Эффект Вавилова – Черенкова

Многие открытия в физике происходят случайно, а еще часто бывает так, что некоторые явления одни ученые замечают раньше других, но попросту не придают им значения. Так вышло и с эффектом Вавилова –Черенкова, загадочным синим светом, который испускают заряженные частицы, проходя через прозрачную среду.

Вероятно, что первой этот феномен отметила Мария Кюри. Физик-рентгенолог Люсьен Малле в 1926 году также заметил особое свечение жидкостей рядом с радиоактивными веществами, но принял его за люминесценцию и дальнейших исследований не проводил. И только в 1934 году молодой аспирант легендарного Сергея Вавилова Павел Черенков, выходец из Воронежской области, изучая свечение различных жидкостей под воздействием радиации, заметил, что оно не изменяется и не гаснет при перемене температуры, химического состава или других условий, при которых люминесцентный свет затухает или гаснет. Опыт и гениальная интуиция его научного руководителя помогли понять, что обнаруженное свечение – нечто крайне интересное.

Первые две статьи о новом физическом явлении – излучении Вавилова – Черенкова за авторством соответственно каждого из ученых были опубликованы в конце мая того же года в журнале «Доклады Академии наук СССР». Черенков писал о своих опытах и результатах измерений свойств нового свечения, а Вавилов подводил под эти эксперименты теоретическое обоснование, утверждая, что наблюдаемый в них синий свет вызван движением электронов в среде в отличие от обычного теплового излучения, которое вызвано движением атомов.

Однако первыми найти верное научное обоснование открытого эффекта удалось москвичу Игорю Евгеньевичу Тамму и уроженцу Санкт-Петербурга Илье Ивановичу Франку. В 1937 году они опубликовали ряд теоретических работ, где излучение Вавилова – Черенкова объяснялось движением заряженных частиц с очень высокими скоростями в прозрачной среде.

Сами Вавилов и Черенков единогласно приняли теорию коллег, а вот научное сообщество в целом отнеслось к ней с изрядной долей скепсиса. Например, авторитетное британское издание Nature отказалось публиковать переведенную на английский язык заметку Черенкова о новом эффекте. Материал отправили в американский журнал Physical Review, где он и был напечатан в 1937 году.

Итогом борьбы за признание теории в 1946 году стало вручение Сталинской премии 1-й степени, которой удостоились Вавилов, Черенков, Тамм и Франк. В то время это был высший знак научного признания в Советском Союзе. Мировую славу своего открытия Сергей Вавилов, к сожалению, не застал – его не стало в 1951 году. Спустя всего семь лет, в 1958-м, Павлу Черенкову, Игорю Тамму и Илье Франку была присуждена Нобелевская премия по физике «за открытие и объяснение эффекта Вавилова – Черенкова».

Когда астрофизик Стивен Хокинг только подумывал написать свою знаменитую книгу «Краткая история времени», его издатель сказал, что каждая формула в книге будет забирать у ученого 10% читателей. Хокинг ограничился всего тремя формулами и сумел объяснить сложнейшую физику буквально на пальцах. Следуя его заветам, попробуем разобраться с эффектом Вавилова – Черенкова.

Известно, что частицы света – фотоны – самые быстрые штуки во Вселенной. Но это верно только при движении в абсолютной пустоте, в вакууме. Стоит им попасть, скажем, в обычную воду, как они начинают «тормозить», теряя до половины своей знаменитой скорости. А еще фотоны отражаются от твердой материи и могут изменить направление своего движения. В отличие от них частицы под названием нейтрино, которые летают через всю Вселенную насквозь, почти так же быстро, как свет, никогда и нигде не замедляются. Вот и выходит, что, проходя через жидкости, нейтрино обгоняют фотоны и всегда попадают туда, куда изначально летели самым прямым путем. Что это дает?

Дело в том, что, проходя через различные вещества, нейтрино распространяют вдоль траектории своего движения ударную электромагнитную волну, которая выражается в том числе и в виде синеватого свечения. И вот его-то довольно легко увидеть даже невооруженным глазом. Кроме того, это свечение не меняет своего направления или интенсивности при изменении свойств среды, скажем, таких как химический состав или температура. Оно зависит только от характеристик вызвавшей его частицы.

В 1996 году в Японии начал работу гигантский черенковский детектор Super-Kamiokande. Этот огромный резервуар с водой вместимостью 50 000 тонн позволил сделать важные открытия в физике нейтрино, которые выдают свое присутствие, излучая тот самый синий свет, по мере прохождения через толщу воды. Анализ излучения позволяет ученым с большой точностью определить тип нейтрино, его отличительные свойства и направление движения. Так, в 1987 году Super-Kamiokande зарегистрировал частицы, порожденные при вспышке сверхновой в соседней галактике – Большом Магеллановом Облаке, и положил начало нейтринной астрономии.

Впоследствии такие нейтринные телескопы стали строить на дне озер и даже морей. К примеру, самый крупный в Северном полушарии  – Baikal-GVD, построенный в 1998 году, находится под поверхностью озера Байкал. Но в одном таком детекторе было бы мало смысла, а потому все нейтринные телескопы Земли связаны в единую сеть. Baikal-GVD, например, работает вместе с IceCube, на Южном полюсе, а также c ANTARES и телескопами системы KM3NeT в Средиземном море. Благодаря открытию эффекта Вавилова – Черенкова астрофизики всего мира ведут напряженную совместную работу в ожидании новых сенсационных открытий, которые расскажут о первых секундах нашей Вселенной после Большого взрыва и ее дальнейшей эволюции.

Черенковское излучение можно наблюдать и внутри атомных реакторов или коллайдеров. Детекторы Черенкова позволяют регистрировать процессы, происходящие при столкновении разогнанных элементарных частиц, приближая человечество к пониманию того, из чего состоит и как работает вся материя во Вселенной.

Есть для эффекта Вавилова – Черенкова и более «земные» применения. Например, радиолучевая терапия раковых заболеваний, где изменение черенковского излучения позволяет определить, через какие именно ткани внутри человеческого тела проходит поток заряженных гамма-частиц. Это дает возможность с невероятной снайперской точностью бомбардировать раковые клетки радиацией, не затрагивая здоровые участки и снижая вред от процедуры до абсолютного минимума. Синий свет тут, конечно, уже не виден, что, впрочем, не отменяет возможность анализировать другие составляющие электромагнитной волны. Такой метод «прицеливания» был назван «черенкоскопией» и широко применяется в медицине по всему миру.

Эффект Вавилова – Черенкова освещает не только путь к новым научным открытиям. Например, обитателям дна Мирового океана он просто дает возможность видеть. Дело в том, что в морской воде растворен радиоактивный изотоп кальция, которые испускает быстрые электроны, вызывая тот самый синий свет там, куда солнечные лучи попросту не могут проникнуть. Благодаря этому у всех глубоководных рыб сохранились глаза и зрение, а свечение Вавилова – Черенкова для них буквально луч света в темном царстве.

Есть надежда, что как возлюбленные, которые смотрят не друг на друга, а в одном направлении, люди всего мира могут забыть о своих многочисленных разногласиях, разгадывая фундаментальные загадки Вселенной, в поисках Теории Всего или частицы Бога – бозона Хиггса. Все эти открытия и достижения могут стать реальными еще при нашей жизни благодаря упорству и гению русских ученых.