Постепенно черенковское излучение перестало быть только объектом изучения. Оно оказалось изученным настолько, что, в свою очередь, превратилось в инструмент в руках ученых.

Вспомним о волнах, разбегающихся по воде от движущегося катера. Если бы на катере вышли из строя приборы для измерения скорости, капитан смог бы определить его скорость, измеряя угол, под которым расходится носовая волна. Физики, изучавшие черенковское излучение от протонов, полученных с помощью ускорителя, показали, что таким же образом можно очень точно измерять скорость, а значит, и энергию протонов. Тщательно измеряя угол, под которым видно излучение, и свойства среды, в которой оно наблюдалось, они определяли скорость протонов с ошибкой меньше чем 0,1 %. Этим способом может измеряться и скорость других быстрых заряженных частиц.

На основе эффекта Черенкова созданы крайне чувствительные счетчики, позволяющие регистрировать отдельные быстрые частицы. Такие счетчики обладают огромным преимуществом. Они позволяют просто определять направление прихода частиц. Ведь черенковское излучение может наблюдаться только в виде узкого конуса, смотрящего вдоль направления полета частицы.

Черенковские счетчики обладают еще одним важным преимуществом — они не замечают медленных частиц. Ученые называют это пороговым эффектом. Ведь частицы, скорость которых меньше скорости света в веществе, из которого сделан счетчик, не дают в нем черенковского излучения, а значит, счетчик их не считает. Изготовляя счетчики из различных веществ, можно изменять величину пороговой скорости, то есть регистрировать частицы с различной энергией.

Со временем удалось наблюдать черенковское излучение не только в жидкостях и твердых телах, но и в газах. Несмотря на то, что свет распространяется в воздухе лишь немногим медленнее, чем в пустоте, оказалось, что в составе космических лучей имеются частицы, обгоняющие свет в воздухе. Черенковское излучение от этих частиц имеет вид очень острого конуса с углом всего в один градус, что позволяет определить направление прихода космических частиц с недоступной для других методов точностью.

Физики всего мира были недавно взволнованы двумя важными открытиями. На крупнейшем американском ускорителе- бэватроне, дающем частицы с энергией 6,8 млрд. электроновольт, были открыты новые частицы — антипротон и антинейтрон. При открытии обеих новых частиц существенную роль сыграло применение черенковских счетчиков. Черенковские счетчики будут применяться и при исследованиях на крупнейшем в мире ускорителе-синхрофазотроне на 10 млрд. электроновольт, построенном советскими учеными в городе Дубна.

ВТОРАЯ ЖИЗНЬ ОТКРЫТИЯ

Гинзбург, теоретически изучивший еще перед войной черенковское излучение в твердых телах, предложил использовать это излучение для генерации миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. В 1946 году он, рассматривая различные возможности получения миллиметровых радиоволн, указал, что эффект Черенкова позволяет использовать для этой цели равномерно движущиеся электроны.

При этом Гинзбург развил мысль академика Мандельштама, высказанную им задолго до того, еще при обсуждении докторской диссертации Черенкова.

Мандельштам указал, что для наблюдения эффекта Черенкова не обязательно пропускать электроны через вещество, где они довольно быстро тормозятся встречными атомами. Достаточно, указал он, пропустить пучок быстрых электронов через канал, проделанный в диэлектрике. Важно лишь, чтобы сечение этого канала было меньше, чем длина электромагнитной волны в этом диэлектрике. Эффект может быть получен и в том случае, когда пучок электронов просто пролетает достаточно близко к поверхности диэлектрика.

Электроны при этом 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, будут складываться в черенковскую волну, которая распространяется внутри диэлектрика, а затем может быть излучена в пространство.

Особенно мощные радиоволны можно получить этим способом, используя не сплошной поток электронов, а предварительно сгруппировав электроны в небольшие сгустки.

Однако это не единственный способ получения радиоволн с помощью эффекта Черенкова. Ведь мы знаем, что для возникновения этого эффекта достаточно уменьшить скорость электромагнитной волны до величин меньших, чем скорость электрона, и излучение начнется.

Оказывается, 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 такой 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, постепенно становится на службу человечества.

В ЛАБОРА ТОРИИ И В ЖИЗНИ

Молодые люди, впервые приходящие на лекции профессора Черенкова, обычно не знают, что лекции по экспериментальной физике им будет читать человек, открывший эффект Черенкова. Ведь для молодежи эффект Черенкова так же стар, как и эффект Допплера и многие другие известные людям явления.

Но вот звонок, и в аудиторию входит спортивного вида человек. Лекция его увлекает студентов так, как может увлечь лишь рассказ активного участника интересных событий.

Черенков не ограничивается научной работой, чтением лекций и подготовкой физиков в своих лабораториях. Он активный общественный деятель, пользующийся большим авторитетом и в вопросах, не связанных с физикой.

«Техника молодежи» № 8, 1957 г.

На дно материи

В конце двадцатых годов XX века возникло творческое содружество тогда мало кому известных ученых: Гейзенберга, Шредингера, Бора, де-Бройля, подаривших миру новую физику, физику квантовую, которая стала трамплином для мощного скачка в знаниях человечества. И это произошло в двадцатом веке, когда физика как наука, казалось, полностью сложилась. Известный английский ученый на вопрос одного из молодых своих коллег, чем заняться, ответил, что теоретической физикой заниматься не стоит, эта наука в основном завершена, остались, может быть, один-два неясных вопроса и подчистка некоторых деталей.

Вот эта-то пара неясных вопросов и толкнула ученых на переоценку ценностей, накопленных классической физикой.

Ученые обратили пристальное внимание на кирпичики, из которых сложена система мироздания. Атом материи. Что это такое? Древние считали, что атомы неделимы. Они учили, что теплота и огненность возникают из различий в форме, положениях и порядке атомов; теплота и огненность вызываются наиболее острыми и тонкими из них, а тупыми и толстыми вызываются сырость и холод; первые порождают свет и яркость, вторые — сумрак и темноту.

Демокрит в своем воображении наделял атомы величиной и формой, Эпикур щедро добавлял им тяжесть. А Резерфорд в начале двадцатого века разбил атом на части: полюбуйтесь, атом — это мир, это Вселенная со своими головокружительными, ошеломляющими тайнами! Эти тайны оказались перчаткой, брошенной природой ученым.

Одним из самых молодых физиков, поднявших перчатку, был советский ученый Игорь Тамм. Он начал свой творческий путь в 1919 году как преподаватель Крымского университета. Ему было тогда 23 года. Кто знает, как сложилась бы его судьба, если бы ему не пришлось через два года перейти в Одесский политехнический институт, где в то время преподавал профессор, а впоследствии академик Мандельштам. Эта встреча определила всю дальнейшую деятельность Игоря Евгеньевича. Мандельштам ввел его в сферу самых актуальных задач физики. И вот с 1924 года в научных журналах рядом с работами Гейзенберга, Шредингера, Бора начали регулярно появляться статьи Тамма, относящиеся к самым сложным вопросам теоретической физики.

Первые работы молодого ученого были посвящены пересмотру с точки зрения теории относительности различных сложных разделов физики. Затем он включается в величайшее дело нашего века — в построение нарождающейся в это время квантовой физики.

Тамм попал в число тех, на чью долю выпали счастье и трудности, которые и не снились старшему поколению физиков. Они должны были разрешить то, что не смог бы разрешить ни один из их гениальных предшественников — ни Аристотель, ни Галилей, ни Ньютон, которые писали целые поэмы в формулах и уравнениях о течениях жидкостей, о работе механизмов, о движении планет.

Все вокруг было зримо, осязаемо, материально. Атом же жил по неведомым еще людям законам. И эти законы нужно было установить. И новая физика разоблачила тайны атома. Многое прояснилось и в таких с древности, казалось бы, знакомых явлениях природы, как свет, магнетизм, электричество.

В 1929 году выходит первый том уникального учебника Тамма «Основы теории электричества», выдержавшего десятки изданий и распространившегося по всему миру в качестве одного из авторитетнейших полпредов советской науки. В этом же году он разработал сложный вопрос о связи теории относительности и квантовой механики, устанавливая мост между этими двумя китами, на которых зиждется современная физика.

Уже в следующем году Игорь Евгеньевич закончил квантовую теорию рассеяния света в кристаллах. В этой работе он отважился на беспримерную дерзость, он стал квантовать звук так же, как в свое время Эйнштейн квантовал свет.

Вслед за этим Игорь Евгеньевич прокладывает новый путь в теории, проделав первый расчет, в котором объединена квантовая электродинамика и теория относительности. При этом он узаконил понятия античастицы и «отрицательной энергии», не поддававшиеся в то время (до открытия позитрона, первого представителя антимира) физической интерпретации. Он не остановился на этом и высчитал (одновременно с Дираком и Оппенгеймером) вероятность аннигиляции электрона с позитроном — удивительного и непонятного тогда процесса, во время которого электрон исчезает, порождая квант электромагнитной энергии.

Следующие годы Игорь Евгеньевич отдал главным образом квантовой теории металлов. Здесь он, помимо прочего, открыл «уровни Тамма», попав на которые электрон остается на поверхности металла, не имея возможности ни выйти наружу, ни войти во внутрь.

Эти труды позволили ученому перебросить мостки между самыми отдаленными друг от друга областями физики.

Новая физика раскрывала одну тайну атома за другой, и постепенно вырисовывался силуэт причудливого, но уже во многом понятного микромира. Однако, углубляясь в мир атома, ученые снова приближались к тупику. Они уже твердо знали, что атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов, могли с помощью простых и сложных формул описать жизнь этих электронов, но об атомном ядре они ничего не знали. Здесь их ждал орешек потверже, чем тот, что разгрызла квантовая физика.

Если раньше ученые верили, что атом неделим, то потом они предположили, что неделимо ядро атома. Но затем и это оказалось заблуждением. И вот мы являемся свидетелями споров о том, существуют ли вообще в природе элементарные частицы и каковы они. Вопрос о том, какие силы действуют в ядре, стал злобой дня, но всесильная в те времена теория относительности и квантовая физика ответить на него не могли.

Уже в работах тридцатых годов Тамм выдвинул идею о том, что ядерные частицы удерживаются внутри ядра, несмотря на огромные силы взаимного электрического отталкивания, за счет особых ядерных сил.

Он предположил, что совершенно необычные свойства этих сил, проявляющихся только на очень малых расстояниях, обусловлены тем, что они вызваны дотоле неизвестным процессом — обменом частицами.

Для того чтобы представить себе, как это происходит, говорил Тамм, следует вообразить, что каждый протон и нейтрон непрерывно излучает и поглощает электроны и нейтрино. Если же они находятся очень близко друг от друга, то их электронно- нейтринные облака перекрываются, что и приводит к взаимному притяжению двух протонов, перевешивающему даже взаимное отталкивание их зарядов.

Однако расчеты, проведенные Таммом, показали, что силы, возникающие при обмене электронами и нейтрино, недостаточны для объяснения устойчивых ядер. Это можно было бы считать неудачей, если бы японский физик-теоретик Юкава не показал правильности основной идеи Тамма и не доказал, что ядерные силы могут быть следствием обмена частицами, примерно в двести — триста раз более тяжелыми, чем электроны. Юкава назвал эти частицы мезонами, и они со временем были обнаружены при экспериментах.

В это же время Игорь Евгеньевич совместно с одним из своих учеников на основе анализа известных опытных данных пришел к парадоксальному с точки зрения тех лет заключению о том, что нейтральная тяжелая частица — нейтрон — должна обладать свойствами небольшого магнитика. Он даже рассчитал величину и знак этого магнетизма, впоследствии полностью подтвержденные экспериментаторами. В изучении свойств частиц это было важной деталью.

Примерно к этому времени (1937–1939 годы) относится одна из наиболее важных работ Игоря Евгеньевича, выполненная им совместно с И. М. Франком. Это теория черенковского излучения, возникающего, когда электрон движется в каком- нибудь веществе быстрее, чем в нем распространяется свет. Странное, казалось бы, ничем не вызванное свечение веществ долго оставалось таинственным, пока Тамм не дал ему объяснения. За открытие И. Тамм, И. Франк и П. Черенков были награждены Нобелевской премией.