"Теоретические и экспериментальные исследования эффекта Вавилова-Черенкова" на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц
Диссертация Яна Ружички посвящена дальнейшему исследованию, казалось бы, уже всесторонне изученного физического явления - излучения Вавилова-Черенкова. Однако диссертанту удалось поднять целый пласт тонких вопросов, до него далеко еще не выясненных в теоретическом и экспериментальном плане. Успешное прояснение этих вопросов в цикле многолетних исследований выдвинули автора в число ученых, внесших фундаментальный вклад в изучение этого классического явления. В своей диссертации Ян Ружечка сделал серьезное научное обобщение исследований, проведенных им в течение последних двадцати лет. Таким образом, мы имеем тот редкий случай, когда написание объемного обобщающего научного труда полностью оправдано и вряд ли могло быть заменено статьей в обзорном журнале.
Первая часть диссертации
, содержащая пять глав, посвящена теоретическим исследованиям широкого круга вопросов, связанных не только с излучением Вавилова-Черенкова, но и с возникновением в оптическом диапазоне тормозного и переходного излучения. Совместное описание этих излучений, казалось бы, сильно отличающихся по своей физической природе, автору удалось получить на основе применения формулы Тамма, полученной еще в 1939 году как оригинального решения частной задачи излучения точечного заряда на ограниченном отрезке пути. В 1988 году В. П. Зреловым и Я. Ружичкой было показано, что формула Тамма может быть интерпретирована как результат интерференции двух тормозных излучений заряда при его мгновенном ускорении и торможении в начале и в конце рассматриваемого отрезка. Этот неожиданный результат лежит в основе всего дальнейшего расширения использования формулы Тамма, описанного в первой части диссертации.
Предложенное диссертантом расширение области использования формулы Тамма и ее обобщение на случай произвольного движения заряженной релятивистской частицы уже само по себе является крупным научным достижением
, открывающим новое направление на основе единого подхода к исследованию оптического излучения различной природы.
Но автор
, помимо этого общего теоретического вклада, получает ряд конкретных весьма важных результатов. Так, была установлена тесная взаимосвязь оптического переходного излучения (ОПИ) с излучением Вавилова-Черенкова (ИВЧ) - интерференционные эффекты вблизи порога ИВЧ, гибридное излучение, затем была доказана невозможность четкого отделения ИВЧ от оптического тормозного излучения (ОТИ), возникающего при изменении скорости частицы внутри прозрачной среды. В главе 4 дается объяснение удивительного отсутствия центрального пятна от ОПИ, возникающего на входной фольге черенковского счетчика, но исчезающего с появлением ИВЧ при повышении давлении газа. Вторая часть диссертации, состоящая из трех глав, посвящена описанию результатов экспериментальных исследований ИВЧ с помощью фотографического метода. Приведенные в главе 6 цветные фотографии вызывают яркое впечатление, их созерцание не может оставить равнодушным к удивительному оптическому явлению направленного излучения. Проведенные диссертантом тщательные эксперименты показали согласие с теоретическими расчетами в широком диапазоне значений коэффициента преломления для различных заряженных частиц, включая многозарядные ионы серебра. Интересен обнаруженный впервые эффект асимметричного ИВЧ в двухосном кристалле.
В главе
7 представлены результаты исследования характеристик ИВЧ, возникающего в различных образцах аэрогеля. Этим исследованиям предшествовало освоение диссертантом сложной технологии изготовления кремниевых аэрогелей с коэффициентом преломления 1,05. Проведенные исследования показали возможность использования аэрогельных радиаторов не только в пороговых, но и в дифференциальных черенковских счетчиках. Этот результат имеет большое практическое значение для методики так называемых RICH детекторов, так как аэрогельный радиатор позволит эффективно получать ценную информацию о массах вторичных частиц в более высоком диапазоне энергий.
В главе
8 представлены результаты исследования ИВЧ в газах. Новым здесь является исследование узко направленного вперед излучения, возникающего в газе до порога ИВЧ, экспериментальное подтверждение теоретически предсказанной поляризации ИВЧ, а также изучение ИВЧ и допорогового излучения при движении частиц в магнитном поле. В этой последней главе диссертации подняты вопросы, которые требуют дальнейшего исследования, и тем самым автор наглядно показывает, что его обширное исследование действительно открывает новые научные направления, требующие дальнейшего теоретического и экспериментального изучения поставленных проблем. Возникновение спорных вопросов вокруг проблем, поднятых в таком подлинно научном исследовании, вовсе не говорит о его неполноте. Именно в плане необходимости дальнейших серьезных исследований нужно понимать приведенные далее мои возражения по поводу содержащихся в диссертации объяснений экспериментальных наблюдений при изучении ИВЧ вблизи порога (глава 4) и ниже порога ИВЧ, соответствующего формально условию bn = 1, (глава 5).
Вперед направленное излучение в газе при давлении ниже порога ИВЧ было обнаружено еще в
1963 году и исследовалось затем в работе 1983 года (см. ссылки [13] и [12] в списке литературы к 4ой главе, приведенном на стр.96). Большое значение проведенного диссертантом исследования состоит в том, что он впервые показал возможность успешного применения фотографического метода для изучения этого аномального явления и полученными этим методом оригинальными результатами вновь привлек внимание научной общественности к этому тонкому явлению, которое, я уверен, еще не получило адекватного его простой сущности теоретического объяснения. Далее из соображений научной строгости, а вовсе не с целью выявления недостатков обсуждаемой диссертации, приведу свои возражения против попыток автора представить решенной задачу теоретического объяснения излучения, наблюдающегося в газе до порога ИВЧ.
В главе
8 автор предварительно приводит описание результатов исследования ИВЧ вблизи его порога (серии фотографий на рисунках 8.7 и 8.10). Здесь автор подчеркивает, что ИВЧ не исчезает полностью при приближении к порогу излучения , как это следует из теории Тамма-Франка, и отсылает читателей к главе 4, где им обсуждались возможные причины такого расхождения с теорией.
Однако содержащиеся в главе
4 рассуждения об оптическом переходном излучении никак не могут быть приняты за требуемое объяснение данного расхождения с теорией. Обсуждаемая автором формула Тамма описывает такое переходное излучение, но интенсивность его на несколько порядков меньше ИВЧ и для его регистрации фотографическим методом потребовалось бы резкое увеличение длительности экспозиции, чего, судя по описанию эксперимента, на самом деле не было.
Здесь, на мой взгляд, автору обширного фундаментального исследования не хватило смелости обсудить предположение, что и без привлечения оптического переходного излучения само полученное авторитетными учеными теоретическое описание когерентного излучения релятивистской частицы в газе неточно вблизи порога ИВЧ. Полученные же эксперименитальные результаты об излучении до порога ИВЧ, на мой взгляд, дают серьезное подтверждение такому предположению.
Действительно, приведенные на рис
8.14 фотографии световых пучков при двух резко отличающихся допороговых значениях давления газа (в 7 и 100 раз меньше порогового давления) свидетельствуют о значительном уменьшении интенсивности излучаемого вперед света с понижением давления газа. Подобная зависимость интенсивности света от давления газа радиатора должна возникать, если допороговое излучение обусловлено когерентным излучением атомов газа. Напротив, сильную зависимость интенсивности излучения от давления газа невозможно согласовать с тормозной природой допорогового свечения, поскольку переходное излучение должно быть максимальным для случая выхода релятивистской частицы из металла в вакуум.
Еще более убедительные свидетельства в пользу когерентной природы излучения самих атомов газовой среды при bn < 1 содержат полученные диссертантом фотографии допорогового излучения (рис.
8.22г), когда последнюю треть пути в газовом радиаторе электроны проходили в магнитном поле, отклоняясь на 1,33°. На фотографии видна световая полоса от излучения, вызванного постепенно отклоняемыми электронами. Ясно, что переходное излучение на удаленной от магнитного поля входной фольге газового радиатора не может вызвать наблюдаемый эффект непрерывной световой полоски.
Но Я. Ружичка уклоняется от обсуждения этого явного экспериментального опровержения исходной гипотезы о природе наблюдаемого допорогового излучения, выдвигая еще одну гипотезу на этот раз специально для объяснения излучения, вызывающего непрерывную световую полоску на фотоснимке. Автор считает, что это оптическое излучение обусловлено синхротронным (магнитотормозным) эффектом. Конечно, такое излучение существует в природе, но для серьезного обоснования допустимости подобного наслоения двух гипотез для объяснения излучения, зарегистрированного на одной фотографии, автору следовало бы привести расчетные оценки в пользу близости интенсивностей этих разных по своей физической природе излучений - переходного и магнитотормозного.
Но даже при наличии теоретических доводов в пользу совпадения интенсивностей двух излучений исследователь не должен уклоняться от обсуждения экспериментального опровержения более экономного альтернативного объяснения, основанного лишь на одной гипотезе о когерентной природе направленного вперед излучения атомов газообразной среды, возбуждаемых заряженной релятивистской при давлении газа, ниже порога ИВЧ. На возможность эксперимента для окончательного решения вопроса о физической природе наблюдаемого в магнитном поле излучения обращалось внимание в моем выступлении на семинаре ЛЯП ОИЯИ
15 марта сего года при обсуждении диссертационной работы Я. Ружички. Таким экспериментом было бы получение при магнитном поле фотографий типа 8.22г для двух сильно различающихся допороговых значений давления газа, как и в случае получения фотоснимков 8.14. Тогда при синхротронной природе излучения на двух снимках будет получена одинаковая яркость засветки полоски, соответствующей отклоненному пучку электронов. В случае же когерентной природы этого излучения яркость засветки полоски будет пропорциональна давлению газа, как и в случае фотоснимков 8.14, полученных без магнитного поля.
Последний вариант исхода контрольного эксперимента несомненно предпочтителен уже тем, что когерентная природа излучения атомов газа при давлении ниже прогового bn < 1 дает единое объяснение всей совокупности наблюдений. Конечно, возникает необходимость теоретического обоснования такого узко направленного вперед когерентного излучения атомов при допороговых давлениях газа. Поиски требуемого обоснования связаны с вторжением в область теории, тщательно разработанную весьма авторитетными учеными - И. Е. Таммом, И. М. Франком, В. Л. Гинзбургом и другими. Это обстоятельство, надо полагать, и послужило основной причиной уклонения диссертанта от обсуждения альтернативного пути объяснения, отстаиваемого мною в настоящем отзыве.
Однако в данном случае речь идет о весьма слабом излучении, которое выпадало из многочисленных предыдущих теоретических рассмотрений, хотя оно и было экспериментально обнаружено в
1963 году.
Поэтому я считаю целесообразным здесь отметить, что слабое допороговое излучение имеет весьма простое теоретическое объяснение, требующее лишь учета протяженной длительности излучения атомов. Каждый атом газообразной среды, возбужденный ультрарелятивистским электроном, с момента его возникновения находится в условиях вынужденного излучения под действием поля излучения ранее возбужденных тем же электроном атомов, так как световой фронт лишь на незначительную часть полного цуга излучения опережает электрон, движущийся с ультрарелятивистской скоростью. Поэтому эффект допорогового когерентного излучения существен для газообразной среды, когда пороговая скорость ничтожно мало отличается от скорости света в вакууме. От этого влияния поля, индуцирующего лазерный эффект излучения, возбуждаемые релятивисткой частицей атомы освобождаются только при скорости движения частицы, превышающей скорость распространения света в данной оптической среде.
Таким образом, мы имеем тот редкий случай, когда диссертационная работа возбудила официального оппонента на собственные рассуждения, которые, я надеюсь, окажутся полезными для окончательного выяснения природы допорогового излучения. Решающее же значение исследования диссертанта состоит в том, что примененный им фотографический метод позволил выяснить основное свойство этого излучения, его строгую направленность по движению заряженной релятивистской частицы.
В заключение отмечу отличное оформление диссертации, четкий научный язык автора, полную достоверность полученных результатов и высокую научную ценность всего исследования.
Основные результаты, представленные в диссертации, были опубликованы в научной печати. Автореферат диссертации соответствует ее содержанию.
Диссертация Яна Ружички представляет собой законченное фундаментальное исследование большой научной ценности, и ее автор, безусловно, заслуживает присуждения ему ученой степени доктора физико-математических наук.
Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
