Все новости

Когда частица может двигаться быстрее света? О первой Нобелевской премии советских физиков

Игорь Тамм и Павел Черенков
© AP Photo
28 октября 1958 года советским ученым была впервые присуждена Нобелевская премия по физике — "за открытие и истолкование эффекта Черенкова". ТАСС — о том, что это за эффект и где его используют

В 1933 году в лаборатории Физико-математического института Павел Черенков и Сергей Вавилов (первый был аспирантом у второго) обнаружили ранее неизвестный феномен. Чистая вода, без всяких примесей, начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах — быстрее света.

Слова "быстрее света" не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а в разных материалах он движется медленнее. Свет — это электромагнитная волна, колебания поля. Но в любом веществе есть атомы, которые вносят задержку в передачу энергии электромагнитной волной. Или просто не пропускают волну внутрь: это происходит в непрозрачных средах.

Если в вакууме предел составляет без малого 300 тыс. км/с (с такой скоростью за 1 с можно облететь Землю по экватору 7,5 раза), то в воде — только 225 тыс. км/с. Для оптического стекла значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тыс. км/с.  

Законы физики запрещают мгновенное изменение скорости, поэтому какое-то расстояние в среде частица пролетает быстрее "местного ограничения". Все это время она тормозит и, следовательно, теряет энергию, которой надо куда-то деваться. При торможении машины кинетическая энергия переходит в нагрев тормозов, а сверхсветовые частицы отдают избыток в виде квантов излучения, то есть света.

Детально эффект был описан Черенковым, Вавиловым, Игорем Таммом и Ильей Франком. Все они, кроме умершего в 1951-м Вавилова, получили Нобелевскую премию по физике. Сам эффект по сей день применяется в исследованиях, а наблюдается как в технике, так и в природе, главное — знать, куда смотреть.

Красиво, но лучше смотреть издалека

Эффект Вавилова — Черенкова выглядит очень красиво. Голубое свечение погруженной в воду активной зоны ядерного реактора или опущенного в специальный бассейн отработанного ядерного топлива обусловлено именно этим явлением. При распаде атомов урана или иных радиоактивных элементов некоторые частицы вылетают на скоростях больше скорости света в воде — и испускают то самое свечение.

Вспышки в глазах

Наши глаза, как известно, тоже состоят из прозрачной среды. Когда в глаз влетает частица с околосветовой скоростью, она начинает излучать, поэтому космонавты неоднократно видели вспышки перед глазами. Во время полетов к Луне экипажи "Аполлонов" отмечали по одной вспышке в три минуты, а на "Аполлоне-17" Рон Эванс даже надевал на голову специально сконструированный детектор космических лучей. Оказалось, что вспышки вовсе не иллюзия, а результат взаимодействия с частицами, прилетающими из космоса.

Американский астронавт Рон Эванс NASA
Описание
Американский астронавт Рон Эванс
© NASA

Угрозы для здоровья такие вспышки не несут, но в целом повышенный радиационный фон на орбите и тем более в дальнем космосе всерьез беспокоит исследователей. Будущие экспедиции к Марсу и к проектируемой станции вблизи Луны хорошо бы защитить от избыточного облучения.

Свет во тьме

Благодаря эффекту Вавилова — Черенкова океанские глубины вовсе не кромешный мрак, как можно подумать. Измерения, проведенные в 1984 году советскими исследователями в Атлантическом океане, показали, что постоянный распад калия-40 (естественный радиоактивный изотоп в морской воде) дает достаточно сверхсветовых частиц для слабой фоновой засветки даже на отметке 5 км ниже поверхности. Теоретически обладатели достаточно больших глаз в этих условиях способны видеть: для глубоководных рыб излучение Вавилова — Черенкова может оказаться источником тусклого, но зато равномерного свечения.

Излучение вокруг погруженного в воду исследовательского реактора Argonne National Laboratory/CC BY-SA 2.0/Wikimedia Commons
Описание
Излучение вокруг погруженного в воду исследовательского реактора
© Argonne National Laboratory/CC BY-SA 2.0/Wikimedia Commons

Воздух тоже задерживает свет, пусть и слабее, поэтому самые быстрые частицы излучают уже при попадании в атмосферу. Это черенковское излучение в атмосфере тоже можно зафиксировать приборами. Благодаря ему небо оказывается не абсолютно черным даже в лишенных звезд местах (впрочем, вклад полярных сияний гораздо больше).

Детекторы и медицина

Яркость вспышки, ее продолжительность и направление распространения световых лучей зависят от энергии и направления полета исходной частицы. Эта связь позволяет физикам при достаточном числе одновременных наблюдений узнать о частице много интересной информации. Что самое важное — это можно сделать издалека, просто поставив несколько телескопов вместо того, чтобы ловить редкие космические лучи детекторами на высоте более 10 км. Подобные установки успешно используются в ряде обсерваторий. С их помощью астрофизики могут изучать частицы с такими энергиями, которые не в состоянии выдать даже Большой адронный коллайдер.

Телескоп MAGIC, при помощи которого астрофизики наблюдают черенковское излучение в атмосфере Robert Wagner/Wikimedia Commons
Описание
Телескоп MAGIC, при помощи которого астрофизики наблюдают черенковское излучение в атмосфере
© Robert Wagner/Wikimedia Commons

Кроме того, черенковское излучение возникает в воде или во льду при попадании космических частиц-нейтрино. Чувствительные фотоумножители, опущенные под воду (например, в толще озера Байкал) или вмороженные в лед (под станцией Амундсен — Скотт на Южном полюсе), будут регистрировать частицы не только при непосредственном попадании в сам прибор, но и вокруг себя. Это резко повышает эффективность наблюдений.

А недавно эффекту Вавилова — Черенкова нашли применение в медицине. Протоны, которыми "выжигают" раковую опухоль, тоже движутся быстрее скорости света в человеческом теле, поэтому при помощи черенковского излучения можно контролировать лучевую терапию.

Как часто бывает в науке, открытие нового явления не просто обогатило знания о мире очередным фактом. Знание о том, как возникает свечение веществ под действием проходящих через них частиц, помогло раскрыть другие тайны природы. А советским физикам оно впервые в истории принесло Нобелевскую премию.

Алексей Тимошенко, научно-популярный сайт "Чердак"