Развитие ядерной и частично атомной физики в первой половине XX века требовало ускорения заряженных частиц до все более высоких энергий. Уже к 1930-м годам были сконструированы первые циклотроны, а затем и синхротроны, в которых частицы разгонялись до релятивистских скоростей. В этих установках стало очевидным, что электроны, двигаясь по криволинейной траектории в магнитном поле, начинают терять энергию значительно быстрее, чем ожидалось на основе классических расчетов.
Особенно заметным этот эффект оказался для электронов, поскольку их малая масса приводит к тому, что при одинаковой энергии они достигают существенно больших скоростей и, следовательно, испытывают более сильное ускорение при движении по окружности. Именно эти потери энергии впоследствии были отождествлены с излучением, которое получило название синхротронного.
Первые теоретические предпосылки были заложены еще в конце XIX века. В 1897 году Дж. Дж. Томсон, открывший электрон, рассматривал возможность его электромагнитного излучения при ускоренном движении. Несколько лет спустя Лармор и Лиенард вывели формулы для мощности излучения ускоренных зарядов. На основе этих результатов стало понятно, что частица, движущаяся с ускорением, должна излучать электромагнитные волны.
Однако именно в релятивистской области теория приобрела завершённый вид. В 1909–1915 годах А. Лармор, А. Лиенард и М. Шотт описали свойства электромагнитного излучения для частиц с околосветовыми скоростями. Эти исследования сформировали базу, на которой позже были построены точные расчеты спектрального распределения и угловой зависимости синхротронной радиации.
Практическое открытие произошло в 1940-х годах. В 1944 году, в лабораториях компании General Electric (США), на 70-МэВ электронном синхротроне впервые заметили неожиданное голубоватое свечение, исходящее от вакуумной камеры ускорителя. Сначала его приняли за побочный эффект — например, за люминесценцию стекла камеры или за проявление тормозного излучения. Но детальный анализ показал, что это излучение имеет электромагнитную природу, а его свойства соответствуют предсказаниям релятивистской электродинамики.
Ключевое событие произошло в 1947 году, когда группа исследователей под руководством Ф. Бландфорда и Г. Гертца опубликовала первые убедительные результаты наблюдений синхротронного излучения на ускорителях. С этого момента термин «синхротронное излучение» вошёл в научный обиход.
Одним из наиболее удивительных открытий стало распределение излучаемой энергии. Если классическое дипольное излучение заряженной частицы почти изотропно, то синхротронное излучение оказалось резко направленным вдоль касательной к траектории. Это объясняется релятивистским «сжатием» излучаемых волн в узкий конус с углом порядка 1/γ, где γ — релятивистский фактор Лоренца.
Кроме того, спектр оказался чрезвычайно широким: от радиодиапазона до жёсткого рентгена. Такая универсальность была неожиданной для физиков 1940-х годов и сразу же показала огромный потенциал нового явления как источника излучения для научных исследований.
Открытие вызвало огромный интерес у физиков. С одной стороны, синхротронное излучение представляло серьёзную техническую проблему для проектирования ускорителей: значительная доля энергии электронов терялась в виде электромагнитных волн, что требовало всё более мощных систем радиочастотного подкачивания. С другой стороны, постепенно стало ясно, что само это излучение обладает уникальными свойствами — высокой интенсивностью, непрерывным спектром и поляризацией.
Уже в конце 1940-х годов начались первые эксперименты, в которых синхротронное излучение использовалось в качестве инструмента: для спектроскопии, исследований структуры веществ и проверки предсказаний квантовой электродинамики.
После американских наблюдений, аналогичные эффекты вскоре подтвердили в Европе и СССР. В Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ, Москва) и в Лаборатории высоких энергий в Дубне были зафиксированы аналогичные световые проявления в электронных ускорителях. Таким образом, синхротронная радиация была признана универсальным сопутствующим явлением ускорения релятивистских электронов в магнитных полях.
Факт наблюдения синхротронного излучения стал фундаментальным рубежом в физике ускорителей. С одной стороны, он подтвердил корректность релятивистских уравнений Максвелла и классической электродинамики в области высоких энергий. С другой — положил начало новой области прикладных исследований, где ускорители стали не только машинами для ядерной и элементарной физики, но и мощными источниками электромагнитного излучения для науки о материи.