Исполнилось 119 лет со дня рождения физика, обнаружившего свечение заряженных частиц, движущихся быстрее света, и предложившего детекторы частиц на основе этого феномена.
Павел Черенков
Фото: Кричевский А. / Фотоархив журнала «Огонёк» / Коммерсантъ
Павел Черенков
Фото: Кричевский А. / Фотоархив журнала «Огонёк» / Коммерсантъ
28 июля 1904 года родился академик Павел Черенков, знаменитый физик, который обнаружил таинственное свечение заряженных частиц, движущихся быстрее света (такое можно наблюдать в активной зоне ядерного реактора или в океане на глубине порядка 5 км). В результате открытия и последующего объяснения этого феномена Павел Черенков и двое его коллег стали первыми отечественными лауреатами Нобелевской премии по физике. А кроме того, Черенков придумал детекторы частиц («черенкаторы»), которые сегодня делают возможным изучение первых секунд существования Вселенной.
В школу без шапки
Павел Алексеевич Черенков родился 28 (15-го по старому стилю) июля 1904 года в селе Новая Чигла Бобровского уезда Воронежской губернии, благодаря полосе Черноземья, нескольким животноводствам и заводам, а также железной дороге считавшемся довольно богатым. Родителями Павла были государственные крестьяне, не сталкивавшиеся ни с большими поборами, ни с притеснениями.
Павел лишился матери, когда ему было два года, так что его самого и четырех его сестер (двух родных и двух сводных) растила мачеха. Согласно семейным хроникам, она прятала его зимнюю шапку, чтобы мальчик не ходил в школу, а занимался мужскими домашними делами. Впрочем, это Павла не останавливало. Главным его увлечением были книги, с которыми он познакомился благодаря сельской библиотеке — единственной на весь уезд.
По окончании церковно-приходской школы Павел прервал свое образование: несколько голодных лет Гражданской войны он трудился чернорабочим и конторщиком. К окончанию войны в Новую Чиглу перевели из Боброва школу-гимназию, куда Павлу удалось поступить. Учителя восхищались его успеваемостью и прочили большое будущее, а в 1924-м юношу приняли на физико-математическое отделение Воронежского университета.
Студентом он подрабатывал (на стипендию было не прожить), занимаясь со школьниками и разгружая вагоны. В каникулярное время устраивался счетоводом на мельнице в родном селе. Выпускники вузов в те годы были лишены свободы: по окончании учебы в 1928-м Павел получил распределение в город Козлов (ныне Мичуринск Тамбовской области), где ему предстояло преподавать в школе.
Из Воронежа в Питер, минуя репрессии
Важной вехой на жизненном пути Черенкова стал 1930 год, когда он встретил в Козлове свою будущую жену — воронежскую выпускницу литературного отделения Марию Путинцеву. Летом по путевке молодые вместе объехали Крым, а по возвращении Павел подал заявление в аспирантуру Физико-математического института Академии наук в Ленинграде: объявление о наборе он случайно увидел в газете. Успешно пройдя собеседование, с осени Черенков перебрался в Северную столицу (а вскоре к нему присоединилась и Мария), где начал свою научную карьеру.
В том же 1930-м до родного села Павла добралась коллективизация. Его отца, в Гражданскую войну дослужившегося до поручика, как «кулака» и «эсера» лишили избирательных прав и осудили на два года высылки. Тогда же по «делу краеведов» арестовали и отца Марии — известного воронежского литературоведа, фольклориста и этнографа профессора Алексея Путинцева. Отец Павла, отбыв ссылку, был вновь арестован в 1937-м (за «контрреволюционную агитацию»), а в 1938-м расстрелян. Отца Марии отправили в лагеря, он умер в 1937-м в Тамбове.
Несмотря на эти отягчающие обстоятельства, молодых людей репрессии не коснулись, хотя в какой-то момент судьба Павла висела на волоске. Дело в том, что изначально он значился в черных списках по Новой Чигле как кулацкий отпрыск. Однако на тот момент постоянным жителем села он не являлся, и его попросту вычеркнули.
В 1931-м Павел и Мария расписались в Ленинграде, год спустя у них родился первенец — сын Алексей. Молодые родители с ребенком жили в коммуналке, деля комнату с матерью Марии, которой было некуда пойти после ссылки ее мужа, и самой младшей сестрой Павла, которую он забрал из деревни.
Везение аспиранта
В 1932-м только что избранный в действительные члены АН СССР Сергей Вавилов (в будущем — президент академии и основоположник советской физической оптики) взял себе трех аспирантов, среди которых оказался Черенков. Своим подопечным Вавилов предложил на выбор три темы.
«Самая простенькая, малопривлекательная, не обещавшая интересных выводов тема — по исследованию люминесценции — досталась Павлу, по-видимому, как самому провинциальному из аспирантов,— вспоминала дочь Черенкова, Елена, кандидат физико-математических наук, сотрудник лаборатории элементарных частиц Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.— Что бы позже ни говорили участники и современники научных и околонаучных событий, развивавшихся вокруг одной из аспирантских тем, распределение их было не столько везением для Павла Алексеевича, сколько просчетом всех остальных — тех, кто не взялся за аспирантскую тему Черенкова или не присоединился к теоретическим поискам позднее».
Итак, Черенков занялся исследованием люминесценции растворов ураниловых солей под действием гамма-лучей. В 1934-м он обнаружил, что прозрачные жидкости при облучении быстрыми заряженными частицами начинают испускать специфическое голубое свечение. При этом Павел Алексеевич пришел к выводу, что свечение это по свойствам отличается от люминесценции, то есть возбуждения атомов, в результате которого они испускают кванты света.
На этом этапе Вавилов открытие своего аспиранта подхватил и опубликовал работу, в которой объяснил феномен испусканием света при торможении «выбитых» электронов. С тех пор эффект носит название Вавилова—Черенкова (фамилия научрука — на первом месте), и он используется до сих пор, несмотря на то что Вавилов оказался неправ.
Тусклый свет реакторов и морских пучин
Теорию черенковского излучения (как его принято называть за рубежом, опуская фамилию научрука) разработали в 1937-м молодые физики Илья Франк и Игорь Тамм. Они пришли к выводу, что это загадочное свечение вызывают частицы, движущиеся через плотную среду со сверхсветовой скоростью.
Если вас удивляет последнее утверждение, обратите внимание на слова «через плотную среду»: дело в том, что принципиально невозможно превысить лишь ту скорость, с которой свет движется в вакууме. А вот в каком-либо материале свет движется ощутимо медленнее (в воде — примерно на четверть от своей скорости в вакууме) и его вполне возможно обогнать.
Согласно объяснению Франка и Тамма, когда частицы высоких энергий прошивают воду на такой скорости, что обгоняют движущийся в ней же свет, возникает нечто похожее на ударную волну, только волна эта электромагнитная. Происходит это потому, что частицы постепенно замедляются, тормозя о сопротивляющуюся их движению плотную среду и теряя энергию, которая испускается в форме электромагнитной волны. Она и представляет собой то самое загадочное свечение. А голубой цвет у него потому, что волна эта характеризуется высокой энергией, ведь, как известно, энергия квантов света увеличивается от красного к фиолетовому (потому, в частности, голубое пламя горячее оранжевого, а синие звезды горячее красных).
Сегодня самые «бытовые» примеры черенковского излучения — свечение погруженной в воду активной зоны ядерного реактора. Ну или свет от помещаемого в специальный бассейн отработанного ядерного топлива. А в 1984 году советские исследователи установили, что черенковское излучение освещает глубины Мирового океана, позволяя их обитателям ориентироваться по зрению.
Измерения, проведенные в Атлантическом океане, показали: распад естественного радионуклида калия-40, постоянно происходящий в морской воде, порождает такое количество сверхсветовых частиц, что на глубине 5 км присутствует постоянная фоновая засветка. Каждый квадратный сантиметр детектора улавливал несколько сотен фотонов в секунду. Этого достаточно, чтобы глубоководные рыбы (зачастую обладающие довольно большими глазами) могли видеть.
Детекторы частиц, лучевая медицина и нейтринная астрономия
Вавилов одним из первых принял идею Тамма и Франка, а Черенков, ознакомившись с ней, предложил использовать свечение для измерения скоростей, зарядов и других характеристик частиц высоких энергий. По совету своего научрука он отправил заметку об этом в лондонский Nature, однако редакция журнала не приняла ее к публикации. Тогда вновь по совету Вавилова Черенков отослал заметку в американский Physical Review, где ее и напечатали в том же 1937-м.
Эта публикация привела к созданию детекторов элементарных частиц, носящих имя Черенкова: у нас их зовут «черенковскими счетчиками», или «черенкаторами». С момента своего появления они служат одним из двигателей физики высоких энергий и элементарных частиц, улавливая и «распознавая» частицы в ускорителях. Их же применяют при радиотерапии рака (так называемая черенкоскопия) в целях высокоточного дозирования облучения (чтобы не навредить здоровым тканям).
Наконец, благодаря таким приборам возникла нейтринная астрономия. Произошло это после того, как в 1987 году японский черенковский детектор «Камиоканде» (представлявший собой бак диаметром 40 м, наполненный 50 тыс. тонн воды) зарегистрировал нейтрино, порожденные при вспышке сверхновой в Большом Магеллановом облаке.
А один из наиболее современных и совершенных примеров черенковского счетчика — крупнейший в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD, запущенный на Байкале в марте 2021 года. Он состоит из восьми 345-метровых гирлянд со 192 детекторами, размещенных на глубине до 1276 м. Общий рабочий объем телескопа составляет 0,4 кубического километра.
Предназначено это сооружение для регистрации реликтовых нейтрино, которые поведают о первых мгновениях эволюции Вселенной после Большого взрыва. Нейтрино обнаруживаются по черенковскому излучению, которое они испускают при прохождении через толщу воды. Огромные размеры и глубоководное расположение прибора обуславливаются редкостью, с которой это происходит, и необходимостью абстрагироваться от прочих излучений, которые могут помешать регистрации редкой частицы.
Первые по физике
Черенков продолжал исследовать излучение до 1944 года, всесторонне подтверждая выводы Тамма и Франка в экспериментах. К этому времени он с супругой жил в Москве, куда Физико-математический институт Академии наук перевели в 1934-м, разделив на Математический институт им. В. А. Стеклова (МИАН) и Физический институт им. П. Н. Лебедева (ФИАН). Павел и Мария по-прежнему обитали в коммуналке, но занимали уже не одну, а целых две комнаты. В 1935-м Павел защитил кандидатскую, в 1936-м Мария родила второго ребенка — дочь Елену.
«С началом войны Физический институт довольно быстро эвакуировали в Казань,— пишет она в воспоминаниях.— Нашу семью разместили как подселенцев в комнате довольно большого одноэтажного дома на Большой Красной улице, с русской печкой и “удобствами” на улице. Мы прожили там до весны 1943 года. Вначале с питанием дело обстояло неплохо. Позже стали жить голодно. Возвращение из эвакуации было радостным — домой, в нашу “комфортабельную” коммунальную квартиру».
В послевоенные годы работа Черенкова была связана с ускорителями частиц. В частности, он проектировал в ФИАН синхротрон С-25 на 250 млн электрон-вольт, за что в 1952-м был удостоен уже второй по счету Сталинской премии (первую он разделил с Вавиловым, Таммом и Франком в 1946-м за открытие излучения).
В 1958-м Черенков, Тамм и Франк стали первыми отечественными лауреатами Нобелевской премии по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». Вавилов всемирную славу открытия не застал: его не стало в 1951-м.
«Сборы для поездки в Стокгольм по совету сотрудников дипломатического аппарата начались с консультаций,— вспоминала Елена Павловна.— В Москве находилась жена советского посла в Швеции Эра Калмановна Гусева. Она подробно рассказала маме о требованиях к одежде. Мужчинам — фраки, женщинам — платья определенной длины, обязательно с декольте, украшения только натуральные, никаких мехов, даже самых дорогих. Платья не должны повторяться ни на одном приеме. Рассказала о манере держаться в зависимости от титула особы визави. Несмотря на тщательное обсуждение всех условностей, на один из светских приемов мама пришла — по незнанию — без шляпки. Великосветские хозяева и благородные гости, конечно, сделали вид, что этого не заметили».
Поясняя выбор Шведской королевской академии наук, ее член Манне Сигбан (сам нобелевский лауреат 1924 года) отметил, что «открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».
Год спустя вышел роман Роберта Хайнлайна «Звездный десант», в котором боевые космические корабли землян летали быстрее скорости света благодаря «черенковским двигателям». А сам Черенков с женой и детьми вскоре перебрался в отдельную квартиру в районе Ленинского проспекта, недалеко от ФИАН.
В 1970 году его избрали в действительные члены АН СССР. Последние десятилетия своей научной карьеры он продолжал заниматься ядерной физикой и физикой высоких энергий — в частности, выполнил цикл работ по фоторасщеплению гелия и других легких ядер высокоэнергетическими гамма-квантами. 6 января 1990 года Павел Алексеевич умер на 86-м году жизни.