История, полная загадок

Л. Ткачев
«Квант» №3, 2013

Чарльз Вильсон

Оказывается, космические лучи были открыты с помощью... школьного электроскопа. Еще в 1785 году Шарль Кулон представил три доклада по электричеству и магнетизму Французской академии наук. В одном из них он описал свои эксперименты, показавшие, что изолированные наэлектризованные тела спонтанно разряжаются и что качество изоляции не влияет на это явление. Прошло 50 лет, и Майкл Фарадей в 1835 году (а затем Уильям Крукс в 1879-м) обнаружил, что скорость разряда уменьшается, когда уменьшается давление воздуха: таким образом, непосредственной причиной разряда является ионизация воздуха. Но что ионизует воздух? Попытки ответить на этот вопрос и проложили путь к открытию в 1912 году космических лучей.

В 1896 году Анри Беккерель открыл спонтанную радиоактивность. Вскоре после этого было обнаружено, что заряженный электроскоп быстрее разряжается в присутствии радиоактивного материала, и скорость разряда электроскопа была использована для измерения уровня радиоактивности.

Около 1900 года Чарльз Вильсон и, независимо, Юлиус Элстер и Ганс Гейтель улучшили технику тщательной изоляции электроскопа в замкнутом сосуде и тем самым повысили его чувствительность. В 1901 году Вильсон сделал по тем временам фантастическое предположение о внеземной природе наблюдаемой радиации, имеющей исключительно высокую проникающую силу. Он провел исследования в туннелях, но не обнаружил уменьшения скорости ионизации, что противоречило его гипотезе, и она была забыта на многие годы. Эрнест Резерфорд и Генри Кук в 1903–1906 годах провели количественные измерения с электроскопом, защищенном металлическими стенками толщиной в несколько сантиметров, и убедились в том, что ионизация воздуха от такой защиты изменялась незначительно. Этот вывод был подтвержден измерениями другой группы ученых, которые погружали электроскоп в бак с водой. Возник очевидный вопрос о природе этой радиации: имеет ли она земное или внеземное происхождение.

Простейшей гипотезой было, что радиация связана с радиоактивными элементами в земной коре и в воздухе, о существовании которых стало известно после исследований естественной радиоактивности Марией и Пьером Кюри. Земная природа наблюдаемой радиации была общей точкой зрения, однако добиться экспериментальных доказательств оказалось нелегко. Так, были предприняты большие усилия, чтобы создать транспортабельный электроскоп в венской метеорологической группе, лидировавшей в то время в измерениях ионизации в атмосфере. Однако окончательная разработка такого инструмента принадлежит иезуитскому священнику и ученому Теодору Вульфу. В электроскопе Вульфа два металлических лепестка были заменены стеклянными проволочками, напыленными металлом и растянутыми пружинкой также из стекла. Показания электрометра считывались с помощью микроскопа. В 1909 году Вульф создал этот электрометр для измерения скорости образования ионов внутри герметически закрытого контейнера и использовал его, чтобы определить уровень радиации на верху Эйфелевой башни (300 м над землей). Придерживаясь гипотезы земного происхождения большей части ионизации, он ожидал увидеть существенное уменьшение ионизации на верху башни по сравнению с ее величиной на уровне земли. Однако уменьшение скорости ионизации оказалось слишком малым для подтверждения этой гипотезы.

Юлиус Элстер и Ганс Гейгель

Наблюдения Вульфа были загадочны и требовали объяснения. Одним из возможных путей решения этой загадки было проведение измерений на больших высотах. К тому времени баллонные эксперименты использовались уже более 100 лет для исследования атмосферного электричества на высотах до 7000 м, и было очевидно, что именно они могут дать ответ на вопрос происхождения проникающего излучения.

Метеоролог Франц Линке совершил 12 баллонных полетов в 1900–1903 годах, поднимаясь до высоты 5500 м с электроскопами конструкции Элстера и Гейтеля. Опубликованный им отчет заключался словами: «...на высоте 1 км ионизация меньше, чем на поверхности, между 1 и 3 км имеет то же самое значение и становится больше в 4 раза на высоте 5,5 км... Ошибки измерений позволяют сделать только заключение, что причина ионизации должна быть найдена прежде всего в Земле». Никто позднее не ссылался на Линке — по-видимому, потому, что он сделал правильные измерения, но пришел к неправильному выводу.

Карл Бергвитц — ученик Элстера и Гейтеля — поднялся в 1909 году на аэростате на высоту 1300 м и обнаружил, что величина ионизации уменьшилась на 24% по сравнению с величиной на земле. Однако его результат был подвергнут сомнениям ввиду того, что электрометр сломался во время полета.

Примерно в это же время аналогичные результаты были получены Алфредом Гокелем, который поднимался до высоты 3000 м. Именно он впервые ввел термин «космическая радиация».

В 1911 году Виктор Гесс совершил свои первые два баллонных полета. Для них были предоставлены аэростаты австрийской армии. Целью уже самого первого полета было исследование зависимости проникающего излучения, приводящего к разряду электроскопа, от высоты. Гесс достиг высоты около 1100 м и не обнаружил существенного изменения в интенсивности радиации по сравнению с измерениями на поверхности Земли. Однако это указывало на существование какого-то источника радиации в дополнение к гамма-лучам, возникающим при радиоактивных распадах в земной коре. Первые шесть полетов 1912 года проводились с базы вблизи Вены начиная с 17 апреля, когда происходило частичное солнечное затмение. Достигнув высоты 2750 м, Гесс не обнаружил уменьшения проникающей радиации во время затмения. Напротив, он получил указание на ее увеличение на высоте около 2000 м.

7 августа 1912 года состоялся последний из семи баллонных полетов Гесса, которые он совершил в течение 1912 года. В них использовались три электроскопа Вульфа. Один из электроскопов был открыт на воздух. С учетом уменьшения давления этот электроскоп показал двукратное увеличение ионизации на высоте 4000 м по сравнению с ионизацией на поверхности Земли. Это было свидетельством того, что радиация попадает в атмосферу из внешнего пространства. Прежде чем доложить эти результаты, Гесс провел комбинированный анализ всех данных по своим полетам: на высотах выше 2000 м измеренный уровень радиации начинал расти; между 3000 и 4000 м количество ионов возросло на 4 пары; на высотах от 4000 до 5200 м увеличение достигало от 16 до 18 пар ионов. Выводы Гесса были такими: «Результаты представленных наблюдений наиболее легко могут быть объяснены в предположении, что излучение с очень высокой проникающей силой входит в нашу атмосферу сверху. Так как не обнаружено уменьшения излучения ни ночью, ни во время солнечного затмения, то трудно рассматривать Солнце в качестве источника этого излучения».

В 1913–1914 годах Вернер Кольстер подтвердил результаты и выводы Гесса, проведя измерения на высотах до 9200 м. Тогда же он обнаружил, что коэффициент поглощения космического излучения воздухом оказался в 8 раз меньше ожидаемого в случае, если бы это были гамма-лучи, однако не придал этому значения. Его последний полет состоялся в день начала первой мировой войны, надолго прервавшей исследования этого загадочного явления.

Итак, годом космической радиации является 1912 год. Виктор Гесс был удостоен Нобелевской премии «за открытие космических лучей» только в 1936 году. К тому времени его роль и фундаментальная важность этой «естественной лаборатории» стали очевидными. Термин «космические лучи» был введен в обращение Робертом Милликеном, который проводил измерения ионизации на больших глубинах и больших высотах. Он полагал, что первичные космические лучи являются гамма-лучами, т. е. энергичными фотонами, и предположил их рождение в межзвездной среде в результате слияния атомов водорода и превращения их в более тяжелые атомы. Однако в 1927 году Якоб Клей провел измерения космической ионизации на территории от острова Ява вблизи Австралии до города Генуя в Италии и обнаружил изменение интенсивности космических лучей в зависимости от широты, что было подтверждено и в других экспериментах. Уменьшение интенсивности космических лучей на экваторе указывало на то, что первичные космические лучи отклоняются геомагнитным полем и должны быть заряженными частицами, а не фотонами. В 1929 году Вальтер Боте и Вернер Кольхерстер обнаружили, что космические частицы способны пронизывать золотую пластину толщиной 4,1 см. Было очевидно, что это заряженные частицы.

Каков же знак заряда космических частиц? Бруно Росси в 1930 году предсказал различие между интенсивностями космических лучей, приходящих с востока и с запада, которое связано со знаком заряда первичных частиц. В нескольких независимых экспериментах было показано, что на самом деле интенсивность больше с запада, т. е. большая часть первичных частиц являются положительными. Проводя свои эксперименты, Росси открыл широкие атмосферные ливни частиц, но не изучил это явление в деталях. Позднее, в 1938 году, эти ливни, возникающие в результате взаимодействия первичных лучей с ядрами атомов атмосферы, были переоткрыты и изучены Пьером Оже. Во многих исследованиях с 1930 по 1945 год было показано, что первичные космические лучи являются в основном протонами, а вторичная радиация, возникающая в атмосфере, вызывается по большей части электронами, фотонами и мюонами. В 1948 году наблюдения с ядерной эмульсией, поднятой баллонами почти на границу атмосферы, показали, что приблизительно 10% первичных частиц — это ядра гелия (α-частицы) и 1% — это ядра более тяжелых элементов, таких как углерод, железо и свинец.

Заинтересованная общественность провожает Виктора Гесса в один из первых баллонных полетов

Загадка происхождения космических лучей не решена до конца по сию пору. В 1933 году Фриц Цвики и Вальтер Бааде первыми высказали гипотезу о том, что космические лучи рождаются при вспышках сверхновых звезд, которые, по современным представлениям, происходят при коллапсе звезд после выгорания всего термоядерного топлива. Эта гипотеза получила различные теоретические и экспериментальные обоснования, в том числе с помощью измерения нейтринного сигнала от вспышки сверхновой 1987 года, произошедшей в Большом Магеллановом облаке — спутнике нашей галактики Млечный путь.

Первые наблюдения треков релятивистских частиц из атмосферы провел Дмитрий Скобельцын. Им было показано, что импульсы этих заряженных частиц так высоки, что они не могут быть продуктами распада радиоактивных элементов. Скобельцын обнаружил также, что такие объекты часто появляются в камере Вильсона группами по несколько частиц. Это стало первым наблюдением ливней космических лучей.

Ученик Дмитрия Скобельцына Сергей Вернов разработал новый метод стратосферных исследований с помощью шаров-радиозондов, чем заложил принципиально новую экспериментальную базу для исследований. В 1935 году он выполнил измерения первичного космического излучения на высоте 13,6 км, используя счетчики Гейгера.

В 1932 году Карл Андерсон экспериментально обнаружил в космических лучах частицы, которые ведут себя, как электроны, но имеющие положительный электрический заряд. Так был открыт позитрон. «За открытие позитрона» Андерсон в 1936 году получил Нобелевскую премию.

После открытия позитрона космические лучи долгое время оставались фабрикой новых открытий. Так, в 1937 году был открыт мюон (μ-мезон), в 1947 — пион (π-мезон) и каон (K-мезон), в 1951 — Λ-гиперон и т. д. В 1965 году было экспериментально подтверждено существование реликтового микроволнового излучения, теоретически предсказанного Джорджем Гамовым в рамках теории Большого взрыва.