УДК 539.1.074.4

МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ИЗУЧЕНИЯ, ЛЕЖАЩЕГО В ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА

3. ОБ ИСТОРИИ ВЫЯСНЕНИЯ МИКРОСКОПИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ЧЕРЕНКОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЗАПАДНЫМИ УЧЕНЫМИ

Среди западных физиков первым стал обсуждать непосредственно микромеханизм черенковского излучения О.Бор в работе [18], опубликованной на русском языке в качестве приложении к книге Н.Бора [18, а]. О.Бор начал свою статью с упоминания работы Сванна, в которой была высказана мысль об экранизирующем действии поляризации атомов среды, создаваемой полем проходящей заряженной частицы, и отметил, что Ферми в 1940 г. детально исследовал эту идею и пришел к выводу, что “это явление может иметь большое значение для очень быстрых частиц” [18, а, с. 105]. Далее О.Бор отмечает свое намерение “исследовать связь между атомами вещества с микроскопической точки зрения” и обещает, что “такой подход позволит получить простые обобщения формул Ферми” (с. 106). В конце той же страницы автор по поводу черенковского излучения пишет: “С микроскопической точки зрения явление состоит в том, что часть энергии, передаваемой частицей атомным электронам, затем излучается в виде когерентных электромагнитных волн”. Намеченное в этой работе не было выполнено полностью, но вопрос о микроскопической природе черенковского излучения на основе поляризации атомов среды получил последующее развитие в целом ряде работ западных ученых.

Действительно, ведь полученные Ферми формулы привели автора к выводу, что при v > с/п в них дополнительно появляется часть, соответствующая излучению, обнаруженному ранее Черенковым. Далее автор отмечает, что “теория такого излучения была развита Таммом и Франком; они пользовались методами, близкими к использованным нами, и получили близкие результаты” [14, с.30]. Но, несмотря на близость использованных теоретических методов и соответствие конечных результатов, работа Ферми, на самом деле, приоткрыла первичную природу черенковского излучения. И уяснению этого обстоятельства мы обязаны анализу, проведенному в работе О.Бора [18]. В последующих теоретических работах, развивающих микромеханизм черенковского излучения, авторы непосредственно исходили из первичного излучения, испускаемого атомными электронами в момент поляризации их под действием поля движущейся в среде заряженной частицы. Ък, теоретик из университета Сиднея Тидман краткое сообщение о своей работе начинает с эффекта поляризации, рассчитанного впервые Ферми, и полученного им излучения, идентичного излучению Черенкова [19]. В его подробной статье [20] имеется ссылка и на обсуждаемую статью О. Бора. Его идея состоит в том, что в момент поляризации атома среды возникает первичное излучение, которое затем, в силу его когерентности, складывается в макроскопически наблюдаемое явление, если только оно излучается под углом, косинус которого равен c/vn. Это излучение и было открыто в 1934 г. Черенковым.

Тидман вовсе не был первым, кто воспринял эту идею об излучении, возникающем при поляризации атомов среды. Целый ряд ученых откликнулись на идею О.Бора в самом начале 50-х годов. Приведу в качестве примера несколько статей того времени. Так, более ранними были, например, статьи Хьюбрехтса и Шёнберга [21] и Нимтана [22], в которых ссылки на работу О.Бора 1948 г. указывают, что ими использована его расшифровка работы Ферми о поляризации атомов среды. Работа Твдмана “Квантовая теория коэффициента преломления, черенковского излучения и энергетических потерь быстрой заряженной частицы” отличалась фундаментальностью поставленного вопроса. Подлинную квантовую теорию черенковского излучения можно было построить только на основе установления конкретного микромеханизма этого излучения. Построение же квантовой теории такого процесса до выяснения излучающего элемента было явно необоснованным. Такую вольность позволил себе Гинзбург, выдвинувший в 1940 г. первую квантовую теорию черенковского излучения [23]. В своей работе он пренебрег указанием Тамма о том, что черенковское “излучение не испускается непосредственно электроном, а имеет своей причиной когерентные колебания молекул среды, возбуждаемые электроном” [10, с.79], он просто принял, что черенковский фотон излучается непосредственно первичным электроном, и получил, естественно, заведомо ложные квантовые поправки, на несуразность которых до сих пор никто не обратил внимание. Самое удивительное, что и Timm в своих последующих работах продолжал ссылаться на эту статью [23], не заметив, что она была построена в полном противоречии с его справедливым утверждением о вторичной природе возникновения фотонов черенковского излучения. Любопытно в связи с этим рассмотреть приведенное в книге Зрелова сопоставление формул по квантовой теории черенковского излучения, полученных в работах Гинзбурга и Твдмана. В своей книге автор последовательно изложил квантовую теорию излучения Черен-кова, развитую Твдманом, но в конце отметил расхождение с ранее созданной формулой Гинзбурга и в связи с этим вынес следующую ошибочную резолюцию: “В.Л.Гинзбург точно учел закон сохранения энергии... Добавочные члены порядка hv/mc в формуле даже для электронов пренебрежимо малы” [13, т.1, с.32]. Таким образом, у Зрелова получилось, что формула Гинзбурга, конечно, более точная, поскольку им учтен закон сохранения энергии, но расхождения с формулой Твдмана ничтожны. На самом же деле все это расхождение обусловлено произвольным допущением, что черенковский фотон испущен непосредственно первичной частицей, а не возбужденным атомом среды в результате его поляризации в момент прохождения первичной частицы.

Микроструктура первичного излучения была правильно отражена в первой же монографии по черенковскому излучению, вышедшей в 1958 г. [28]. Ее автор, известный специалист по применению черенковского излучения.

Джелли, наглядно пояснил появление индуцированного излучения в момент прохождения заряженной релятивистской частицы из-за поляризации атомов среды. Он показал также, что спектр возникающего первичного излучения иски совершенно не зависит от расстояния атома среды от трека заряженной частицы. От этого расстояния, надо полагать, сильно зависит лишь интенсивность поляризационного излучения. Получив спектр излучения, автор отметил его согласие со спектральным распределением, найденным Франком и Таммом в работе 1937 года. Таким образом, среди западных ученых широко утвердилось мнение, что в основе черенковского излучения лежит микроскопический процесс испускания когерентного света, сопровождающий явление поляризации атомов среды электрическим полем проходящей частицы. Интересна реакция на это мнение советских специалистов по черенковскому излучению. В журнале “Успехи физических наук” была опубликована рецензия на книгу Джелли перед ее переводом на русский язык. Она была написана известным специалистом по теории черенковского излучения Болотовским и экспериментатором, будущим переводчиком этой книги Лейкиным. Авторы этой рецензии высказались явно неодобрительно по поводу попытки Джелли “привести также микрокартину явления” [24, с.694].

В заключение считаю необходимым отметить еще одну важную сторону созданной Твдманом квантовой теории черенковского излучения. В его основной работе [20] отдельный раздел был посвящен последовательному применению квантовой механики, согласно которой, если имеется определенный механизм излучения отдельных фотонов, то с вероятностью 1/137 должно происходить и одновременное излучение двух фотонов. Квантовая теория Тидмана подробно излагалась в книге Зрелова [13, т.1, с.28-32]. В этой книге приведена и формула Твдмана для двухфотонного излучения. Еще раньше, в 1968 г., двухфотонное излучение рассматривалось Франком [29]. Проблема двухфотонного излучения обсуждалась Франком и в его последней монографии [8, с.99]. Но во всех этих работах рассматривалась вероятность излучения пар фотонов без учета возможности их наблюдения. А ведь в общем случае эти пары фотонов столь же ненаблюдаемы, как и одиночные фотоны, которые мы условно назвали первичными по отношению к таким же фотонам, но вошедшим в макроскопический процесс образования черенковского излучения. Так, отмечая как недоразумение тот факт, что во всех предшествующих рассмотрениях двухфотонное излучение проводилось без учета наблюдения таких пар, мы подчеркиваем, что с несомненностью следует рассматривать только такие пары фотонов, в которых один из фотонов оказался излученным под углом, строго отвечающим образованию черенковского излучения. Тогда и второй фотон окажется наблюдаемым как сопровождающий макроскопически организованный процесс образования черенковского излучения. Следует отметить, что при этом первый фотон, обеспечивший принадлежность данной пары фотонов к регистрируемому макроскопическому процессу, сам может и не дойти до регистратора из-за поглощения в газе радиатора или в стекле оптической системы.

В исследованиях черенковского излучения, проведенных на уникальном пучке релятивистских ионов свинца ускорителя SPS (CERN) при атмосферном давлении воздуха в газовом черенковском счетчике, была получена фотография, на которой видно узкое кольцо яркого черенковского света, расположенное в середине более широкого и менее интенсивного светового кольца с четко обозначенными краями. Вполне возможно, что это широкое кольцо образовалось за счет регистрации второго фотона при излучении пар фотонов. Суммарная интенсивность света в этом широком кольце, конечно, весьма значительна, но следует учитывать, что квадрат заряда для свинца в 6724 раза превышает квадрат величины заряда протона. Этот фактор значительно компенсирует второй порядок процесса в квантовой электродинамике. К сожалению, по этим исследованиям черенковского излучения на уникальном пучке релятивистских ионов свинца пока опубликованы лишь два кратких сообщения о получении экспериментальных указаний на возможное существование весьма экзотических явлений [30,31].