(В т о р а я р е д а к ц и я )
Авторская попытка найти логическую связь в странностях, сопровождающих открытие эффекта Черенкова.
Процесс развития науки, как вида общественной деятельности, подчиняется кроме прочего и социальным законам, и как следствие, общественным порокам. Как только наука стала не только страстью, но и средством для существования, так она сразу столкнулась с такими атрибутами социума как заказ, гонорар, ответственность, корысть, конкуренция, зависть и т.д. вплоть до фальсификации, подлога и воровства. Честолюбие свойственно ей изначально. При огромных стоимостях осуществляемых в настоящее время экспериментов и чрезвычайной сложности методов контроля за их математическим обеспечением, в котором путаются сами авторы, отрицательные факторы в науке приобретают особую остроту. Опосредствованно это выражается в существенном замедлении развития науки. Проявление отрицательных факторов может быть самым неожиданным. Одним из множества таких проявлений является затушевывание научных проблем, иногда до полного сокрытия их от внимания общественности. Чаще всего это происходит методом внедрения околонаучных гипотез, выдаваемых за последнюю истину.
Рассмотрим для примера достаточно странные обстоятельства, сопровождавшие открытие эффекта Черенкова-Вавилова. Начнем издалека, с официального названия эффекта. Отечественные источники предлагают «Излучение Черенкова-Вавилова», в зарубежных источниках его представляют как «Излучение Черенкова». Ушедшие в историю события оцениваются по информации, оставленной очевидцами. Такая информация всегда содержит искажения субъективного свойства. Иногда сознательное искажение истины можно выявить. Часто авторы, сознательно пытающиеся исказить действительность, но не являющиеся профессионалами в этом смысле, допускают оговорки в сопутствующих мелочах, что позволяет судить об их искренности и достоверности их информации.
Обратимся к статье С.П. Денисова «Излучение "сверхсветовых" частиц (эффект Черенкова)» [1]. Эта статья интересна тем, что написана ученым, работавшим непосредственно с Черенковым. Вот что он пишет в своей статье, касательно открытия Черенкова. «Его руководителем был известный в то время специалист по люминесценции Сергей Иванович Вавилов». А вот что им написано в той же статье чуть раньше, о процессе исследований. «Сергей Иванович (Вавилов) предложил ему (Черенкову) тему исследований и постоянно интересовался результатами эксперимента». Согласитесь, что постоянно интересоваться и быть научным руководителем-соавтором далеко не одно и то же, хотя формальный руководитель в академических структурах есть всегда, и Вавилов числился таким руководителем.
А вот что пишет С.П. Денисов в своей статье дальше.
«Первая работа с новыми результатами была опубликована в 1934 году в журнале "Доклады Академии наук СССР" и была воспринята... неоднозначно. Вспоминая этот период своей жизни в лекции на семинаре "Черенковские детекторы и их применение в науке и технике", посвященном своему восьмидесятилетию и пятидесятилетию открытия эффекта, названного его именем, Павел Алексеевич Черенков говорил:
«Возвращаясь к прошлому, могу сказать, что мне не доставляло особого удовольствия узнавать, что мои эксперименты подчас квалифицировались как занятие спиритизмом, часто проводилась параллель с ошибочным эффектом, закрытым Вудом, пресловутыми N-лучами Блондло. … Наиболее открытым и резким проявлением этого недоверия был отказ журнала "Nature" опубликовать посланную мною краткую статью с изложением сути явления и его основных свойств...» - конец цитаты.
Приведенная цитата подтверждает, что активного руководства Вавиловым не было. Вряд ли кто посмел бы называть работы под его руководством спиритизмом. Похоже, Вавилов даже не подписал статью в журнал "Nature" . Таким образом, отношение зарубежной общественности более соответствует действительному положению дел, и эффект, видимо, справедливо называть «черенковским излучением».
Теперь обратим внимание на собственно формулировку эффекта. Вот стандартное определение, взятое из БСЭ.
«Черенкова—Вавилова излучение, Черенкова—Вавилова эффект, излучение света электрически заряженной частицей, возникающее при её движении в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде (скорость распространения световых волн)».
Из приведенного определения не очень ясно, за что же можно дать Нобелевскую премию. Можно подумать, что за достижение и установление факта сверхсветовой скорости электрона, т.к. все остальное весьма тривиально. Почему же в определении не отражен основной признак, который, как всем известно, послужил причиной для вручения премии, а именно: излучение в состоянии равномерного прямолинейного движения по инерции.
Стоит внести эту приписку в определение, так множество здравомыслящих людей споткнутся на этом месте, а споткнувшись и подумав, осознают, что это невозможно, т.к. противоречит закону сохранения энергии. Однако, та же самая информация, поданная в сопроводительной статье в соответствующей обертке из ссылок на авторитетные источники, оказывается вполне приемлемой и не вызывает отторжения. Ловкий обман не перестает быть обманом. А обман очевиден. Вернемся к сути заявленного к награждению открытия. Это излучение света электроном, движущимся в оптической среде, с постоянной скоростью, превышающей скорость света для этой среды. Таким образом, заявителю необходимо подтвердить три факта: 1) наличие излучения, 2) сверхсветовую скорость излучающих электронов и 3) абсолютное постоянство скорости этих электронов. Первый параметр измеряется непосредственно. Второй измеряется косвенно. А третий? Проверка постоянства скорости не проводилась, она оговаривается.
Суть оговаривания в том, что некоторые нюансы наблюдаемого излучения не соответствуют традиционным представлениям о тормозном излучении в данных условиях, а если не соответствуют, значит не тормозное. Но давайте посмотрим не на то, в чем нас пытаются убедить, а на то, в чем нас пытаются разуверить. Итак, что такое оптическая среда. Оптическая среда с коэффициентом преломления больше единицы это потенциальное электрическое поле малоподвижных атомных ядер (физических точек), возмущенное быстропеременным полем электронов. Вот по этим вибрирующим потенциальным кочкам и летит электрон Черенкова. Если кто-то верит, что при этом скорость электрона всегда равна константе, то он – самый верующий человек в мире, которого можно уважать за его веру, но с которым дискутировать бесполезно.
Вернемся к истокам, и освежим эффект новизны открытия. Что же обнаружил Черенков. Электрон перемещается в пространстве, сформированным прозрачным веществом. Скорость перемещения превышает скорость распространения света в данном веществе. При этом электрон излучает непрерывный спектр фотонов, с максимумом излучения в синей области. Излучение характеризуется конкретной поляризацией и направленностью, т.е. оно анизотропно. Направление излучения определяется правилом Гюйгенса-Френеля, а поляризация лежит в плоскости, образованной траекторией электрона и траекторией излученного фотона.
Как пишет С.П. Денисов: «Первую интерпретацию результатов опытов Черенкова дал С.И. Вавилов в том же номере "Докладов Академии наук СССР", где была опубликована первая статья П.А. Черенкова. С.И. Вавилов справедливо считал, что обнаруженное излучение есть излучение движущегося в среде электрона, а не атомов среды, но при этом полагал, что оно связано с торможением электронов при их взаимодействии с атомами среды: ведь из классической электродинамики было хорошо известно, что заряд, движущийся с ускорением, излучает. Однако простая гипотеза С.И. Вавилова не могла объяснить всей совокупности экспериментальных фактов, в частности интенсивности излучения и его слабой зависимости от атомного номера атомов среды, и ее пришлось отбросить».
Здесь уместно вспомнить о «кочках». Одним из удивительных свойств излучения Черенкова считается его слабая зависимость от типа вещества среды. Но так же слабо от вещества зависят и межатомные расстояния, хотя очевидной связи параметров излучения и межатомных расстояний не наблюдается. Вавилов, не будучи руководителем-соавтором Черенкова, не выдвигал гипотез, которые надо отстаивать. Его оценка была просто оценкой талантливого, без личной заинтересованности, ученого. Слабость позиции Вавилова эфемерна, кому и откуда может быть известно, от чего должны зависеть параметры нового явления, еще не имеющего проверенной теории. Его позиция предполагала расширение фронта исследований. Слабость же альтернативных объяснений, послуживших затем основанием для награждения, очевидна и непреодолима. Равномерно движущийся электрон, по определению, не меняет своего квантового состояния, определяющего его волновую функцию, и не может излучать.
Научная общественность получает одно за другим три «теоретических» объяснения, не противоречащих друг другу. Что же объяснили три различные теории? Все теории сошлись в прогнозе угла излучения. С энергетическим спектром «справилась» только классическая электродинамика, дав на основе решения уравнений Максвелла весьма приблизительное описание. А как же источник энергии излучения? А почему спектр непрерывный? А почему излучение поляризовано? Ответов нет. Но проблема не в отсутствии ответов. Самая главная и насущная проблема состоит в отсутствии научной постановки вопросов, иначе говоря, в замалчивании научной проблемы. Вот комментарий Денисова к трем известным объяснениям эффекта Черенкова. «Из вышеизложенного следует, что объяснение излучения Черенкова весьма просто. Более того, оно имеет хорошо изученные аналоги в других областях физики волн и могло быть предсказано за десятки лет до открытия. Сейчас это под силу школьнику старших классов».
О каких аналогах идет речь? Нет таких аналогов. Может быть автор оговорился? Во всех предполагаемых «аналогах» движение происходит с постоянной скоростью, но не по инерции, а с подведением значительной энергии на преодоление сопротивления среды.
На лицо явное желание скрыть проблему, даже сейчас.
Поражает наивность приводимого классического объяснения.
Напомним его исходные положения. Изначально выдвигается предположение, что равномерно движущийся электрон постоянно, и при любой скорости, излучает (!). Начало похоже на доказательство от противного. При таком предположении, плюс, при скорости электрона превышающей скорость света, это излучение, исходящее из всех точек траектории электрона, синфазно складывается, образуя плоский фронт, и в этом качестве может быть обнаруженным. Если же скорость электронов меньше скорости света, то излучению из каждой точки не с чем складываться (и это так) - и вследствие этого оно не обнаруживается. Получается, что излучение есть, но его нет (не ухватишь). Это не абсурд. Такое возможно, если первичное излучение сможет вернуться к электрону. Такую идею однажды высказал Фейнман, но его не услышали. В рассматриваемой ситуации интерпретаторы эффекта Черенкова явно не имели в виду идею Фейнмана. А что тогда?
Наличие излучения Черенкова однозначно свидетельствует о происходящем взаимодействии. Но чего с чем? Выбор не очень большой, но все-таки не однозначный. Нужны целевые исследования. Но на каком основании, ведь всё уже якобы объяснено, и Нобелевская премия уже получена. А собственно, за что? Может быть за то, что исподволь опровергнут незыблемый Закон Сохранения Энергии! Вдумайтесь в смысл декларируемого: электрон, двигаясь по инерции, без изменения скорости, непрерывно излучает энергию, и будет её излучать, пока его что-нибудь не остановит. Перед нами вечный движитель, если электрон запустить по кругу, а это, в принципе, возможно.
Обратимся еще раз к статье С.П. Денисова. Вот он описывает самое правильное (квантовое) обоснование. «Пусть заряженная частица движется вдоль оси z со скоростью u и в некоторой точке траектории излучает фотон с энергией E под углом q. При этом сама частица отклоняется от первоначального направления на угол j и ее энергия становится равной E'. Напишем для этого случая уравнения сохранения энергии и импульса для процесса излучения фотона:» и т.д. После проведения соответствующих расчётов, следует вывод. «Как видно, квантовое выражение для угла черенковского излучения отличается от "классической" формулы (2) наличием дополнительного слагаемого, которое учитывает отдачу (изменение импульса) частицы при излучении. Оценим, насколько важен этот член, например, при излучении "зеленого" фотона в обычном стекле с n = 1,5.
…
Теперь легко оценить, что "квантовая" поправка к cos q не превышает 2 умноженной на 10 в минус шестой степени. Столь малой величиной всегда пренебрегают и для определения угла черенковского излучения используют формулу (2)».
Итак, квантовый анализ показывает, что электрон в результате излучения тормозится и меняет направление, но изменения ничтожно малы. Малы – но есть. Значит, Вавилов прав, считая, что обнаруженное излучение есть излучение движущегося в среде тормозного электрона. Так же, видимо, считали, но забыли, и нобелевские лауреаты, И.Е. Тамм и И.М. Франк? Ведь они пренебрегли очень-очень маленькой величиной. Но такие пренебрежения допустимы только для инженерных расчетов, и то не всегда. В результате, одни создали «невинную» ситуацию для возможного самообмана непосвященных читателей. Непосвященные, а в их числе и Нобелевский комитет – обманулись. И никто не поправил. Напишет ли когда-нибудь и кто-нибудь из членов Нобелевского комитета в своих мемуарах, как такое возможно?
В заключении статьи стоит привести высказывание основных участников, которое поможет чуть-чуть пролить свет на интригу случившегося.
В 1958 году в Стокгольме при получении Нобелевской премии, И.Е. Тамм так объяснил эту ситуацию:
«Мне кажется, что мы имеем дело с поучительным примером отнюдь нередкой в развитии науки ситуации, когда научный прогресс тормозится некритическим применением правильных физических принципов к явлениям, выходящим за пределы применимости этих принципов.
В течение многих десятков лет всех молодых физиков учили, что свет (и электромагнитные волны вообще) может излучаться только при неравномерном движении электрических зарядов. При доказательстве этой теоремы, явно или неявно, используется тот факт, что теория относительности не допускает движений со сверхсветовой скоростью; согласно этой теории, никакое материальное тело не в состоянии даже достичь скорости света. Тем не менее, в течение долгого времени эта теория считалась справедливой без всяких оговорок. Более того, когда И.М. Франк и я уже разработали математически правильную теорию излучения Вавилова-Черенкова, мы все еще пытались разными способами, которые для нас самих сегодня уже непостижимы, примирить наши результаты с утверждением, что для излучения необходимо ускорение. И лишь на следующий день после первого нашего доклада об этой теории на коллоквиуме Физического института мы внезапно узрели простую истину: предельной скоростью для материальных тел является скорость света в вакууме...».
Внимательный читатель обнаружит, что в данной цитате многое шиворот на выворот. Обратите внимание, как элегантно и непринужденно множество насущных вопросов перекрываются одним единственным: «а может ли быть черенковское излучение без торможения»? – и каков ответ: «предельной скоростью для материальных тел является скорость света в вакууме...»! Оказывается, что отсутствие в вакууме сопротивления инерционному движению масс и зарядов является не фундаментальным свойством вакуума, а теоремой, доказываемой с помощью теории относительности!
Но не следует судить уж очень строго. Ведь, реализованным актом справедливости рассматриваемой ситуации является заслуженное награждение П.А. Черенкова, которое могло бы и не состояться без перечисленных странностей. Главное, что открытие состоялось и нашло свое практическое применение. Теперь осталось понять физический механизм черенковского излучения, но для этого не следует адресовать проблему десятиклассникам.
Нижний Новгород, ноябрь 2011г.
Контакт с автором: vleonovich@yandex.ru
С другими публикациями автора можно познакомиться на странице
http://www.proza.ru/avtor/vleonovich сайта ПРОЗА.РУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Денисов С.П.: Излучение "сверхсветовых" частиц (эффект Черенкова)
2. Первые советские Нобелевские лауреаты-физики. М.: Знание, 1984.
Книга включает Нобелевские лекции П.А. Черенкова, И.Е. Тамма и И.М. Франка.
3. Прохоров А.М.: Большая Советская Энциклопедия (3 редакция).