Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Вот как это происходит.

При гамма-облучении на жидкость падает град очень энергичных фотонов. Они заставляют осыпаться колосья-атомы и снабжают выбитые зерна-электроны огромной скоростью. Эти электроны летят сквозь жидкость, как заряженные релятивистские частицы сквозь камеру Вильсона. Но вообще-то совершенно безразлично, каково происхождение быстрых электронов. Как в туманную камеру, заряженные частицы высоких энергий могут врываться в жидкость или другую-среду извне, а не возникать в ней самой. Наконец совсем не обязательно, чтобы это были электроны. Тут все дело только в том, чтобы частицы были заряжены и обладали сверхсветовою скоростью для среды, сквозь которую лежит их путь. Это могут быть дубенские протоны, космические частицы, осколки атомных ядер — что угодно.

В популярных рассказах об эффекте Вавилова — Черенкова механизм излучения этих сверхсветовых заряженных частиц объясняется обычно так.

Их электрическое поле работает в пути Но знакомому нам образцу: оно обдает своим «жаром» встречные атомы и молекулы вещества, пытаясь создать ионы. Но у поля не всегда хватает на это сил и времени — летит «сверхрелятивистская» частица! Часто в задетых атомах электроны только смещаются относительно ядер — не отрываются совсем, а лишь смещаются из нормального устойчивого положения в неустойчивое.

Иными словами, электрическое поле летящей частицы одни атомы ионизирует, а другие только возбуждает: выводит из состояния равновесия.

Но вот стремительная частица миновала атом, истратив на возбуждение электронов немножко своей энергии, ее поле ушло вперед, чтобы дальше работать. А что тем временем произошло с задетыми атомами? Едва частица показала им свою спину, как возбужденные электроны поспешили вернуться в прежнее — устойчивое — положение. Нечаянно приобретенную энергию они теперь отдают: она излучается в виде порций электромагнитных волн. А так как энергия эта была сравнительно небольшой — поле ведь сумело лишь возбудить атомы, — порции получаются тоже сравнительно небольшие, как раз такие, какими являются фотоны видимого света.

А виновница происшедшего — сверхбыстрая частица — уже далеко от места рождения световых волн: она летит сквозь вещество быстрее, чем это делает свет. Электромагнитные волны от нее отстают и потому образуют позади расходящийся световой конус. Так за торпедным катером возникает на море расходящийся конус отстающих волн. Но волны на море расползаются медленно — их можно долго наблюдать. А световой черенковский шлейф за мгновенно пролетевшей частицей исчезает тотчас — он наблюдается, как короткая вспышка, как лаконичный сигнал: «Частица пролетела!»

Все понятно.

Свет испускают атомы среды, сквозь которую прокладывает Себе путь сверхсветовая частица, а не она сама. Но она возбудитель, она первопричина этого излучения. Она расходует на него свою энергию. А раз так, то можно вслед за Таммом и Франком увидеть в свечении Вавилова — Черенкова очень оригинальное явление природы.

Представим, что излучатель световых электромагнитных волн — сама сверхскоростная частица, попадающая в удивительное положение: она движется сквозь среду быстрее, чем может двигаться там ее же собственное электромагнитное поле! Ну, скажем, наш Дубенский протон, оснащенный 10 миллиардами электроновольт энергии, способен лететь сквозь воду со скоростью почти в 290 тысяч километров в секунду, а его электромагнитное поле на такой. подвиг в воде не способно: свет может пройти в воде за секунду только 225 тысяч километров. Положение и вправду удивительное — поле отстает от частицы. (Так отстают от нашего вперед устремленного тела полы плаща, когда мы очень быстро бежим. Отстают и тормозят наше движение. Они нам мешают, вынуждая напрасно тратить энергию и замедлять бег.)

Отстающее поле тормозит частицу. Она теряет энергию. Но ведь эта энергия сосредоточена в самом ее поле. И образно можно сказать, что частица теряет свое поле, теряет порциями — квантами. Она излучает свет! (Это похоже на то, как если бы мы. отрывали на бегу кусками полы плаща, дабы освободиться от этой обузы.) Так за сверхсветовой частицей появляется тот самый световой шлейф, о котором шла речь.

Когда снаряд или реактивный самолет летят со сверхзвуковою скоростью, мы слышим особый характерный свист или вой. Это их «звуковой шлейф». «Именно поэтому, — сказал Игорь Евгеньевич Тамм в своей нобелевской речи в Стокгольме, — выяснив совершенно аналогичный механизм излучения Вавилова — Черенкова… мы-стали называть это явление «поющими электронами».

Там же, в Стокгольме, через двадцать с лишним лет после создания теории «поющих электронов», Игорь Евгеньевич сделал интересное признание, которое должно прозвучать для нас как утешение в нашей непонятливости. Оказывается, когда математически все уже было сделано почти до конца и верные формулы уже прочно обосновались на бумаге, ни он, ни Илья Михайлович Франк еще не могли примириться с мыслью, что электроны движутся сквозь среду быстрее света. «Как это возможно?» — спрашивали они друг друга и придумывали разные способы, «которые для нас самих сегодня уже непостижимы», — сказал Тамм в Стокгольме, — разные способы избавиться от противоречия с теорией относительности. Только на следующий день после первого их доклада о «поющих электронах» на семинаре в Физическом институте академии они «внезапно узрели простую истину», что противоречие с Эйнштейном тут совершенно мнимое: для электронов запрещена скорость света в пустоте, только в пустоте, а не в среде!

Вы видите цену подробностей; все новые и новые подробности… Поневоле вспоминается бесконечная чаплиновская макаронина, с которой невозможно справиться.

Как же быть с подробностями? Поддаваться соблазну? Тонуть? Нет, зарок был уместен. И если сейчас придется его снова нарушить, то лишь потому, что надо все-таки досказать, как определяют физики энергию космических частиц, как они узнают их скорость и массу.

Туманный след в камере Вильсона — это история энергетического расточительства частицы. Если она останавливается и след ее обрывается, значит она дошла до полной нищеты. Так по длине и массивности тоннеля из тумана можно судить, во что обошлось частице путешествие по камере — какова была ее энергия движения в момент появления на сцене.

А если частица не остановилась, но прочертила своим туманным следом все пространство камеры сверху вниз, пронизала дно и ушла из поля зрения ученых, как быть тогда? Ведь она унесла с собою часть нерастраченной энергии и не потрудилась сообщить, какова эта часть. Ясно, что тогда изучение следа ничего не скажет физикам об ее первоначальном богатстве, кроме того, что оно было, очевидно, нешуточным.