图:AIP Emilio Segrè Visual Archives, Weber Collection(署名许可)
帕维尔·切连科夫
Pavel A. Cherenkov1904–1990 · 生于俄罗斯帝国沃罗涅日省新奇格拉村 · 苏联
在全黑的屋子里坐一个半小时、用自己的眼睛当光度计,看见了带电粒子在水里「跑赢光」时发出的那一缕蓝光
诺贝尔物理学奖 1958 发现并解释切连科夫效应(与塔姆、伊利亚·弗兰克同获)
「要紧的是:只有转向定量测量,这种射线的反常属性才得以证明,它的特殊来源才得以揭示。」
—— 切连科夫 1958 年诺贝尔演讲(译自英译本)
1933 年秋天,列宁格勒一间不透光的屋子里,二十九岁的研究生切连科夫已经在黑暗中坐了一个多小时。他在等自己的眼睛适应——完全暗适应之后,人眼的灵敏度能提高几万倍,而他要测的光,亮度就贴着人眼能看见的下限。
那天他的玻璃杯里装的不是铀盐溶液,只是溶剂:纯硫酸。按当时的常识,纯溶剂在镭的 γ 射线下不该发光。可它在发光,而且亮度和溶了铀盐的溶液差不多。这让他很沮丧:本底这么强,论文题目就没法做了。他的导师谢尔盖·瓦维洛夫的反应正相反——他让切连科夫把手头所有的纯液体挨个试一遍。
从沃罗涅日的乡村到列宁格勒
切连科夫 1904 年生在沃罗涅日省新奇格拉村,父母是农民。1928 年他从沃罗涅日大学物理数学专业毕业,被分到小城科兹洛夫教中学。1930 年他考进苏联科学院在列宁格勒的物理数学研究所读研究生,同年与沃罗涅日大学文学教授普京采夫的女儿玛丽亚结婚。
据列别杰夫物理研究所的博洛托夫斯基 2009 年的回顾,研究所物理部主任瓦维洛夫当时亲自带三个研究生,给切连科夫和同届的多布罗廷三个题目任选:铀酰盐溶液在镭 γ 射线下的发光、中子的性质、同位素效应。瓦维洛夫是研究发光的专家,给出的三个题目却都与刚刚起步的原子核物理有关。切连科夫选了第一个。
用眼睛当光度计
那时还没有光电倍增管。瓦维洛夫与布伦贝格不久前发展出一种「猝灭法」目视光度术:光经过一块从透明渐变到不透明的光学楔,观测者移动光楔,直到恰好看不见光为止,光楔的位置就给出亮度——只要同一个人的视觉阈值保持不变。切连科夫在 1934 年的论文里写道,他本人的阈值在一整年里几乎没有变化。
博洛托夫斯基描述过这种测量的日常:每次开工前,观测者要在全黑中待一个到一个半小时;光楔的读数不能自己看,因为一开灯暗适应就前功尽弃,只能由助手读——观测者先用厚黑布蒙住头,助手开灯、读数、关灯,测量继续。每做一次要歇三到五分钟,一天最多测两个多小时,否则眼睛疲劳、误差陡增。瓦维洛夫每周亲自上阵核查一两次,同样先在黑暗里坐一个半小时。
他的光源是向国家镭研究所借来的 103.6 毫克镭,封在三层玻璃里;液体盛在铂杯中,杯壁厚到足以挡住 α 与 β 射线,只放 γ 射线进去。
这不是荧光
切连科夫把自来水连蒸三遍,亮度几乎不变;二十种不同的纯液体,亮度都在同一个量级。更要紧的是三条「反常」:
- 往液体里加入碘化钾、硝酸银这类强猝灭剂,浓度变几百倍,亮度纹丝不动——而真正的荧光,猝灭剂浓度加十几二十倍就会暗下去好几倍;
- 加热液体,亮度也不变;
- 光是偏振的,但电矢量主要平行于 γ 射线的方向,与偏振荧光正好相反。
荧光之所以能被猝灭、被加热削弱,是因为分子要在激发态停留一段时间(瓦维洛夫给出的判据是长于 10⁻¹⁰ 秒),期间能把能量交给别的分子。这种光对一切猝灭手段都无动于衷,说明它根本没有这样一段「等待」。1934 年 5 月 27 日,两篇短文同时投给《苏联科学院报告》:切连科夫报告实验,瓦维洛夫紧随其后写了《论液体蓝色 γ 辉光的可能原因》,断言它「根本不可能是任何一种发光」。
瓦维洛夫猜错了一半
瓦维洛夫在同一篇文章里给出了自己的解释:γ 射线把液体里的电子打出来(康普顿散射),这些电子在稠密液体里迅速减速,发出韧致辐射。他写道,这是「我们认为最可能的原因」。这能解释为什么光偏蓝、为什么不怕猝灭、为什么偏振方向顺着 γ 射线——康普顿电子本来就大多顺着 γ 射线往前飞。
后来证明,「光是电子发的」这一半完全正确,并决定了此后实验的方向:把 γ 源换成直接发射电子的 β 源,同样的光照样出现。「是韧致辐射」这一半则是错的。
打开局面的是磁场。把液体放进磁场,电子的轨迹会偏转,结果光的偏振变了,亮度也变了——转动磁场方向,观测者看到的光时亮时暗。这说明这种光有极强的方向性。博洛托夫斯基记下,谁先提议做磁场实验已经说不清,有人归于安东诺夫-罗曼诺夫斯基,有人归于列昂托维奇或伊利亚·弗兰克,很可能几个人差不多同时想到。1936 年,切连科夫确认:这种光只朝前方、沿与粒子方向成一定角度的锥面射出。
塔姆与弗兰克的解释
据弗兰克晚年回忆(博洛托夫斯基转引),他把方向性告诉塔姆时,塔姆当即指出:这意味着电子在一段与光波长可比的路程上相干地发光——几百上千个原子一起参与,而不是电子撞一个原子发一个光子。弗兰克于是用中学课本里的惠更斯作图:粒子经过的每一点都发出球面子波,粒子若比子波跑得快,子波的包络就是一个圆锥,锥角由上面那条 决定。这与超音速飞行的激波、船头的尾波是一回事。
难点在观念上。人人都知道匀速运动的电荷不辐射;曼德尔施塔姆也追问过,把真空光速换成介质中的光速 ,结论会不会变?1936 年秋,塔姆写下带色散介质中匀速点电荷的麦克斯韦方程组并解了出来,当夜把弗兰克叫到家里核对,弗兰克天亮才步行回家。1937 年 1 月 2 日,两人的论文投给《苏联科学院报告》。
答案是:粒子速度只要超过介质中的光速 ——这完全不违反相对论,后者限制的是真空光速 ——各点发出的子波就不再互相抵消,而是叠加成一道辐射。塔姆在诺贝尔演讲里坦白,他和弗兰克算出正确的理论之后,还一度想把它与「电荷必须加速才辐射」的信条调和,直到在所里的学术报告会上头一回讲完这个理论的第二天,两人才看清这层窗户纸。他把这种光戏称为「唱歌的电子」。
理论出来后,切连科夫又做了一轮实验逐条检验,角度随折射率的变化、亮度随频率的分布都对上了。为了拍下光锥,他的底片要曝光三天。
《自然》退稿
按瓦维洛夫的建议,切连科夫把实验和部分理论结果写成一篇英文短文,题为《电子在介质中以超过光速的速度运动时产生的可见辐射》,投给伦敦的《自然》,被退了稿。博洛托夫斯基认为原因是编辑对内容——从标题开始——不信任,他也承认当时国内外都有知名物理学家怀疑这一整套工作:既怀疑在视觉阈值上做的测量,也怀疑理论解释。瓦维洛夫又建议改投美国的《物理评论》,文章于 1937 年 8 月刊出。
第二年,同一刊物登出美国人柯林斯与赖林的实验:他们用加速到约 2 MeV 的电子束穿过薄片,拍一张照片只要曝光十秒,测得的角度分布与塔姆-弗兰克理论完全一致。他们在文中仍认为光来自电子的减速,却是第一个把这种光叫作「切连科夫辐射」的人。
此后人们才发现,亥维赛早在 1888—1889 年就从麦克斯韦方程出发算出过介质中超光速电荷的辐射与锥角,索末菲 1904 年也讨论过真空里的超光速电子;前者被遗忘到 1970 年代中期,后者随着相对论的诞生被搁置。塔姆说,索末菲那篇文章是约飞提醒他们的。
为什么叫「瓦维洛夫-切连科夫辐射」
西方叫「切连科夫辐射」,俄罗斯的文献里至今多写「瓦维洛夫-切连科夫辐射」。塔姆在 1958 年诺贝尔演讲里解释,苏联这样称呼,是为了强调已故的瓦维洛夫教授在这一发现中的决定性作用。
博洛托夫斯基补充了另一面:瓦维洛夫在世时,学生和同事就提议这样命名,他总是反对,自己只说「切连科夫辉光」;是他 1951 年去世几年之后,一些苏联物理学家才开始用这个双名。博洛托夫斯基本人赞成双名,同时承认「切连科夫效应」已经扎根于现代物理。
诺贝尔奖只颁给在世者,而且每项最多三人。诺贝尔基金会公开的提名档案显示,切连科夫从 1952 年起被提名十二次,提名人有罗森菲尔德、布莱克特、泡利、福克等;塔姆被提名三次、伊利亚·弗兰克两次,都在 1957—1958 年;瓦维洛夫的两次提名来自 1957 年的福克与 1958 年的 Hulthén,那时他已去世多年。1958 年的奖授予切连科夫、塔姆、弗兰克三人,「表彰发现并解释切连科夫效应」。
从一缕微光到巨型探测器
那缕光一度被认为弱得毫无用处。转折来自光电倍增管:1947 年,美国的 Ivan Getting 在《物理评论》上提出用它来记录这种光,切连科夫计数器随之迅速发展。它的好处在于阈值卡的是速度:动量相同的两种粒子,轻的越过门槛发光,重的不发光;再量一量锥角,就能直接读出速度。
1955 年,伯克利的张伯伦、塞格雷等人正是靠切连科夫计数器从大量 π 介子里挑出速度对得上的那一小撮粒子,确认了反质子。宇宙线的广延大气簇射在高空也发切连科夫光,地面上用光电倍增管就能收到;切连科夫在诺贝尔演讲里还提到,人造卫星正用这种探测器统计宇宙线里的重原子核。
最大的切连科夫探测器是一池水。日本神冈矿地下千米的神冈探测器与超级神冈,四壁贴满光电倍增管,看的就是中微子撞出的带电粒子在水里拖出的那一圈光环:1987 年记下大麦哲伦云超新星的中微子,1998 年给出大气中微子振荡的证据。核反应堆水池里那种幽幽的蓝光,也是它。
苏联年代
切连科夫一生留在列别杰夫物理研究所(1934 年随科学院迁到莫斯科)。战后他参与建造电子同步加速器,研究高能 γ 光子击碎氦等轻核的反应,1959 年起主持光介子过程实验室。1946 年他与瓦维洛夫、塔姆、弗兰克同获斯大林奖金,1951 年再获一次。
他身边的政治风暴同样猛烈。俄罗斯的遇难者名录「开放名单」转引《沃罗涅日州纪念册》,记载新奇格拉村一位名叫阿列克谢·叶戈罗维奇·切连科夫的农民,1937 年 12 月 30 日被捕,1938 年 1 月由内务人民委员部的三人小组判处死刑,同月 25 日枪决,1994 年平反——名字、父称与村名都与切连科夫的父亲相合。导师瓦维洛夫的哥哥、遗传学家尼古拉·瓦维洛夫 1940 年被捕,1943 年死于萨拉托夫监狱;而谢尔盖·瓦维洛夫本人 1945 年起出任苏联科学院院长,直到 1951 年去世。
1973 年 8 月,切连科夫与伊利亚·弗兰克在内的四十位苏联科学院院士在《真理报》联名发表公开信,谴责塔姆的学生萨哈罗夫「诋毁」苏联国家制度。他 1990 年 1 月 6 日在莫斯科去世,比弗兰克早半年。
代表方程
切连科夫角
粒子在折射率为 的介质里以速度 飞行,每经过一点都向四周发出一个球面子波。粒子比子波跑得快,子波的包络就成了一个以粒子为顶点的圆锥,光沿锥面法线方向射出,与粒子方向夹角为 。水的 ,接近光速的粒子张角约 41°。这正是切连科夫 1936 年测到的「只朝前、只朝一个角度」的那种不对称。
发光阈能
不能大于 1,所以只有 的粒子才发光。门槛卡的是速度,不是能量,于是越重的粒子越难越过:在水里,电子的动能只要约 0.26 MeV,μ 子要约 55 MeV,质子要将近 0.5 GeV。同样动量的两种粒子一个亮一个不亮,切连科夫计数器就是靠这一点分辨粒子。
弗兰克-塔姆公式
伊利亚·弗兰克与塔姆 1937 年算出的单位路程辐射能量(高斯单位)。被积函数正比于频率 ,频率越高辐射越强——这就是那缕光偏蓝的原因。积分只取 的频段,介质的色散让折射率在紫外以外降下来,总能量才不会发散。切连科夫此前测到的亮度、偏振、光谱与这条公式全部吻合。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.切连科夫《纯液体在 γ 辐射作用下的可见辉光》,《苏联科学院报告》第 2 卷第 451 页(1934);1967 年《物理科学进展》重印
- 2.瓦维洛夫《论液体蓝色 γ 辉光的可能原因》,《苏联科学院报告》第 2 卷第 457 页(1934);1967 年《物理科学进展》重印
- 3.塔姆与伊利亚·弗兰克《快电子在介质中的相干辐射》,《苏联科学院报告》第 14 卷第 107 页(1937);1967 年《物理科学进展》重印
- 4.切连科夫《电子在介质中以超过光速的速度运动时产生的可见辐射》,《物理评论》第 52 卷第 378 页(1937)
- 5.柯林斯与赖林《切连科夫辐射》,《物理评论》第 54 卷第 499 页(1938)
- 6.Getting《一种探测高能电子与介子的探测器方案》,《物理评论》第 71 卷第 123 页(1947)
- 7.张伯伦、塞格雷、维甘德与伊普西兰蒂斯《反质子的观测》,《物理评论》第 100 卷第 947 页(1955)
- 8.博洛托夫斯基《瓦维洛夫-切连科夫辐射:发现与应用》,《物理学进展》第 52 卷第 1099 页(2009)——发现经过、退稿与命名的主要依据
- 9.切连科夫 1958 年诺贝尔演讲与官方小传
- 10.塔姆 1958 年诺贝尔演讲——解释苏联为何称「瓦维洛夫-切连科夫辐射」
- 11.「开放名单」遇难者名录:阿列克谢·叶戈罗维奇·切连科夫(1876),转引《沃罗涅日州纪念册》第 3 卷
- 12.「开放名单」遇难者名录:尼古拉·伊万诺维奇·瓦维洛夫(1887)
- 13.《苏联科学院院士的信》,《真理报》1973 年 8 月 29 日(四十位院士署名,含切连科夫与伊利亚·弗兰克;俄罗斯科学院科学技术史研究所存档)
- 14.诺贝尔奖提名档案:切连科夫的提名记录(1952–1958)