воды равен примерно 4/3), т. е. составляет около 225 тыс. км/с. Но электроны от радиоактивных источников могут иметь еще большую скорость — необходимо ведь только, чтобы она была меньше 300 тыс. км/с (они могут быть «сверхсветовыми» именно для этой среды). У каждого заряда есть собственное электрическое поле, которое должно при движении заряда за ним следовать, но оно-то ведь не может перемещаться со скоростью, большей скорости света в этой среде, и поэтому от электрона отрывается, т. е. меняется. Всякое изменение электромагнитного поля — это электромагнитная волна, надо теперь сосчитать длины волн, ее образующих, и показать, что этот спектр содержит частоты того голубого свечения, которые наблюдает Черенков. Нужно, кроме того, выяснить, как и на какой длине пути электрон восстановит свое поле, и оно снова будет готово оторваться — это покажет какова может быть интенсивность свечения. (Позже выяснилось, что схожие формулы независимо вывели много раньше О. Хевисайд и А. Зоммерфельд, но… не подумали о том, где такое явление может иметь место, и их работы были забыты.)

Все эти представления и расчеты точно подтвердились в экспериментах — новое явление было названо черенковским излучением, а Черенков, Тамм и Франк были удостоены в 1958 г. Нобелевской премии. Сейчас черенковские счетчики широко применяются в физике и технике: так, например, по интенсивности этого излучения в водных рубашках ядерных реакторов судят об их работе.

В принципе, к этому явлению близко примыкают и эффекты переходного излучения, которое предсказали в 1942 г. Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009, Нобелевская премия 2003 г., но за другие работы) и И. М. Франк: если заряженная частица переходит из одной среды в другую, в которой скорость света меньше, то собственное поле заряда должно быстро перестроиться, но любое изменение поля во времени ведет к излучению или поглощению электромагнитных волн. Поэтому при таком переходе заряд может излучать, а спектр и интенсивность этого излучения будут зависеть от скоростей света в обеих средах. Эффекты переходного излучения проявляются не только при переходе одиночных зарядов из одной среды в другую: при переходе должно изменяться собственное электромагнитное поле, например, электрического диполя (молекулы из двух разных атомов и т. д.) — все такие образования также должны излучать.