Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"
Автор книги: Ирина Радунская
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 24 страниц)
Волга рождается на 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 во всех случаях 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.
– То, что наблюдает Павел Алексеевич, не люминесценция, – возражал руководитель Черенкова, крупнейший специалист в области люминесценции С. И. Вавилов.
Черенков не тратил времени на споры. 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, – возражал Черенков. – Свет, возбуждаемый люминесценцией, распространяется во все стороны с одинаковой яркостью. Новое излучение распространяется лишь в узком конусе, вершина которого указывает на место, где расположена ампула с радием.
И следующим опытом он опять подтверждал свое мнение, получив такое же конусообразное свечение чистых жидкостей под действием не гамма —, а бета-лучей, то есть быстрых электронов, выделяющихся непосредственно при радиоактивном распаде.
Целым каскадом экспериментов Черенков продолжал доказывать, что открытое им свечение не люминесценция.
Его поддержал Вавилов. 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 ушло на проведение тщательных исследований. Увеличив источник гамма-лучей до 794 миллиграммов радия, Черенков добился столь большого повышения яркости таинственного излучения, что ему удалось зафиксировать его на фотографии. Но никакие опыты по-прежнему не могли непосредственно выявить природу свечения, установить его происхождение, объяснить механизм возникновения. Было совершенно надежно доказано 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 стати выдающимися учеными нашего времени. Одним из них был Илья Михайлович Франк, ставший позже академиком. 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 для современной физики академик Тамм, – идущим впереди. Игорь Евгеньевич стал во главе тройки! Но это произошло позже. До этого Франку приходилось участвовать во многих обсуждениях совместно с Вавиловым и Черенковым. Эти обсуждения зачастую происходили в полной темноте. Вавилов, экономя время, требовавшееся для подготовки глаз к сложному эксперименту, приходил в лабораторию, чтобы обсудить полученные результаты и программу предстоящих опытов. Франк находился там в качестве добровольного помощника, если Черенков просил его о содействии. В ФИАНе (Физическом институте АН СССР) уже в те годы был силен дух научной взаимопомощи.
Деловое общение, непосредственное участие в экспериментах, воодушевляющие беседы сыграли благотворную роль в дальнейшей теоретической работе Франка. Он чувствовал, как из почти незаметного свечения возникали загадки, наблюдал за попытками опытного физика отделить главное от второстепенного. Обсуждал свои сомнения с Таммом.
Тамм заинтересовался этим не сразу. У него были свои проблемы, а в опытах Черепкова сущность могла быть скрыта видимостью, возникавшей случайно. Но когда и на случайность, на загрязнения и примеси были отвергнуты одна за другой, Тамм увлекся. Началась совместная работа.
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.
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 меньше, 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, возникающие от падения отдельных камней, будут накладываться один на другой и образуют полное подобие носовой волны. Отдельные круговые волны складываются воедино, образуя две больших 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 новая 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 общепризнанно, что излучение, открытое Черенковым, не что иное, как ударная световая волна!
Конечно, можно возразить: для образования ударной звуковой волны самолет или снаряд должен лететь быстрее звука. Значит, для образования ударной световой волны электрон должен лететь быстрее света? Но как это может быть? Ведь Эйнштейн еще восемьдесят лет тому назад понял, что ни одно тело, ни одна элементарная частица не может 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.
Теорию, объясняющую возникновение черенковского излучения, Тамм и Франк создали в 1937 году. Они неопровержимо доказали, что Черенков действительно открыл совершенно новый вид светового излучения. Отдавая должное вкладу своего учителя в открытие и объяснение природы этих волн, Черенков предложил назвать их излучением Вавилова – Черепкова.
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 одинаково направленными 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 корабля, движущегося с очень малой скоростью. Иное дело, если электрон летит быстрее, чем скорость света в веществе. В этом случае световые волны, возбуждаемые 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 Черенков. Если бы свет, испускаемый электронами распределялся равномерно, как при люминесценции, вероятно, обнаружили бы не скоро. Конусообразное распределение света в направлении движения электронов – вот что привлекло внимание Черепкова, вот что надо на мысль об особой природе этого свечения, вошедшего в историю науки как излучение Вавилова – Черепкова.
Так объяснили Тамм и Франк странное на вид свечение. И их теория блестяще совпала со всеми опытами Черепкова, проделанными им за пять лет неустанного труда. Упорство Черепкова победило. Оправдались вдохновляющие 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.
Тетрадка в пять страницМного позже Вавилов обнаружил, что знаменитый лорд Кельвин еще в 1901 году указал на то, что атом, летящий в пустоте со сверхсветовой скоростью, должен создавать электромагнитную волну, аналогичную волнам Маха в акустике, ударным или носовым волнам, о которых упоминалось на предыдущих страницах.
В то время еще никто не знал, что ни одно материальное тело, в том числе и атом, не может лететь в пустоте со скоростью, превышающей скорость света. Теория относительности, основанная на постулате о скорости света как предельной скорости, была создана лишь четыре года спустя, а признание справедливости этого постулата пришло еще позже.
Но не невозможность сверхсветовой скорости явилась причиной тому, что указание Кельвина не получило дальнейшего развития и было забыто. Объяснение давней истории дал в 1961 году Франк. Он писал:
«Высказывание такого крупного физика, как Кельвин, разумеется, не могло быть забыто случайно. В нем, как вскоре выяснилось, содержалась существенная ошибка. Как ни странно, эта ошибка состояла в том, что Кельвин не довел свою аналогию со звуковыми волнами до конца.
…Теперь известно, что если сопоставить возникновение электромагнитных волн в среде с упругими волнами, то аналогия эффекта Вавилова – Черепкова с волнами Маха проявилась бы полностью. Однако во времена Кельвина такая постановка вопроса была бы крайне надуманной. Принималось, что свет распространяется в среде, которую называли мировым эфиром, и пытались наделить его своеобразными упругими свойствами. Поэтому в то время естественно было искать аналогию между свойствами волн в эфире и упругими акустическими волнами. Рассматривать движение заряженной частицы в плотной среде не было оснований, тем более что такой случай, как движение атома в плотной среде, не представлялся реальным».
После того как теория относительности стала общепризнанной, а предельная роль скорости света в пустоте стала одной из фундаментальных основ науки, высказывание Кельвина отошло в прошлое вместе с эфиром. Впрочем, предыстория этим не закончилась. В 1904 году выдающийся физик-теоретик Зоммерфельд рассчитал силу, тормозящую движение заряда, летящего со сверхсветовой скоростью в пустоте. Это было за год до создания теории относительности, а эксперименты с катодными лучами – заряженными частицами, летящими в пустоте, – привлекали всеобщее внимание.
На эту работу Зоммерфельда указал Тамму и Франку замечательный советский физик А. Ф. Иоффе. Об этом можно прочитать в статье Тамма и Франка, содержащей первое и безупречное объяснение опытов Черенкова. Теория относительности передала работу Зоммерфельда в архив науки, несмотря на то что расчеты в ней были верны. Однако верные расчеты относились к нереальному случаю сверхсветовой скорости в пустоте.
Но и это не было началом предыстории. В начале 1974 года А. А. Тяпкин направил в редакцию журнала «Успехи физических наук» письмо «О первом теоретическом предсказании излучения, открытого Вавиловым и Черенковым».
Тяпкин пишет, что недавно, просматривая работу О. Хевисайда «Об электромагнитных эффектах при движении электризации через диэлектрик», опубликованную в 1889 году, он обнаружил в ней параграф, специально посвященный движению заряда через диэлектрик со скоростью, превышающей скорость распространения света в диэлектрике. Тяпкин, обращаясь к физикам, не считает нужным подчеркнуть, что речь идет о движении заряда в диэлектрике, а не в пустоте. Что Хевисайд рассматривает задачу, точно соответствующую условиям опыта Черепкова. Вместо этого он приводит цитату из статьи Хевисайда.
Хевисайд пишет: «Ясно прежде всего, что здесь совсем не может быть возмущения впереди движущегося заряда (точечного для простоты)».
Отметим два обстоятельства. Первое – «здесь» указывает на условия, для которых проводится расчет: для заряда, движущегося быстрее скорости света в диэлектрике. Второе – Хевисайд строит свою теорию впрок. В то время электрон еще не был открыт и никто не знал ничего о возможности движения точечного заряда внутри диэлектрика. Так теория прокладывает путь эксперименту. Путь в будущее.
Результат Хевисайда таков: сферические волны, излучаемые движущимся зарядом, образуют коническую волну, в вершине которой – сам заряд.
Вновь возникает вопрос: почему предсказание Хевисайда прошло незамеченным и почему сам Хевисайд не возвратился к этой проблеме после открытия электрона, после открытия радиоактивности, после открытия космических частиц? Этот вопрос совсем недавно (в 1984 году) обсуждал Франк. Он считает удивительным, что Хевисайд пишет о движении заряда в диэлектрике, а не в пустоте, и) находит ответ у самого Хевисайда:
«…Следует отметить, что сказанное выше не является описанием того, что имело бы место, если бы заряд заставили двигаться через эфир со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света, об этом я ничего не знаю; но это описание того, что случилось бы, если Максвеллова теория диэлектриков справедлива для рассматриваемого случая и если я не ошибаюсь в ее интерпретации».
Франк отмечает, что Хевисайд опасается считать теорию применимой к скоростям, превышающим скорость света в пустоте, что он, рассмотрев движение заряда со сверхсветовой скоростью в диэлектрике, оказался в этом вопросе более проницательным, чем Кельвин и Зоммерфельд.
Мысленный опыт Хевисайда не противоречил теории Максвелла для диэлектриков, хотя он и делает оговорку: «…если я не ошибаюсь в ее интерпретации».
Еще один вопрос к предыстории. Почему так долго после начала систематических исследований радиоактивности никто не обнаружил излучения Вавилова – Черенкова?
Научные журналы хранят статьи М. Малле, который в 1928–1929 годах опубликовал несколько работ по наблюдению свечения жидкостей под действием гамма-лучей.
Он установил, что в нескольких жидкостях наблюдается свечение, обладающее во всех случаях одинаковым и сплошным спектром. Он высказал предположение, что наблюдаемое им свечение, возможно, универсально. Теперь ни у кого не возникает сомнения в том, что Малле наблюдал излучение Вавилова – Черенкова. Но он не разобрался в увиденном, не изучил характеристик явления, необходимых для правильного понимания его природы, для разработки теории явления.
Малле остался в плену обычных работ по исследованию люминесценции. Отметив необычность своих наблюдений, он не пошел дальше. Он не вышел за пределы обычных экспериментов.
Мы знаем, каких усилий потребовал простой вывод Вавилова – «это не люминесценция».
Черенков, в отличие от Малле, пользовался новым методом, методом, разработанным Вавиловым и Брумбергом практически перед его опытами. Этот метод основан на сравнении интенсивности слабого излучения с порогом зрительного восприятия глаза, адаптированного к темноте. Никаких методов, сравнимых с этим по точности и чувствительности, тогда не существовало.
И еще одно обстоятельство. В сложных ситуациях неожиданный результат опыта редко приводит к открытию, если своевременно на помощь не приходит теория. Здесь они шли рука об руку.
И в заключение: многовековая история науки свидетельствует о том, что открытия – плоды индивидуального творчества. Здесь же впервые открытие осуществлено коллективно. У него четыре автора.
Если относить к предыстории все, что происходило до 1937 года, до выхода из печати статьи Тамма и Франка, объяснившей во всех деталях эффект Вавилова – Черенкова, то нельзя обойти молчанием курьезный случай, живо описанный Франком.
«Я вспоминаю, – читаем мы в статье Франка, опубликованной в 1984 году, – что, когда осенью 1936 года приехал в Москву Жолио-Кюри (известный специалист в области радиоактивности. – И. Р.), ему был продемонстрирован опыт Черепкова, теперь вошедший в популярные книги. Вертикально поставленный стеклянный цилиндрический сосудик с жидкостью с боков был окружен коническим зеркалом. Если смотреть на зеркало сверху, то можно было видеть угловое распределение излучения, выходившего в горизонтальной плоскости через стеклянные стенки цилиндра. Когда препарат радия помещался сбоку от цилиндра, то отчетливо были видны два максимума излучения под острым углом к направлению гамма-лучей Сделанные Черенковым фотографии таких колечек с неравномерным почернением в различных азимутах теперь общеизвестны, а сам опыт нагляден и безупречно убедителен, если, конечно, не заподозрить элементарной ошибки, граничащей с жульничеством. Именно такая мысль, видимо, возникла у Жолио-Кюри, который немедленно начал поворачивать сосудик и зеркало вокруг оси, чтобы убедиться, что прозрачность стекла или качество серебрения зеркала не играет здесь роли. В обсуждении же опыта им был сделан намек на аналогию с лучами Бландло. Этому не следует удивляться. Демонстрацию опыта приходилось проводить в полной темноте, причем даже при некоторой адаптации глаза свечение было на пределе видимости. Вся обстановка была в самом деле необычна для физического эксперимента и напоминала нечто вроде спиритического сеанса или опыта с применением «ловкости рук».
И еще один эпизод из воспоминаний Франка, бросающий свет на стиль работы физиков.
«…Как-то поздно вечером И. Е. Тамм позвонил мне по телефону и попросил немедленно приехать к нему домой.
Я застал И. Е. Тамма за столом, увлеченного работой и же исписавшего много листов бумаги формулами. Он сразу же принялся рассказывать мне о сделанном им до моего прихода… Домой я возвратился под утро пешком, так как городской транспорт уже закончил (или еще не начал) свою работу».
Франк сохранил школьную тетрадку, пять с половиной страниц, заполненных торопливой рукой Тамма со многими исправлениями. Результат, выраженный короткой формулой, правилен, но вывод формулы существенно отличается от содержащегося в опубликованной статье.
«Результаты Черепкова и их теоретическая интерпретация, – вспоминает Франк, – первоначально были замечены лишь советскими физиками. Видимо, иностранные ученые мало читали в то время наши журналы (хотя «Доклады Академии наук» печатались на двух языках: на русском и иностранном). Уже после того, как в исследование явления была внесена полная ясность, С. И. Вавилов в 1937 году направил небольшую статью П. А. Черенкова, суммировавшую полученные результаты и их сравнение с теорией, в «Nature» (английский журнал «Природа». – И. Р.). Не помню, под каким благовидным предлогом, но статья была отклонена».
