Слева на право: И. Е. Тамм; И.М. Франк; С.И. Вавилов; П.А. Черенков.
Возможно ли обогнать свет? Современная физика в лице специальной теории относительности утверждает что скорость света в вакууме является предельной скоростью всех процессов и движений, сопровождаемых переносом энергии. И если перевести это на нормальный человеческий язык, то ответ будет прост: «нет». Скорость света настолько велика, что за ней не угнаться ни на велосипеде, ни на мопеде, и даже на современном спортивном мотоцикле мы останемся далеко позади фотона. Дело в том что все наши попытки достижения световых скоростей упираются в увеличение массы, а это влечет за собой увеличение необходимой для разгона энергии вплоть до бесконечности. По крайней мере так утверждает современная физика.
А что если пойти на хитрость и замедлить сам свет? Ведь заведомо известно что свет в прозрачных средах распространяется значительно медленнее нежели в вакууме…
Не думаю что подобное коварство двигало советским ученым Павлом Алексеевичем Черенковым, тут скорее вмешался его величество случай. Так в 1934 году Черенков обнаружил свечение голубого цвета, при облучении жидкостей гамма лучами. По предположению Сергея Ивановича Вавилова, научного руководителя Черенкова, свечение вызвали выбитые из среды электроны. Но почему они светились? На этот вопрос в 1937 году ответили советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк. Оказалось что электроны двигались со скоростью превышающей скорость в света в этой среде. В этом и крылась загадка эффекта Вавилова-Черенкова, а именно так было названо открытое Павлом Алексеевичем явление.
Движущийся электрон своим электромагнитным полем поляризует атомы среды вокруг себя, а возвращение поляризованного атома в исходное состояние приводит к излучению световых волн. Причем направление поляризации в атомах перед электроном и за ним противоположное, по этому если электрон движется медленно, волны взаимоуничтожаются. Но этого не происходит если скорость электрона превышает скорость света, так как вместе с ней она превышает и скорость распространения электромагнитного поля вызывающего поляризацию. Проще говоря атомы впереди электрона не поляризуются, а те что остаются сзади спокойно себе светятся. Соответственно фронт волны такого излучения будет иметь форму конуса.
Здесь можно провести аналогию с фронтом ударной волны в сверхзвуковой авиации. Так как звук распространяется от источника концентрически, а сам источник летит быстрее скорости звука, то образуется фронт ударной волны конической формы. Схематически это можно изобразить следующим образом:
Распространение звуковых волн и формирование ударной волны с дозвуковой (а) и сверхзвуковой (б) скоростью.
В случае с Эффектом Вавилова-Черенкова будет происходить примерно тоже самое, только вместо звука у нас будет свет от поляризованных атомов, а вместо сверхзвукового истребителя очень быстрый электрон. Зная угол в вершине образованного конуса можно легко и очень точно вычислить скорость этого электрона. Все это легло в основу черенковских детекторов, которые позволяют идентифицировать быстрые частицы, определять их массу, заряд, энергию и скорость.
За открытие «Эффекта Вавилова-Черенкова» Павел Алексеевич получил нобелевскую премию по физике в 1958 году. Так же нобелевскую премию получили И.М. Франк и И.Е. Тамм за научное объяснение этого явления, классическим примером которого, может быть голубое свечение воды в атомных реакторах.
