Эффект Черенкова. Арсенал медицины будущего

Тула — город-герой, город-труженик, щит и арсенал России. Но за этим стальным фасадом скрывается печальная реальность: на протяжении многих лет наш город несет тяжелое бремя, входя в число регионов с тревожно высокой статистикой онкологических заболеваний. Это сложный вызов. Каждый год страшный диагноз меняет жизни сотен туляков и их семей, делая борьбу с раком не абстрактной научной проблемой, а личной битвой.

Несколько лет назад в этой борьбе появился важный рубеж — в Туле открылся новый современный онкологический диспансер. Это не просто новое здание, а символ надежды, центр, где сосредоточены передовые технологии и специалисты, готовые дать отпор болезни. И сегодня, когда весь мир ищет все более точные и эффективные способы лечения, на помощь приходят поистине фантастические открытия. Одно из них пришло из мира физики элементарных частиц и неожиданно нашло применение в стенах клиник.

Речь идет о черенковском свечении. Раньше оно ассоциировалось лишь с мощью атома и глубинами космоса. Теперь же его уникальные свойства помогают спасать жизни.

Павел Алексеевич Черенков - советский физик, нобелевский лауреат (1958), академик АН СССР.

Звезда мировой науки ХХ века происходил их крестьян. Он родился 28 июля 1904 года в селе Новая Чигла, что ныне относится к территории Воронежской области. Мальчик с детства тянулся к знаниям. В 1924 году Черенкову удалось поступить на физико-математическое отделение Воронежского государственного университета.

Отработав несколько лет учителем, Павел Алексеевич поступил в аспирантуру Физико-математического института АН СССР в Ленинграде, где защитил кандидатскую и докторскую диссертации. Еще будучи аспирантом, Черенков, изучая люминесценцию прозрачных жидкостей под действием гамма-лучей, обнаружил неизвестное голубое свечение. Его невозможно было «погасить» нагреванием жидкости или при помощи примесей. Да и от химического состава среды яркость свечения не зависела.

Проделав множество опытов, ученый пришел к выводу что наблюдаемый им эффект не люминесценция, а нечто иное… Но что?

Оказывается, излучение вызывали электроны, которые двигались со сверхсветовой скоростью. Как такое может быть? Это придумают фантасты, да и то только после войны.

Но экспериментируя вновь и вновь ученые выяснили, что в прозрачной жидкости скорость света меньше, чем в вакууме. Поэтому частицы там действительно могут двигаться быстрее, чем свет. Явление получило название «черенковское излучение» или «эффект Черенкова». Объяснить его смогли советские физики Илья Михайлович Франк и Игорь Евгеньевич Тамм. Нобелевскую премию «за открытие и истолкование эффекта Черенкова» в итоге они тоже разделили на троих.

Илья Михайлович Франк родился 23 октября 1908 года в Санкт-Петербурге в семье математика. После окончания физико-математического факультета Московского государственного университета, первоначально его основной специализацией была оптическая физика, однако его учитель Сергей Вавилов (он же был научным руководителем Черенкова) в 1933 году предложил способному к глубокому научному анализу сотруднику перейти в ядерную физику.

Игорь Евгеньевич Тамм был самым старшим. Он появился на свет 8 июля 1895 года во Владивостоке в семье инженера. Московский университет окончил в 1918 году с дипломом по физике. После кратковременного увлечения политикой начал академическую карьеру. Основные направления научного творчества Тамма относятся к квантовой механике, физике твёрдого тела, теории излучения, ядерной физике, физике элементарных частиц, а также к решению ряда прикладных задач.

Скорость света в вакууме – это абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн, в точности равная 299 792 458 м/с. Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом.

Даже нам сложно поверить в возможности сверхсветового движения, что уж говорить о людях живших в середине ХХ века.

«Оптика источников света, движущихся в преломляющих средах», - так называлась Нобелевская лекция по физике, которую в 1958 году прочитал Илья Франк. В своем выступлении ученый подчеркнул, что эффект Черенкова - это частный, хотя и очень интересный пример. «В этой области явлений имеется широкий круг вопросов, связанных с излучением источников света, движущихся в преломляющих средах», - обратил внимание слушателей Илья Михайлович.

По сей день вопрос практического применения эффекта Черенкова находится в фокусе внимания ученых. В 1995 году российский физик Сергей Красников предложил гипотетический механизм для сверхсветового движения, связанный с искривлением пространства-времени в специально созданных тоннелях. И если эта мысль пока относится к области фантастики, то в лучевой терапии при онкологических заболеваниях Эффект Черенкова очень востребован. 

В чем суть этого явления?

Представьте себе звуковой удар, когда самолет преодолевает скорость звука. Со светом происходит нечто подобное. Черенковское свечение возникает, когда заряженная частица (например, электрон в пучке медицинского ускорителя) движется в среде (например, в теле человека) быстрее, чем скорость света в этой среде.  Частица «торопит» свет, и он вынужден «просачиваться» наружу в виде изящного голубого свечения.

В чем же его практическая ценность для лучевой терапии, которую проходят пациенты Тульского онкодиспансера? Главная задача врача — направить пучок излучения точно в опухоль, минимизировав воздействие на здоровые ткани. И здесь черенковское свечение становится незаменимым помощником.

Когда пучок излучения проходит через тело пациента, он порождает слабое черенковское свечение. С помощью сверхчувствительных камер врачи могут буквально видеть этот световой контур. Это похоже на включение фар в тумане — прежде невидимое становится ясным. Интенсивность этого свечения Черенкова напрямую связана с количеством поглощенной энергии. Теперь у медиков есть инструмент для мгновенного контроля: они могут убедиться, что опухоль получает нужную дозу, а здоровые органы — защищены.

Для Тулы, города, который знает о онкологии не понаслышке, такие технологии - больше чем инновация. Это луч надежды. Это значит, что лечение становится точнее, а значит - безопасней и эффективней.

Голубое свечение, которое когда-то было лишь символом ядерной мощи, сегодня стало символом надежды в борьбе с одним из самых страшных недугов. И тот факт, что самые передовые открытия человеческого разума находят применение в стенах тульского диспансера, вселяет уверенность: наша общая битва с болезнью ведется с помощью оружия из арсенала будущего.

Проект «Нобелевские лауреаты» выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.