Даниил Данин - Неизбежность странного мира

Можно ли было не добавить хотя бы этих беглых строк к упоминанию о черенковских счетчиках?

Вы видите: подробности мгновенно мстят за злоупотребление ими — только поддайся соблазну и не вылезешь.

Вот промелькнула фраза о сверхсветовой скорости электронов, а мы только что возвращались на минуту к теории относительности и, конечно, еще не забыли, что скорость света — недостижимый предел для любых физических тел, имеющих массу покоя. Можно ли оставить это противоречие неразъясненным? Очевидно, нельзя. Так еще два слова о черенковском эффекте.

Дело в том, что истинный предел скоростей — это скорость света в пространстве, свободном от вещества, — 300 тысяч километров в секунду. Но сквозь вещество свет движется не так быстро — что-то ему как бы мешает. Что же именно? Наверное, сложные взаимодействия фотонов с частицами и полями в веществе.

Не надо думать, что ворвавшийся в вещество фотон замедляет свое движение, чтобы потом, вырвавшись из вещества, вновь «набрать» скорость света в пустоте, Такие замедления и ускорения для фотона невозможны, — вы это, несомненно, помните! Надо рисовать себе происходящее так, что вдоль линии полета светового луча в веществе возникает своеобразная цепь фотонных смертей и рождений: атомы поглощают падающие кванты энергии, возбуждаются и снова приходят к устойчивости, излучая другие кванты. На всю эту чехарду теряется время. Получается, что свет идет через вещество медленней, чем через пустоту. Но эта его новая скорость есть просто скорость распространения взаимодействий — возбуждений и успокоений, порождаемых в веществе проходящей световой волной. И ясно, что покидает вещество совсем не тот фотон, который влетел в него. «Того» фотона давно уже нет, а есть его дальний потомок… Суммарный эффект таков: скорость света в воде всего 225 тысяч километров в секунду, а в алмазе — 120 тысяч. Ну, а такие скорости легко достижимы для электронов. И не только для электронов. Дубенский протон-миллиардер движется несравненно быстрее, чем световая волна в воде или стекле, не говоря уж об алмазе. Такие-то «сверхсветовые» заряженные частицы и вызывают свечение, открытое Вавиловым — Черенковым.

Вот как это происходит.

При гамма-облучении на жидкость падает град очень энергичных фотонов. Они заставляют осыпаться колосья-атомы и снабжают выбитые зерна-электроны огромной скоростью. Эти электроны летят сквозь жидкость, как заряженные релятивистские частицы сквозь камеру Вильсона. Но вообще-то совершенно безразлично, каково происхождение быстрых электронов. Как в туманную камеру, заряженные частицы высоких энергий могут врываться в жидкость или другую-среду извне, а не возникать в ней самой. Наконец совсем не обязательно, чтобы это были электроны. Тут все дело только в том, чтобы частицы были заряжены и обладали сверхсветовою скоростью для среды, сквозь которую лежит их путь. Это могут быть дубенские протоны, космические частицы, осколки атомных ядер — что угодно.

В популярных рассказах об эффекте Вавилова — Черенкова механизм излучения этих сверхсветовых заряженных частиц объясняется обычно так.

Их электрическое поле работает в пути Но знакомому нам образцу: оно обдает своим «жаром» встречные атомы и молекулы вещества, пытаясь создать ионы. Но у поля не всегда хватает на это сил и времени — летит «сверхрелятивистская» частица! Часто в задетых атомах электроны только смещаются относительно ядер — не отрываются совсем, а лишь смещаются из нормального устойчивого положения в неустойчивое.

Иными словами, электрическое поле летящей частицы одни атомы ионизирует, а другие только возбуждает: выводит из состояния равновесия.

Но вот стремительная частица миновала атом, истратив на возбуждение электронов немножко своей энергии, ее поле ушло вперед, чтобы дальше работать. А что тем временем произошло с задетыми атомами? Едва частица показала им свою спину, как возбужденные электроны поспешили вернуться в прежнее — устойчивое — положение. Нечаянно приобретенную энергию они теперь отдают: она излучается в виде порций электромагнитных волн. А так как энергия эта была сравнительно небольшой — поле ведь сумело лишь возбудить атомы, — порции получаются тоже сравнительно небольшие, как раз такие, какими являются фотоны видимого света.

А виновница происшедшего — сверхбыстрая частица — уже далеко от места рождения световых волн: она летит сквозь вещество быстрее, чем это делает свет. Электромагнитные волны от нее отстают и потому образуют позади расходящийся световой конус. Так за торпедным катером возникает на море расходящийся конус отстающих волн. Но волны на море расползаются медленно — их можно долго наблюдать. А световой черенковский шлейф за мгновенно пролетевшей частицей исчезает тотчас — он наблюдается, как короткая вспышка, как лаконичный сигнал: «Частица пролетела!»