帕维尔·切连科夫

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 $\cos\theta = 1/(n\beta)$ 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 $c/n$，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 $c/n$——这完全不违反相对论，后者限制的是真空光速 $c$——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。