Наперегонки со светом

Наперегонки со светом

Некоторые из великих открытий, продвинувших науку, можно назвать «легкими», однако не в смысле того, что их легко было сделать, а в том смысле, что, когда они совершены, их легко понять каждому.

Ч. Дарвин

В темноте

Глаз, оторвавшись от прибора, встречал лишь тьму. В абсолютной темноте работали дни за днями молодые энтузиасты, изучавшие тридцать семь лет назад природу света.

Изучать свет в темноте! Что может быть нелепее этого! Но тем не менее в начале тридцатых годов 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. Они готовились. Подготавливали свои глаза. Лишь через час они ощупью подходили к заранее отрегулированным приборам и приступали к работе.

Опыт начинался. Они смотрели и видели то, что совершенно невидимо для остальных людей. Они 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.

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, а также авиационных приборов… Портреты и пейзажи, писанные светящимися красками… Почему все это светится? Какая невидимая рука поджигает вещество изнутри?

Эту-то загадку и разгадывали Вавилов и его ученики.

Странное свечение

…Молодые люди, впервые приходящие сегодня на лекции профессора члена-корреспондента Академии наук СССР 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 увлечь 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, многие стороны явления люминесценции были неясны. Всякое оригинальное наблюдение имело здесь цену. Но основным было выявление новых, неизвестных ранее закономерностей.

Приходя утром в лабораторию и подготавливая глаза, Черенков обдумывал очередной опыт.

Как будет изменяться свечение знакомого раствора, если добавить в него еще соли? Что будет, если разбавить раствор водой? Конечно, яркость свечения должна измениться. Но важен точный закон. Необходимо установить зависимость яркости свечения от концентрации светящегося вещества.

Эксперимент начинался.

По мере ослабления свечения приходилось принимать меры для того, чтобы опыт был 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 платиновый. Вода дважды дистиллирована и практически не содержит примесей. Он терпеливо сидит в темноте, восстанавливая остроту зрения. Опыт начинается и приводит его 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?

Темперамент против факта

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, которое никто еще не замечал. Приходили поразмыслить, дать совет.

Черенков не находил себе места. Ведь, столкнувшись с неожиданным в результатах опыта, ученые обычно меньше всего думают, что эти странности принесут им Нобелевскую премию. Прежде всего экспериментатор ищет возможную ошибку. И он будет повторять неудавшийся 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 эту чепуху, отдохнуть, заняться другим.

Но Черенков хочет прежде всего ясности. Он должен узнать, почему не удался его опыт, чем вызывается свечение, которое он видит. Почему светится дистиллированная вода? Ведь до сих пор считалось, что она не способна к люминесценции. 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 свой прибор и наливает в него другую жидкость. Все то же.

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, а свечение почти не ослабело. Теперь он уверен: яркое свечение концентрированных растворов — это люминесценция. Слабое свечение чистых жидкостей имеет другую природу. Но он продолжает свои 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, вдоль направления 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.

Что он видит?

Волга рождается среди 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 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.

Черенков не спорил. 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, — настойчиво повторял Черенков.

И следующим опытом он опять подтверждал свое мнение, получив конусообразное свечение чистых жидкостей под действием уже не гамма-, а бета-лучей, то есть быстрых электронов, выделяющихся при радиоактивном распаде.

Целым каскадом экспериментов Черенков продолжал доказывать, что открытое им свечение не люминесценция.

Его поддерживал и научный руководитель — академик Вавилов, крупнейший специалист в области люминесценции. 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 ушли на проведение тщательных исследований. Усилив источник гамма-лучей до 794 миллиграммов радия, Черенков добился увеличения яркости эффекта и получил фотографии таинственного излучения. Но никакие опыты по-прежнему не могли непосредственно выявить природу свечения, установить его происхождение, объяснить механизм его возникновения. Было совершенно надежно доказано лишь 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 стать выдающимися учеными нашего времени. Одним из них был Илья Михайлович Франк, ныне член-корреспондент Академии наук СССР. 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 академик Тамм для современной физики: идущим впереди. Игорь Евгеньевич стал во главе тройки.

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.

Ударная световая волна

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 меньшей, 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, образующиеся от падения отдельных камней, будут накладываться один на другой и образуют полное подобие носовой волны. Отдельные круговые волны складываются воедино, образуя две большие 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 носовая 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 вы не удивитесь, когда узнаете, что излучение, открытое Черенковым, не что иное, как ударная световая волна!

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 — 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 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.

Ленивых не замечать!

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 с углом всего в один градус. И конус этот смотрит 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 ядерных 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 важной особенностью. Они хорошо «видели» одни частицы, но не хотели замечать других. 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 их не считает.

И чудесно! Ученые поняли: изготовляя 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.

Из пушки по воробьям

Эти замечательные особенности 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 определить не только 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 свечение 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, и 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 вселенной везде 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 Черенкова — 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.

Вторая жизнь открытия

Вокруг открытия Черенкова 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 Черенкова академик Мандельштам. Он предположил, что для наблюдения эффекта Черенкова 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 «впрыснуть» 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 волны, значит в веществе возникнет 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 покойного академика Мандельштама была не просто красивой иллюстрацией механизма возникновения черенковского излучения. Она указывала на практические возможности большого значения.

Впоследствии физик-теоретик В. Л. Гинзбург решил развить 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 предварительно сгруппировав их 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 черенковское 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 нее воздух и пропустив через нее пучок быстрых электронов, сгруппированных в сгустки, можно получить таким образом мощное черенковское 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.

…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. И. Е. Тамм, И. М. Франк и П. А. Черенков были награждены этой премией в 1958 году за открытие и толкование эффекта Черенкова — Вавилова.