Поиски истины

В постановке и обсуждении опыта участвовал научный руководитель Черенкова Сергей Иванович Вавилов, ставший впоследствии президентом Академии наук СССР. Он сразу почувствовал значительность нового явления. Анализируя возможные причины свечения, Вавилов показал, что обычные механизмы не могут объяснить особенности обнаруженного излучения. Например, следует отбросить так называемое тормозное излучение - излучение, которое получается при рассеянии атомами быстрых электронов, сопровождающих у-кван-ты (электроны вырываются квантами из атомов вещества).

Тормозное излучение идет под малыми углами к направлению движения энергичных электронов, тогда как обнаруженное Черенковым излучение наблюдается под большими углами. Явление стало казаться еще более странным, когда выяснилось, что излучение наблюдается только под строго фиксированным углом к направлению у-квантов и тем самым к направлению вырываемых ими электронов.

Когда явление так резко противоречит теории, возникает соблазн подвергнуть сомнению надежность эксперимента. Но, несмотря на все возражения, Черенков с упорством подлинного экспериментатора продолжал свои работы, совершенствуя методику измерений. Он показал, что аномальное излучение есть у громадного числа различных жидкостей. Так возник научный парадокс.

Вавилов близко подошел к объяснению явления, предположив, что созданные у-квантами электроны, двигаясь в среде, испытывают периодические возмущения и поэтому дают наблюдаемое свечение.

Но это объяснение отвергалось теоретиками - ведь электрон большой энергии движется в жидкости с постоянной скоростью, а заряженная частица излучает, только ускоряясь или замедляясь. Электрон излучает электромагнитные волны в каждой точке своей траектории, но когда он движется по прямой с постоянной скоростью, всегда найдутся такие участки траектории, которые дают волны в противофазе, погашающие друг друга. Если электрон изменяет свое направление в результате столкновения или при движении в электромагнитном поле, волны, испущенные до и после поглощения, перестают погашать друг друга, и возникает тормозное излучение.

Так объяснялось, почему электрон не излучает, двигаясь без изменения скорости. Но в этом рассуждении было одно незаметное предположение: скорость электрона предполагалась меньшей, чем скорость света. В пустоте это условие всегда выполнено. Ведь согласно теории относительности, как бы ни была велика энергия частиц, скорость их меньше скорости света. Но в жидкости энергичный электрон движется со скоростью, близкой к скорости света, а электромагнитные волны распространяются со скоростью с', заметно меньшей: с' = с/п, где п - показатель преломления (для видимого света ns? 1,5).

Нетрудно сообразить, что в случае, когда v›c', есть такой угол излучения, при котором волны, идущие от всех участков траектории, складываются. Угол 0 просто связан со скоростью электрона и показателем преломления: cos в = c'/v. Именно под этим углом и происходит излучение Черенкова - Вавилова.

Подобное явление, но не для света, а для звука, было обнаружено в прошлом веке Эрнстом Махом. Пуля, движущаяся со сверхзвуковой скоростью, излучает звук под углом, косинус которого равняется отношению скорости звука к скорости пули (угол Маха). Такое же излучение звука происходит и при движении сверхзвуковых самолетов.

В 1937 году Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк поняли, в чем физическая причина явления, названного излучением Черенкова - Вавилова, и построили его количественную теорию. Определяя угол, под которым происходит излучение, можно найти скорость заряженной частицы. Поэтому излучение Черенкова - Вавилова оказало большое влияние на экспериментальную физику высоких энергий - появился способ определять с большой точностью энергию, например,

протонов, участвующих в столкновениях элементарных частиц.

В 1958 году И. Тамм, И. Франк и П. Черенков получили Нобелевскую премию «за открытие и интерпретацию эффекта Черенкова».

А вот как было открыто явление сверхтекучести академиком Петром Леонидовичем Капицей в Институте физических проблем АН СССР в 1937 году.

Изучались свойства жидкого гелия при низких температурах. Было известно, что при температурах, меньших 2,2 градуса Кельвина (-270,8 градуса Цельсия), жидкий гелий переходит в другую модификацию - гелий II, с совершенно другими свойствами. Голландский физик Биллем Кеезом обнаружил, что гелий II имеет теплопроводность в Ю6 большую, чем медь, что уже само по себе очень странно. Затем обнаружилось, что у гелия II аномально малая вязкость - в 103 раз меньшая, чем у воды. А микроскопический механизм теплопроводности и вязкости очень схож, и при большой теплопроводности всегда возникает и большая вязкость. Теплопроводность определяется скоростью передачи от слоя к слою тепловой энергии, а вязкость - скоростью передачи количества движения. Чем больше одно, тем больше и другое, а у гелия все получалось наоборот.