發現自然之美：諾貝爾物理獎1958

1958年的諾貝爾獎頒給三位蘇聯的物理學家，分別是帕維爾·阿列克謝耶維奇·契忍可夫（Pavel Alekseyevich Cherenkov，1904-1990）伊利亞·法蘭克（Ilya Mikhailovich Frank 1908-1990）與 伊戈爾·塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm 1895-1971）。前者得獎的理由是由於他在1934年發現契忍可夫輻射（Cherenkov radiation）而後兩者則是在1937年成功地解釋了契忍可夫輻射的成因而得獎。

契忍可夫輻射（Cherenkov radiation）是在介質中運動的電荷，當它的速度超過該介質中光速時，發出的一種以短波長可見光為主的電磁輻射，特徵是藍色輝光。根據狹義相對論，物體運動速度不可能超過真空中的光速值c，但光在介質中的傳播速度是小於c的。

例如在水中（折射率n≈1.33）光速僅有0.75c的速度，故物體可以被加速到超過介電質中的光速，加速的來源可以是核反應或者是粒子加速器。當帶電粒子以超過介質中的光相速穿過介質時，就會發出契忍可夫輻射。 有趣的是早在狹義相對論被提出之前，德國物理學家索末非(Arnold  Sommerfeld 1868 1951)就提出過這個可能性，後來因為狹義相對論出現後，這個可能性被忽視了，直到契忍可夫的發現。

要強調的是粒子要超過的光速是光的相速度而非群速度。若是透過週期性介質時，光的相速度可以大幅改變，甚至可以讓契忍可夫輻射沒有最小粒子速度的限制——此現象稱為史密斯-柏塞爾效應(Smith–Purcell effect)。在更複雜的週期性介質中，例如光子晶體，可以得到各式各樣的異常契忍可夫效應，例如反向傳播的輻射（在尋常契忍可夫輻射中，輻射和粒子速度呈一銳角）。

契忍可夫輻射的幾何關係。(圖片來源：由 Arpad Horvath, CC BY-SA 2.5,）

契忍可夫輻射通常被類比為超音速飛機的音爆現象。由超音速物體產生的音波速度無法快到足以離開物體，因此波「堆積」了起來，形成了一個震波波前；當快船超過水波速度時也會在水面上產生很大的弓形震波（bow shock）。 類似地，當一個帶電的超光速粒子行經絕緣體，就會產生類似震波的現象。 要注意的是，契忍可夫輻射並非介質中運動的粒子（或物體）本身發出的輻射，而是介質中的極化電流發出的。

圖中，c是真空光速，n是介質的折射率，v是粒子速度（紅色箭頭），β是v/c。藍色箭頭則是發出的輝光。幾何上，此二方向之角度關係為：

\(\rm cos \theta = \frac{1}{n \beta }\)

契忍可夫輻射的總強度與入射帶電粒子的速度成比例關係，另外粒子數量越多總強度也越強。螢光或受激輻射的電磁頻譜通常都具有特定頻率的峰值，但是契忍可夫輻射的頻譜是呈連續的。一個頻率下的相對強度與該頻率呈正比，也就是說在契忍可夫輻射，高頻率（短波長）會有較強的強度。這解釋了為何可見光波段部分的契忍可夫輻射看起來呈亮藍色。實際上，多數契忍可夫輻射是在紫外線波段——當帶電粒子被加速得更快時，才會使可見光波段變得明顯而得見；人眼感光最敏銳的波段是綠色光（平均為555奈米），對於藍色光到紫色光的感應度則相當低。

與音爆的情形一般，震波的圓錐角度與波源速度呈反比，在契忍可夫輻射也是如此。因此，觀測到的入射角可以用來計算產生契忍可夫輻射的帶電粒子的方向及速度。 契忍可夫輻射的總強度與入射帶電粒子的速度成比例關係，另外粒子數量越多總強度也越強。

在粒子物理的實驗中，契忍可夫輻射是一項非常重要的研究手段。從太空中進入地球大氣層的某些高能粒子，運動速度接近光速，可以發出契忍可夫輻射。針對契忍可夫輻射設計出的契忍可夫探測器可以檢測契忍可夫輻射的強度和方位，從而探測出高能粒子。目前在微中子研究相關的實驗中，都有廣泛的利用。例如研究微中子震盪的超級神岡探測器，就是最好的實例。

關於三位得主的生平，與蘇聯的歷史息息相關。三人都生於蘇維埃革命之前，成長於革命的混亂時期，經歷過史達林的大整肅。契忍可夫1904年出生於俄羅斯帝國沃羅涅日州的一個農民家庭，1928年從沃羅涅日國立大學數學和物理系畢業，1930年開始在列別捷夫物理研究所擔任高級研究員職務，。1940年，契忍可夫獲得了博士學位。

1934年，在瓦維洛夫的指導下，契忍可夫研究了放射線穿過流體時所發生的現象，觀察到了一種淡藍色的輝光。雖然這種藍光已經被前人所觀察到，但是他們都認為是螢光。契忍可夫在實驗中仔細排除了水中產生螢光的雜質，而藍色輝光仍然存在。他於1934年至1937年間陸續發表了一系列論文，詳細記載了這一現象的性質，該現象因此被稱為「契忍可夫輻射」。1937年，契忍可夫的同事法蘭克和塔姆成功解釋了契忍可夫輻射的成因。著名的法蘭克和塔姆公式(Frank–Tamm formula)給出了契忍可夫輻射強度與介質性質的關係。

1946年，契忍可夫同瓦維洛夫、法蘭克和塔姆一起獲得蘇維埃國家獎，1958年，契忍可夫又與法蘭克、塔姆共同獲得諾貝爾物理學獎。 契忍可夫於1970年當選蘇聯科學院院士，1984年獲得蘇聯「蘇聯社會主義勞動英雄」稱號。1990年，契忍可夫在莫斯科逝世。

至於伊利亞·法蘭克，則是1908年出生於聖彼得堡。他的父親是莫斯科大學的數學系任教，曾因同情革命而遭革職，革命後又回到大學擔任教授。他在瓦維洛夫的指導下完成博士論文後，原本在列寧格勒光學研究所工作，1934年轉到蘇聯國家學術院的核子物理部門，在那裡他與塔姆共同研究契忍可夫輻射。後來他還成為杜布納聯合原子核研究所的中子實驗室的主任。他比契忍可夫晚五個月在莫斯科逝世。

伊戈爾·塔姆則是1895年生於海參崴。1914年他加入軍隊成為隨軍的軍醫。革命爆發後他參加了革行列，塔姆於戰後來到莫斯科大學拿到學位。他是場效電晶體的前驅，也曾主張質子與中子之間是靠著傳遞某未知粒子來相互吸引，他的工作給了湯川秀樹靈感。他也曾是蘇聯核武的核心團隊之一。塔姆於1971年逝於莫斯科。