Mowa prezentacyjna profesora K. Siegbahna, członka Szwedzkiej Akademii Nauk
Wasze Wysokości, Wasze Królewskie Wysokości, Panie i Panowie.
Odkrycie zjawiska znanego obecnie jako efekt Cerenkowa, za które przyznawana jest dziś Nagroda Nobla, jest interesującym przykładem tego, jak stosunkowo prosta obserwacja fizyczna, jeśli jest prowadzona we właściwy sposób, może prowadzić do ważnych odkryć i otworzyć nowe drogi badań. Tutaj naukowiec musi być obdarzony tą wyjątkową intuicyjną skłonnością eksperymentalną, która jest prawdziwym bodźcem w postępie naukowym.
Wśród studentów Instytutu Lebiediewa w Moskwie na początku lat trzydziestych był Paweł Cerenkow. Zadaniem wyznaczonym mu przez jego nauczyciela, profesora Wawiłowa, było zbadanie, co się dzieje, gdy promieniowanie ze źródła radowego przenika do różnych płynów i jest w nich absorbowane. Ten sam problem dotyczył bez wątpienia wielu naukowców przed tym młodym absolwentem i z pewnością wielu z nich obserwowało słabą niebieskawą poświatę, która emanowała z cieczy, gdy promieniowanie przez nią przenikało. Szczególną uwagę należy zwrócić na ważną obserwację Francuza Luciena Malleta. Niebieskawa poświata była – jak się wydawało na zdrowych podstawach – zawsze uważana za przejaw dobrze znanego zjawiska fluorescencji. Zjawisko to od ponad pół wieku wykorzystywane jest na przykład przez radiologów we fluoroskopach rentgenowskich, gdzie „niewidzialne” promieniowanie X puszczane jest na fluorescencyjny ekran, który następnie świeci.
Cerenkov nie był jednak przekonany, że zaobserwowane przez niego zjawisko świetlne ma rzeczywiście charakter fluorescencji. Już jego pierwsze eksperymenty wskazywały, że jego podejrzenia były słuszne. Stwierdził na przykład, że promieniowanie jest w zasadzie niezależne od składu cieczy. Nie zgadzało się to z wyjaśnieniem fluorescencji. Obserwując promieniowanie nawet w podwójnie destylowanej wodzie, wyeliminował możliwość fluorescencji drobnych zanieczyszczeń w cieczach.
Cerenkov uczynił nowe, nieznane promieniowanie przedmiotem systematycznych badań. W swojej pracy stwierdził, że promieniowanie to jest „spolaryzowane” zgodnie z kierunkiem padającego promieniowania radu i że to właśnie szybkie elektrony wtórne, produkowane przez ten ostatni, są główną przyczyną promieniowania widzialnego. Zostało to zweryfikowane przez napromieniowanie cieczy tylko elektronami ze źródła radowego.
Badania, które Cerenkov opublikował w rosyjskich czasopismach w latach 1934-1937, zasadniczo ustaliły ogólne właściwości nowo odkrytego promieniowania. Wciąż jednak brakowało matematycznego opisu tego efektu. W tym miejscu do akcji wkraczają dwaj koledzy Cerenkowa z Moskwy. W jaki sposób szybki elektron przechodząc przez ciecz może wytworzyć promieniowanie o własnościach zaobserwowanych przez Cerenkowa? Początkowo zjawisko to wydawało się trudne do zrozumienia, ale w pracy Franka i Tamma (1937) podano wyjaśnienie, które oprócz tego, że było proste i jasne, spełniało również wymogi ścisłości matematycznej.
Zjawisko to można porównać do fali dziobowej statku, która porusza się po wodzie z prędkością większą od prędkości fal. Jest to, nawiasem mówiąc, prosty eksperyment, który każdy może wykonać. Najpierw wrzuca się przedmiot do miski z wodą i obserwuje prędkość rozchodzenia się kolistego czoła fali. Następnie przesuwamy obiekt po powierzchni wody, początkowo bardzo powoli, ale stopniowo zwiększając prędkość. Gdy ta ostatnia przekroczy wcześniej zaobserwowaną prędkość fali, powstaje fala łukowa, która rozciąga się ukośnie do tyłu w znany sposób.
Prędkość fali na powierzchni wody jest oczywiście mała i dlatego łatwo jest wytworzyć w tym przypadku falę łukową. W powietrzu analogiczne zjawisko zachodzi, gdy samolot odrzutowy z prędkością około 1000 km/h przebija tzw. barierę dźwięku, tzn. gdy prędkość strumienia przekracza prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych. Towarzyszy temu huk.
Warunkiem koniecznym do powstania odpowiedniej fali łuku Cerenkowa zwykłego światła, gdy cząstka naładowana, np. elektron, przemierza ośrodek, jest, analogicznie, aby cząstka ta poruszała się z prędkością większą od prędkości światła w ośrodku. W pierwszej chwili można by pomyśleć, że jest to niemożliwe, gdyż zgodnie ze słynną teorią względności Einsteina prędkość światła jest największą możliwą prędkością. Jest to prawda, ale prędkość, o której mówi teoria Einsteina, jest prędkością światła w pustej przestrzeni lub próżni. W ośrodku, np. w cieczy lub przezroczystym ciele stałym, prędkość światła jest mniejsza niż w próżni, a ponadto zmienia się wraz z długością fali. Fakt ten jest dobrze znany z doświadczeń szkolnych dotyczących załamania światła w pryzmacie. W takim ośrodku jest więc zupełnie możliwe, aby ultraszybki elektron, wyemitowany z radioaktywnego źródła, poruszał się z prędkością większą niż prędkość światła w ośrodku. W takim przypadku powstaje łukowa fala Cerenkowa, a ciecz świeci jasnoniebieskim magicznym blaskiem gorączkowego wyścigu elektronów ze światłem, które je przewyższa.
Piękny widok można zobaczyć, patrząc w dół do reaktora uranowego zawierającego wodę; tak zwanego reaktora basenowego. Cały rdzeń świeci niebieskim światłem Cerenkowa i w tym świetle można nawet sfotografować wnętrze reaktora.
W udanych badaniach nowych cząstek elementarnych podjętych w ciągu ostatnich kilku lat, np. w odkryciu w 1955 r. antyprotonu – ujemnego jądra wodoru – efekt Cerenkowa odegrał decydującą rolę. Na bazie tego efektu skonstruowano przyrząd, który jest w stanie rejestrować przejście pojedynczych cząstek. Tylko pod warunkiem, że cząstka ma dostatecznie dużą prędkość, zostanie zarejestrowana przez przyrząd, który jednocześnie może zmierzyć jej prędkość. Do wyznaczania prędkości, które może być wykonane ze znaczną dokładnością, wykorzystuje się fakt, że kąt fali łukowej zależy od prędkości cząstki. Im szybciej porusza się cząstka, tym mniejszy będzie kąt między nimi. Łatwo to zrozumieć na przykładzie statku znajdującego się w wodzie. Ten nowy typ detektora promieniowania został nazwany imieniem Cerenkowa i jest obecnie jednym z najważniejszych przyrządów w wielkich laboratoriach atomowych, gdzie cząstki elementarne są przyspieszane do niezwykle dużych prędkości.
Odkrycie Cerenkowa, Franka i Tamma sprzed około dwudziestu lat znalazło więc w ciągu ostatnich kilku lat zastosowanie o decydującym znaczeniu w badaniu podstawowej struktury i natury materii.
Profesor Cerenkow, profesor Frank, akademik Tamm. Szwedzka Królewska Akademia Nauk przyznała Wam Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie i wyjaśnienie efektu, który obecnie nosi imię jednego z Was. Odkrycie to nie tylko rzuca światło na nieznane dotąd zjawisko fizyczne, ale także dostarcza nowego i skutecznego narzędzia do badania atomu. Gratuluję Panu serdecznie w imieniu Akademii i proszę o przyjęcie nagrody z rąk Jego Królewskiej Mości.