契忍可夫輻射｜科學史上的今天：10/23

玻璃瓶內一小塊鈾鹽泡在清澈透明的液體中。契忍可夫（Pavel Cherenkov, 1904－1990；或譯切侖科夫）關上燈，只見黑暗中玻璃瓶內的液體泛著藍色的光芒；待眼睛完全適應黑暗後，契忍可夫記下光芒的範圍，打開燈，換上別種液體繼續實驗。

圖片來源：Oak Ridge National Laboratory@flickr

契忍可夫是於1933年在教授伐維洛夫（Sergey Vavilov）的建議下開始這項實驗。其實早在世紀初，居禮夫人就曾在黑暗中看到這奇異的藍色光芒，但並未深究；伐維洛夫猜測那是放射性物質的γ射線擊中液體的電子後，所輻射出來的光，但為什麼總是藍色的？契忍可夫做了二、三年實驗，始終沒有進展。

直到1936年，契忍可夫有了關鍵的發現：藍光並不是均勻對稱的。如果是電子散射，那應該平均分布在每個方向，但實際上藍光每次都是出現在γ射線的行進方向上。伐維洛夫的猜測因此被否決了，然而契忍可夫仍無法提出適當解釋；不過第二年，這個謎很快就由與他同一實驗室的兩名同事破解。

今天生日的法蘭克（Ilya M. Frank, 1908－1990）專長是數學與理論物理，他與另一名資深的理論物理學家塔姆（Igor Tamm, 1895－1971）於1937年找到發光的原因：帶電粒子在液體中的行進速度超過光速。

等等，相對論不是說沒有任何物體的速度能超越光速嗎？是的，但那是指真空中的光速（c）。事實上光在介質中的行進速度會減慢（例如在水中的速度就只有0.75c），而一旦帶電粒子在水中的速度大0.75c時，就會導致類似超音速飛機產生的音爆現象。帶電粒子穿越介質時，它會改變附近介質的電場；一般狀況下，介質的電場在粒子離去時就會很快恢復平衡，但如果帶電粒子的速度大於介質中的光速時，帶電粒子行進路徑上的電場還來不及依序恢復平衡，就會「堆積」成震波，而釋放出電磁輻射。這就是「契忍可夫輻射」，頻率範圍從藍光到無線電波，因此我們肉眼看到的就是藍光；這也是為什麼包圍著核子反應爐的水池會泛著藍色光澤。

契忍可夫、法蘭克與塔姆三人因為此一發現而共同獲頒1958年的諾貝爾物理獎。如今契忍可夫輻射的現象還成為研究粒子物理的重要方法；例如微中子幾乎沒有質量又不帶電，因此難以偵測，一項我國也有參與的ARA計畫就在南極冰層底下就埋了許多偵測器，捕捉來自宇宙的微中子自地球另一端穿過厚厚冰層時，所產生的契忍可夫輻射。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。