Кто раздевает атомы?

В наши дни трудно найти человека, ничего не слышавшего о космических частицах. В начале века о них не знал никто.

Однако уже тогда начали распространяться слухи о каких-то таинственных лучах, о разрушенных атомах, якобы обнаруженных в воздухе.

Это были удивительные находки. Среди полноценных атомов в воздухе попадались атомы с «ободранными» электронами!

Как обнажились атомы? Откуда в воздухе появлялись очаги электричества?

Тогда еще было свежо впечатление от наделавших много шума невидимых лучей Беккереля, открытых в 1896 году. Чудесная и поучительная история этого открытия долго обсуждалась в кругах ученых.

Французский физик изучал люминесценцию ураниловых солей, которые ярко светились в темноте, если их до этого выставить под лучи солнца. Беккерель предполагал, что солнце заставляет эти соли вместе с видимым светом испускать и рентгеновы лучи. Ему удалось доказать на опыте, что ураниловые соли при этом засвечивают фотопластинки, защищенные непрозрачной черной бумагой. Это показалось Беккерелю важным открытием, и он 24 февраля 1896 года доложил о нем Парижской академии наук.

Чтобы уточнить природу вновь открытого явления, Беккерель подготовил к опыту новую партию фотопластинок и, завернув их в черную бумагу, положил на каждую из них по пластинке, покрытой солью урана. Но природа воспротивилась намерениям ученого. Солнце скрылось, и надолго установилась пасмурная зимняя погода. Лишь в воскресенье 1 марта 1896 года выглянуло солнце.

Но Беккерель был опытным экспериментатором. Он не спешил. Прежде чем начать опыты, он проверил, не испортились ли пластинки за время долгого пребывания в столе.

Проявив несколько из них, он с величайшим удивлением увидел, что они потемнели, хотя ураниловые соли не освещались солнцем и, следовательно, не могли люминесцировать.

Да, Беккерель был настоящим исследователем. Он не прошел мимо странного случая, не отнес это за счет плохого качества фотопластинок. Ученый тщательно изучил все обстоятельства и установил, что урановая руда сама по себе испускает невидимые активные лучи, проникающие сквозь непрозрачные тела. Так сочетание случая, наблюдательности, логического мышления и экспериментального искусства ученого привело к открытию радиоактивности.

Радиоактивность стала модой, ею пытались объяснить все непонятные явления. И когда ученые обнаружили постоянное присутствие в воздухе атомов, потерявших один или несколько электронов, в этом прежде всего обвинили радиоактивность. Тем более что действительно небольшое количество радиоактивных веществ обнаружили в почве, в воде, в воздухе.

Вот на эти-то естественные радиоактивные загрязнения прежде всего и пало подозрение. Они-де испускают лучи, которые разрушают атомы воздуха и обрывают с них электроны, словно виноградины с кисти. Они и являются причиной того, что вместе с нейтральными атомами в воздухе встречаются отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные остатки разбитых атомов — ионы.

Вот почему воздух атмосферы слегка ионизирован, говорили большинство ученых мужей, многие из которых на месте Беккереля просто-напросто выбросили бы засвеченные фотопластинки в мусорный ящик.

Для них все было ясно, никакой таинственности, ведь радиоактивность уже открыта, стоит ли этим заниматься…

И скептики с удивлением наблюдали, как немногочисленные энтузиасты оставляли свои обжитые теплые кабинеты и отправлялись в самые немыслимые путешествия в разные места земного шара только ради того, чтобы выяснить причину заинтересовавшего их явления.

И что же? Эти чудаки возвращались торжествующими! Да, их подозрения относительно странной ионизации воздуха оказались не напрасными.

Выяснилось, что над пустынным океаном ионизация воздуха лишь немного меньше, чем над сушей, а на вершинах гор она заметно больше, чем на равнинах. Но теперь возникали новые вопросы. При чем здесь радиоактивность почвы и воды? Может быть, все же виновата радиоактивность воздуха? Нет, измерения и расчеты неоспоримо показали, что она слишком мала и не может вызвать наблюдаемую ионизацию. Значит, твердили чудаки, нужно искать другую, неведомую еще причину таинственного разрушения атомов воздуха.

И поиски продолжались. Но еще долго все попытки обнаружить ионизирующий фактор или открыть механизм ионизации, действующий в горах сильнее, чем в низменностях, не приводили к успеху. Загадка казалась неразрешимой.

Вот тогда-то австрийский ученый Гесс высказал парадоксальную догадку о том, что причину ионизации атмосферы надо искать не на Земле. Причиной является излучение, приходящее из космоса. Что представляет собой это излучение, откуда оно исходит, из чего состоит, каков его характер, какие последствия, кроме ионизации воздуха, оно вызывает — на эти вопросы в то время, а это происходило в первое десятилетие нашего века, ни Гесс, ни другие ученые ответить не могли. Да и как бы они могли ответить, если экспериментальная техника того времени была весьма несовершенной. Век электроники только начинался.

Найденный мир

Попробовав суп на вкус, невозможно что-либо сказать о его химическом составе, о наличии в нем витаминов и ферментов. Язык — слишком несовершенное орудие для такого анализа.

Первые опыты с неизвестным излучением делали при помощи очень примитивных приборов. В то время самым острым оружием для таких экспериментов была стеклянная, герметически закупоренная банка, в которой дышали два тоненьких, напоминающих крылья порхающей бабочки листочка фольги. Они были подвешены к металлическому стержню, проходящему сквозь пробку банки. Если банка попадала в очаг электричества, металлический стержень тотчас передавал заряд крылышкам. А те, как и положено одноименно заряженным телам, отскакивали друг от друга. И тем сильнее, чем больше был их заряд. Так по взмаху крылышек ученые определяли, конечно, очень приблизительно, степень ионизации среды, окружающей банку.

Захватив с собой столь несовершенных помощников, первые энтузиасты высотного излучения, как его тогда называли, пробирались поближе к вершинам гор, погружались в кристально чистые горные озера или спускались под землю в глубокие шахты. Ученые ездили к студеному полярному морю или плыли вдоль экватора. Они поднимались даже на воздушных шарах, что требовало в то время немалого героизма, или, на худой конец, забирались на колокольню либо пожарную каланчу. Короче говоря, они пробирались, вооруженные чуткими крылышками, туда, где, по их расчетам, не было естественных радиоактивных загрязнений, которые могли влиять на ионизацию воздуха и тем самым спутать им все карты.

И конечно, толкала их вперед не жажда приключений или любовь к туризму. Их влекло в мир непознанного стремление разгадать тайны, которыми так богата природа.

Как почти в любой области знания, ученые прошли полосу ошибок и заблуждений. Если им удавалось ценой больших усилий провести точный эксперимент (точный в пределах очень небольших возможностей техники того времени), то подводила разноречивость сведений, собранных различными исследователями, противоречивость их выводов о существе открытия.

Удачи и ошибки складывались, вызывая все больший интерес к новому явлению. И надо сказать, что удачи были очень скромны и малоэффектны, а потому вначале почти незаметны. Зато вокруг ошибок всегда клубились споры и дискуссии. Сколько шума, например, наделала гипотеза американца Милликена, которая затем оказалась ошибкой!

Начал Милликен с большой удачи: ему посчастливилось правильно определить мощность нового излучения, что было нелегко. Но когда он попытался понять природу явления, то поддался на приманку эффектной аналогии.

Милликен, по-своему взвесив результаты опытов, пришел к выводу, что космическое излучение подобно свету. Но отличается оно от света тем, что испускается не поверхностью Солнца и звезд, а рождается в их недрах. Он думал, что в недрах звезд ядра атомов сжаты таким колоссальным давлением и накалены до столь чудовищной температуры, что полностью преобразуются в кванты мощного, проникающего излучения, аналогичного гамма-лучам радия.

Но впоследствии оказалось, что Милликен не заметил в своей теории существенной ошибки. Если бы все было так, как он предполагал, то ни Солнце, ни звезды не могли бы существовать. Они были бы неустойчивы. Давление гипотетического излучения не могло быть уравновешено силами притяжения.

Со временем было установлено, что космические лучи вовсе не электромагнитное излучение и совсем не подобны ни свету, ни рентгеновым или гамма-лучам. Но тогда…

Началась и кончилась первая мировая война. В России победно отгремела революция. А в области физики космических лучей все по-прежнему было ново и неизведано, все по-прежнему оставалось на грани догадки, смелой гипотезы. Недаром после первых шагов еще лет десять длился спор о самом существовании космического излучения. В это время большинство ученых всего мира резко критиковало догадки Гесса или обходило их молчанием, предпочитая заниматься более насущными научными проблемами. Лишь немногие, самые упорные, старались разобраться.

Кого же из них назвать? Мысовский и Вериго в СССР, Гесс в Австрии, Кольхерстер и Регенер в Германии да еще несколько имен. Но уж они-то были полностью увлечены загадкой внеземного излучения. Лишь они угадывали за немногочисленными и малопонятными фактами возможность ответа на самые сокровенные загадки космоса. Им хотелось во что бы то ни стало ухватиться за неуловимую ниточку, чтобы распутать клубок космических проблем.

Но исследование высотного излучения было лишь второстепенной задачей среди научных проблем первой четверти XX века. Начало нашего столетия принесло физикам много блестящих побед. Одна за другой под напором человеческой мысли распахивались двери в неведомое, трещали и рушились стены прекрасного и, казалось, незыблемого здания классической физики… На научном небосводе вспыхнули имена Планка, Эйнштейна и других творцов современной физики, изменивших понятия человека об энергии, пространстве, времени и массе. Вместо прежних механистических взглядов на природу пришли новые глубокие идеи о прерывности электромагнитной энергии, об атомах света, о взаимодействии вещества и энергии, о связи пространства и времени и делимости атомов вещества на еще более элементарные частицы… Ломались устоявшиеся представления, ученые привыкали смотреть на мир новыми глазами.

Естественно, что передовые идеи не могли не отразиться на зарождающейся области физики, не могли не скреститься под новым углом зрения, не могли не повлиять на подход к непонятному явлению и методы его анализа. Эти идеи принес в новую область знаний молодой советский ученый Дмитрий Владимирович Скобельцын.

Скобельцын родился в семье профессора физики. Поэтому он вошел в науку с запасом лучших традиций русских ученых. Он происходил из семьи, настроенной в политическом смысле революционно, поэтому не боялся и в исследованиях ломать устаревшие взгляды и допотопные методы.

Это, возможно, стало предпосылкой его замечательных достижений в зарождающейся науке о космических лучах.

Следы в тумане

Началась вторая четверть XX века. Тридцатичетырехлетний Скобельцын не избег увлечения модными в то время работами знаменитого ученого Комптона, который изучал взаимодействие рентгеновых лучей с веществом. И действительно, опыты Комптона были так заманчивы, что не могли не привлечь самого острого внимания, не могли не будить воображение настоящего ученого.

Американский физик, изучая взаимодействие рентгеновых лучей с веществом, получил возможность воочию убедиться в характере отношений, царящих в микромире.

Вот квант рентгеновых лучей, подобно невидимому бильярдному шару, со скоростью света налетает на электрон — второй шар — и приводит его в движение. Столкнувшись, квант отдает электрону часть своей энергии.

Но сколько квант отдает и сколько оставляет себе? Было ясно, что величина переданной энергии зависит и от первоначальной энергии рентгеновского кванта и от направления, в котором полетит электрон.

Но Комптону никак не удавалось точно измерить энергию, получаемую электроном в отдельном акте взаимодействия. Ни он, ни другие ученые, бившиеся над этой задачей, не могли надежно оценить такую малую порцию энергии. Эту цель и поставил перед собой Скобельцын, решивший во что бы то ни стало проверить теорию Комптона прямым экспериментом.

Он хотел измерить величину отдельных атомов энергии и надежно подтвердить предположение о прерывистой природе электромагнитной энергии. Кроме того, электроны невидимы, а ученому хотелось увидеть весь акт собственными глазами. Но как это сделать?

Скобельцын решил воспользоваться для этого одним остроумным прибором. Прибором, который умел невидимое сделать видимым. Описание его работы похоже на парадокс: в приборе образуется туман, помогающий видеть. В современном исполнении вместе с системой автоматического управления камера Вильсона (так называется прибор) напоминает заряженное ружье, готовое выстрелить при нажатии курка. Курком служит невидимая частица, несущая на себе электрический заряд. Попав в камеру Вильсона, наполненную смесью аргона с парами воды и спирта, она разбивает на своем пути встречные молекулы, образуя ионы. И те невидимой цепочкой выстраиваются вдоль пути частицы. На этих ионах осаждаются капельки воды, прочерчивая четкий туманный след невидимой частицы.

Так Дмитрий Владимирович решил первую часть задачи: увидел след электрона. Но сказать что-либо о взаимодействии электрона с электромагнитным полем ученый по-прежнему не мог.

Перебирая множество способов измерить силу взаимодействия таких невидимых глазу объектов, как электрон и отдельный квант энергии, Скобельцын, возможно, вспомнил увлекательную игру, называемую китайским бильярдом.

В наклонной доске сделаны лунки. Играющий, толкая шарик, лежащий в гнезде в нижней части доски, должен загнать его в лунку. Шарики, двигаясь по доске, описывают кривые линии. Чем медленнее начинает свое движение шарик, тем больше искривлен его путь. Если толкнуть шарик сильно, то есть сообщить ему большую начальную энергию, он покатится по более пологой кривой. Сила, искривляющая путь шарика, — это сила притяжения. Если доска китайского бильярда лежит горизонтально, то играть невозможно. Шарики будут двигаться по прямым, как в обычном бильярде, и в лунки не попадут — специальная загородка не позволяет толкать их прямо к лункам.

Но если шарики сделать из железа, а вблизи доски поместить сильный магнит, игра вновь приобретает смысл. Теперь магнитное поле, заменив поле тяжести, будет искривлять пути шариков.

Очень похожий по смыслу опыт и был задуман Скобельцыным. Он решил поместить в магнитное поле… камеру Вильсона. Вместо шариков использовать электроны, а роль толкачей поручить квантам гамма-лучей радия.

Так он и поступил. Взял достаточно сильный магнит, поместил между его полюсами камеру Вильсона и пропустил через нее гамма-лучи радия. Лучи, встречая на своем пути атомы вещества, заполняющего прибор, выбивали из них электроны. Чем большую энергию несли с собой лучи, тем большую скорость движения приобретали электроны, тем меньше искривлялся их путь под влиянием магнитного поля.

Теперь ученый получил возможность по характеру искривления путей электронов, следы которых появлялись в приборе, и по углам их вылета из атомов судить не только об энергии электронов, но и об энергии квантов исследуемых лучей.

Это был остроумный и точный способ измерения энергии не только электронов, но любых заряженных микрочастиц. Весть о нем быстро облетела весь научный мир.

Комптон направил молодому советскому ученому письмо, в котором поздравил его с изобретением нового метода и с важными для науки результатами опыта.

Новый метод широко вошел в практику физических лабораторий. Он дал в руки ученых способ, которым по кривизне следа электрона или другой заряженной частицы можно определить не только знак заряда, но и энергию частицы. То есть можно опознать ее!

Впоследствии метод Скобельцына помог ученым познакомиться с целой плеядой микрочастиц. Но это пришло позже. Когда же Скобельцын впервые применил свой метод, это прежде всего помогло родиться науке о космических лучах.

Невидимый дождь

Однажды, проводя очередной опыт при помощи камеры Вильсона, Скобельцын разглядел частицу, которая летела в сотни тысяч раз быстрее, чем пуля или снаряд! Дмитрий Владимирович обнаружил след заряженной частицы, путь которой вопреки обыкновению не искривлялся магнитным полем, созданным в камере.

«Ого! — подумал ученый. — Так может вести себя только частица с очень большой энергией. Даже магнитное поле не может отклонить ее с пути! Откуда же она могла взяться?..»

Его измерения показали, что ни один из известных земных радиоактивных источников не мог испустить частицу со столь высокой энергией.

Скобельцын пришел к выводу, что наблюдаемое им явление неземного происхождения. Следы вели в космос.

Постепенно Скобельцын и ученые, продолжавшие изучать причину ионизации атмосферного воздуха, поняли, что наблюдаемые ими явления тождественны; что предполагаемые космические лучи не электромагнитное излучение неизвестного типа, а поток заряженных частиц. Так теперь их и называют частицами космических лучей, напоминая прошлую ошибку и разъясняя действительное положение вещей.

С того памятного дня, когда первая космическая частица залетела в прибор Скобельцына, ученый попал в плен увлечения космическими лучами. И он перенес свою работу в область физики космических частиц и увлек за собой своих учеников.

Так была заложена основа советской школы специалистов в науке о космических частицах. Так было посеяно зерно, выросшее со временем в ветвистое дерево физики космических частиц.

Началось систематическое изучение космических частиц. Наблюдая в камере Вильсона сотни, тысячи быстрых космических частиц, изучая форму их следов, определяя их массу, энергию, заряд и другие данные, ученые узнали, что большинство космических частиц — это ядра водорода, протоны. Меньшинство — ядра других элементов. Ученые убедились, что космические частицы не такая уж редкость. Но прежде чем они достигнут поверхности Земли, в атмосфере происходят миллиарды столкновений между ними и атомами воздуха. При этом завязываются и разрываются невидимые связи между космическими частицами и электромагнитными полями атомов.

Ведь только нам, жителям большого мира, кажется, что воздух прозрачен и бесплотен. Для космических частиц, обитательниц микромира, воздух густ, как самый дремучий лес, полон препятствий, насыщен силами притяжения и отталкивания.

Космическая частица, попав в земную атмосферу, испытывает каскад удивительных превращений. Например, столкнувшись с ядром атома азота или кислорода воздуха, она может разбить его и породить новые частицы, передав им свою энергию. Те, в свою очередь, тоже могут разбить ряд ядер. Так по мере приближения к поверхности Земли постепенно увеличивается число частиц. Лавина растет, охваченная порывом этой своеобразной цепной реакции.

Наиболее прозорливые ученые поняли, что в разгадке свойств космических частиц содержится ответ не только на космические проблемы, но и на чисто земные вопросы. И в частности, в них таится возможность подхода к тайнам строения атомного ядра. Эти ученые решили использовать космические частицы как орудие для разрушения атомных ядер.

Очень хорошо, рассуждали они, что космос позаботился доставить нам частицы колоссальных энергий. Ведь мы еще не умеем у себя на Земле фабриковать такие снаряды. Используем же их в качестве своеобразного молотка, разбивающего атомы, или в качестве микроскопической бомбы, взрывающей ядра материи, — и посмотрим, что у них внутри!

Ведь при попадании первичной космической частицы в атмосферу рождаются массы разнообразных частиц, и среди них могут быть еще неизвестные! Кроме того, космические частицы обладают такой колоссальной энергией, что, влетев в земную атмосферу, не только «сдирают» электроны с попавшихся по пути атомов, но и вдребезги разбивают ядра некоторых из них. И если суметь проанализировать процессы ядерных и электромагнитных взаимодействий при таких высоких энергиях, можно, наконец, пролить свет на структуру материи, ее элементарных частиц!

Но чтобы «взвесить» все эти вновь рожденные частицы, определить их массу, энергию, скорость, ученым приходилось быть не менее изобретательными, чем их коллеги, которые решали задачу о взвешивании Земли и других планет.

Однако техника эксперимента совершенствовалась. В помощь камере Вильсона появились и другие приборы: автоматические установки с ионизационными камерами, в которых космические частицы вызывали электрический разряд разной величины; фотоэмульсии, в которых благодаря почернению зерен серебра можно было выследить почти всех участников микроскопической катастрофы; счетчики Черенкова и различные комбинации этих приборов с радиотехническими схемами.

Постепенно ученым удалось не только «увидеть» самое космическую частицу, не только измерить ее массу, скорость и энергию.

Настал день, когда ученые увидели, как, разбив встречный атом, космическая частица родила позитрон — еще никем не виденную частицу.

Непокорный джинн

Это не было очередным открытием. Или очень интересным открытием. Или даже чрезвычайно важным открытием. Это был смерч в без того бурном океане науки. С крошечным позитроном в мир привычных образов ворвался мир античастиц. Загадочный антимир.

Молодой английский физик Поль Дирак, к имени которого теперь недаром прибавляют «гениальный», весьма интересовался электроном. Он не рассматривал его в камере Вильсона, не пытался подстеречь его встречу с квантами гамма-лучей. И не потому, что камеры Вильсона тогда не было. И не потому, что он не был знаком с работами Скобельцына. Нет, они жили и работали в одно время. Просто Дирак был «чистым» теоретиком. И все опыты с электроном он проводил в уме или на бумаге.

В то время ученые очень мало знали об отношениях электрона и электромагнитного поля и совсем ничего не знали о его внутреннем строении. Они не могли и до сих пор не могут точно сказать, что он собою представляет. То ли это точечная частица, то ли более сложный объект, обладающий определенными размерами. Имеет ли он массу или, как считал видный английский ученый Дж. Дж. Томсон, электрон представляет собою просто сгусток электрического поля. Об электроне ученые говорили только вопросами. Например, почему он не разрывается из-за отталкивания отдельных частей его заряда? Ведь одноименно заряженные тела, должны отталкиваться — этот закон классической физики еще не терпел поражения. Какие же неведомые силы не дают электрону распасться?

Непонятны физикам оставались законы движения электрона как в атоме вещества, так и в свободном пространстве.

Еще в течение второго десятилетия нашего века все казалось ясным. Строение атома легко воспринималось как подобие солнечной системы — вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, по эллиптическим орбитам движутся электроны. Но не успела начаться вторая четверть века, как от этой ясности не осталось и следа. Орбиты, придуманные Бором, оказались фикциями, и, хотя эти слова еще применялись, физики знали, что это только жаргон, условное наименование, означающее часть окрестности ядра, в которой находится электрон. Можно представить себе, что мы фотографируем быстро движущийся электрон. Даже самый быстрый затвор не даст моментальной фотографии. Если такой опыт можно было бы выполнить, на пластинке оказалось бы туманное облако, окружающее ядро. Электрон побывал в каждой точке этого облака, но в какой момент и как долго он был в данной точке, определить нельзя. Электрон ускользал из самых хитроумных математических построений, и невозможно было определить, где и с какой скоростью он движется в данный момент.

Это была какая-то чертовщина. Если бы речь шла о движении обычного камня, можно было написать целую поэму в формулах. А электрон не уживался ни в одном уравнении. Он все время вступал в противоречие с окружающей средой.

Дирак упорно пытался найти истинный закон поведения электрона, написать хотя бы уравнение его движения в свободном пространстве.

И такое уравнение он, наконец, написал. Это было в 1928 году. Но, как ни странно, на первых порах ни он сам, ни другие ученые не обрадовались этой находке. Вопрос не стал от нее яснее. Напротив…

Отрицательные рыбы

Уравнение Дирака повело себя как непокорный джинн, неосторожно выпущенный из бутылки. То, что прочли ученые в этом уравнении, показалось им, мягко выражаясь, недоразумением. Более крепким словом они не хотели обидеть автора. Наравне с реально существующим отрицательно заряженным электроном в нем занял равноправное место положительный электрон! «Не парадокс ли это?» — думал невольный виновник этого странного открытия. Дирак вовсе не искал эту частицу. Он даже не подозревал о ее существовании.

Таких частиц в природе вообще никто не встречал. Если обычный электрон отталкивается от отрицательно заряженного тела, новый, дираковский электрон должен им притягиваться. Если в магнитном поле «старый» электрон побежал бы в одну сторону, «новый» свернул бы в другую. Из уравнения смотрел невиданный, удивительный, положительный электрон.

Когда ученый создавал формулу еще не познанного явления, у него в мыслях даже намека не было на столь странную частицу. Не удивительно, что прошло несколько лет, а ученый все еще ничего не мог объяснить коллегам. Как сказал один физик: «В течение нескольких лет существовал заговор молчания относительно этих неприятных решений релятивистского уравнения Дирака».

Но вскоре сомнения разрешил сам Дирак. Он вдруг вспомнил задачку, которую решал в дни студенчества.

То ли это просто легенда, то ли так было в действительности, но физики любят рассказывать, как Дирак удивил всех на рождественском конкурсе, ежегодно организуемом Кембриджским студенческим математическим обществом. Участникам конкурса была предложена, казалось, простенькая задачка. Ее, возможно, давно забыли бы и участники конкурса и сам Дирак, если бы она не послужила косвенной причиной открытия антимира. Вот эта задача.

Трое рыбаков рыбачили в темную ненастную ночь. Вместе с уловом они остались на необитаемом острове, чтобы дождаться утра. В середине ночи буря утихла, и один из рыбаков решил покинуть остров, захватив с собой свою треть улова. Ему не хотелось будить остальных. Он разделил добычу на три равные части, но при этом одна рыба осталась лишней. Выбросив ее в море и забрав свою треть, он покинул спящих. Вскоре после этого проснулся второй рыбак, который совсем не подозревал, что один из его товарищей уже ушел, и снова начал делить улов. Как и первый рыбак, он разделил всю рыбу на три равные части, и у него тоже одна рыба оказалась лишней. Выбросив эту лишнюю рыбу в море, он забрал свою часть улова и уплыл. То же сделал и третий рыбак, проснувшись несколько часов спустя: он снова поделил оставшуюся рыбу на три равные части, и опять у него оказалась одна лишняя.

От участников конкурса требовалось найти число рыб, которое удовлетворяло бы условиям этой задачи.

Каково же было изумление жюри, когда оно прочло ответ студента Дирака. По его решению, рыбаки выловили минус две рыбы! Но этот несуразный ответ удовлетворял всем условиям задачи!

Возможно, этих-то отрицательных рыб Дирак и вспомнил, когда неумолимые законы природы подсунули ему невиданную частицу. Тогда-то Дирак и представил научному миру свою странную находку и уверенно заявил, что электроны с отрицательной энергией столь же реальны, как электроны с энергией положительной. Но это не обычные электроны, а позитроны — частицы, во всех отношениях подобные электронам, но несущие положительный заряд.

Более того, ученый огорошил своих коллег предположением, что все частицы в природе существуют парами, что каждой заряженной частице соответствует своя античастица с такой же массой, но с зарядом противоположного знака. Дирак справедливо решил, что если существует пара для электрона — позитрон (так назвали антиэлектрон), то должна существовать и пара для протона. Если существуют атомы водорода, должны существовать и атомы антиводорода. То есть в природе наравне с веществом должно равноправно существовать и антивещество.

Итак, как сказал знаменитый швейцарский физик Паули, «тонкое природное чутье физика помогло Дираку начать свои рассуждения, не зная, что они приведут к теории, которая обладает точной симметрией по отношению к знаку заряда, в которой энергия всегда положительна и в которой предсказывается рождение и аннигиляция пар».

Уравнение Дирака толкало ученых на путь удивительных открытий.

Каскад сенсаций

И действительно, еще свежо было впечатление от феноменального открытия Дирака, еще памятны были годы молчания, которым деликатно обходили физики дираковское уравнение, когда американский ученый Андерсон впервые увидел след положительно заряженного электрона, рожденного в камере Вильсона при прохождении через нее космической частицы. Его путь искривлялся магнитным полем в направлении, противоположном пути обычного электрона. Все остальные признаки совпадали. Несомненно, это был тот самый позитрон, существование которого гениально предсказал Дирак.

Это было в 1932 году. Появление позитрона стало мировой сенсацией, гвоздем четвертого десятилетия нашего века. Двери в антимир были открыты. Физики ринулись открывать новые «земли». Они с упоением отдались поискам других частиц и античастиц.

Камера Вильсона решила, видно, сыграть роль рога изобилия. И вслед за первой сенсацией породила вторую, потом третью, четвертую… целый каскад новых элементарных частиц и античастиц.

Охотники за космическими частицами еще ниже склонились над своими установками. Они стали еще пристальнее рассматривать фотографии, испещренные толстыми и тонкими, еле видными и отчетливыми линиями — следами промелькнувших космических частиц и осколков разбитых атомов. Физики проявляли чудеса наблюдательности, копаясь в путанице ничего и никому, кроме них, не говорящих следов. И наконец — это было в 1936 году — Андерсон и Неддермайер разглядели еще одну, никем из людей не виденную частицу. Она двигалась проворнее протона, но солиднее электрона. Она была легче первого, но тяжелее второго. Так ее и назвали — «мезон», что значит по-гречески «промежуточный».

Судьба этой частицы очень напоминает судьбу дираковского позитрона. Мезон тоже был введен в науку пером физика-теоретика. Японский ученый Юкава в 1935 году при разработке теории ядра был вынужден ввести особое поле ядерных сил, квантами которых, по его расчету, должны являться особые частицы, масса которых составляет около 200 масс электрона, то есть была примерно в 10 раз меньше массы протона.

Давно уже не было секретом, что делим не только сам атом, но и его ядро, что, когда космическая частица прямым ударом разбивала ядро, оно разлеталось на осколки — ядра более легких атомов и одиночные протоны и нейтроны. Протоны ни в ком особого интереса не вызывали. Это были давно известные ядра атомов водорода, из которых природа лепит ядра более тяжелых элементов. Нейтроны, эти нейтральные, незаряженные частицы, тоже уже были знакомы ученым. Но что являлось действительно тайной за семью печатями, так это вопрос о том, как протонам и нейтронам удается сплестись в столь прочный клубок, как атомное ядро. Ведь это не дом, где кирпичи связаны известью; не дерево, пронизанное волокнами; не живой организм из клеток. Что же это такое — атомное ядро? Что связывает его в единое целое? Короче, какова природа ядерных сил, преодолевающих электрические силы отталкивания положительно заряженных протонов?

И Юкава ответил на этот вопрос просто и гениально. Он сказал… Впрочем, представьте себе такую картину. Вдоль дороги идут двое. Не останавливаясь, они все время перебрасывают друг другу мяч. Из-за этого они не могут отойти друг от друга дальше некоторого определенного расстояния. Если издали смотреть на этих людей, то мяча не видно и можно подумать, что эти двое просто дружески беседуют, по-приятельски идут рядом и что их удерживают друг около друга некие силы притяжения.

— Подобные силы притяжения и испытывают протоны и нейтроны в атомном ядре, — сказал Юкава. — Они могут без отдыха биллионы веков «играть в мяч», перебрасываясь мезонами, пока какой-нибудь снаряд, вроде космической частицы, не нарушит это приятное занятие. Тогда, выронив «мяч», протоны и нейтроны брызнут из ядра, и оно погибнет. При этом можно обнаружить и мезоны.

Эту драматическую ситуацию ученым и удалось подстроить и подстеречь в своих приборах. Они стали свидетелями представления, разыгравшегося за кулисами микромира, и смогли увидеть ее актеров без масок.

Так они познакомились с мезоном.

Один в трех лицах

Однако вскоре выяснилось, что мезоны Андерсона и Неддермайера, масса которых равна 207 электронным массам, — это не мезоны Юкавы. Это другие частицы. Было установлено, что они не участвуют в образовании ядра и по поведению скорее напоминают электроны. Но в отличие от электронов эти мезоны (теперь их называют мю-мезонами) неустойчивы. Через миллионную долю секунды после своего рождения они распадаются на электрон и два нейтрино, уносящие с собой энергию, соответствующую примерно 200 массам электрона.

А что же мезон Юкавы? Ошибка, заблуждение ученого? Или, как позитрон Дирака, он явился слишком рано, опередив возможности эксперимента? Да, мезон, найденный Юкавой на бумаге, был открыт в действительности лишь через 10 лет английским ученым Поуэлом, который применил новую экспериментальную методику.

Новым окном в природу была толстая фотографическая эмульсия, внутри которой после проявления возникали следы самих космических частиц и тех частиц, которые они выбивали из ядер атомов, входящих в фотоэмульсию.

Частицы, открытые таким образом в 1947 году, имели массу, близкую к вычисленной Юкавой.

Оказалось, что этот мезон, его назвали пи-мезоном, существует в трех разновидностях — два из них, заряженные (положительный и отрицательный), в 273 раза тяжелее электрона, и третий — нейтральный, масса его составляет 264 электронные массы. Они действительно участвуют в образовании связей между ядерными частицами — протонами и нейтронами.

Эти частицы еще неустойчивее, чем мю-мезоны. Заряженные пи-мезоны живут лишь одну стомиллионную долю секунды, распадаясь на мю-мезон и нейтрино. Нейтральный пи-мезон живет еще в 100 миллионов раз меньше. Именно поэтому пи-мезон — ядерный мезон Юкавы — был открыт позже мю-мезона, на некоторое время сбившего ученых на ошибочный путь.

Но, как говорят, лиха беда — начало. За первым мезоном, действительно как из рога изобилия, посыпались другие элементарные частицы. Стала популярной шутка академика Вавилова: «Каждый сезон приносит новый мезон». И это верно отражало положение дел.

Так ученые при помощи космических лучей нашли новый путь изучения строения атомного ядра.

На крыше мира

…Вблизи высочайших вершин Восточного Памира, в семнадцати километрах от озера Ранг-Куль, около которого расположена пещера сокровищ Мата-Таш, находится большое здание Памирской станции Физического института Академии наук СССР и разбиты полевые лаборатории экспедиции физиков. Здесь не замирает научная жизнь: проводятся семинары, аккуратно идут дежурства в домиках-лабораториях.

Обслуживание разнообразных приборов требует от участников экспедиции самой широкой подготовки. Они должны быть искушены не только в науке о космических лучах, но и в оптике, радиотехнике, автоматике, фотографии. А руководитель группы широких атмосферных ливней доктор физико-математических наук Зацепин в первые годы существования Памирской базы был домашним врачом экспедиции. Он с успехом вправлял вывихи, вытаскивал из глаз соринки и даже, пользуясь справочником, лечил воспаление легких…

Сейчас на Памире имеются прекрасные помещения с водопроводом и автоматической телефонной станцией, а к услугам штатного врача — первоклассное оборудование. На территории экспедиции разбросаны десятки маленьких домиков-лабораторий.

Одни из них напоминают мастерские, где чинят радиоприемники и телевизоры. На столах, на полу громоздятся всевозможные наполовину разобранные приборы. Это обитель электронщиков.

В других в темноте колдуют фотоспециалисты, проявляя целые фильмы о космических частицах.

В третьих царствуют автоматы, по размерам не уступающие книжным шкафам. Их панели сплошь усеяны нумерованными глазками перемигивающихся красноватых лампочек. Панель с лампочками и остроумным радиотехническим устройством вместе со специальными счетчиками образует годоскоп — систему для ловли «капель», составляющих ливни космических частиц.

Вот загорелась пятая лампочка — значит частица прошла через пятый счетчик. А вот сработал десятый, третий, восьмой…

Так прослеживается путь частиц в ливнях. В некоторых советских годоскопах применяются тысячи счетчиков. За мигающими лампочками, конечно, не уследишь. Да это и не нужно. Смена годоскопических картин фиксируется на кинопленке, которая затем тщательно, не спеша изучается дома, в московской лаборатории.

Несъедобный студень

В лабораторию Физического института имени Лебедева Академии наук СССР стекаются результаты опытов Памирской и других экспедиций физиков, завозятся стопки фотопластинок и целые бочонки со студнем фотоэмульсии, летавшие на шарах-зондах и самолетах.

Чтобы определить энергию ливня, надо подробно изучить проявленную фотоэмульсию. Справиться с такой задачей иногда просто не по силам ученым одной страны. И космики объединяют свои усилия. Они разрезают необычный студень на куски и рассылают в разные страны. Немало времени потратили и советские ученые, разрезая куски студня, прибывшие к ним из Англии, Венгрии, Польши и других стран, на тончайшие листики, подобные фотопластинкам, и прослеживая в них отпечатки микроскопических катастроф.

Если вы когда-нибудь попадете в Физический институт имени Лебедева, зайдите в лабораторию космических частиц, которой заведует один из многих учеников Скобельцына, профессор Николай Алексеевич Добротин. Там в комнате, похожей на медицинскую лабораторию, вы увидите ряд столов с микроскопами и коробками с образцами. Поинтересуйтесь, что так внимательно разглядывают в объектив девушки-лаборантки, что они аккуратно записывают время от времени в тетрадь?

И если вы заглянете в микроскоп, то увидите множество темных крупинок. Одни из них сливаются в сплошную линию, другие разбросаны без всякого порядка.

Плавно поверните винт фокусировки микроскопа…

После первых минут неразберихи станут явственно проступать следы частиц. Если вы увидите следы, расходящиеся в разные стороны из одной точки, считайте, что вам повезло. Вам попалась «звезда» — результат прямого попадания космической частицы в ядро атома эмульсии.

Вглядитесь в «звезду» — вот короткий и толстый след, его могла оставить только тяжелая и медленная частица. Это мог быть протон. А этот длинный пунктирный принадлежит легкой и быстрой частице, наверно, электрону. Лаборант должен измерить длину следа, угол, под которым разлетелись осколки ядра и вновь рожденные частицы. А это позволит рассчитать массу, энергию, скорость частицы — виновницы ядерной «катастрофы». Сколько обнаружено взрывов, столько и расчетов. Долгий, кропотливый труд!

…К 1947 году список элементарных частиц, который в начале века состоял из электрона, протона и кванта света — фотона, заканчивался цифрой «14».

К этому времени на Земле не осталось уже ни одного физика, который сомневался бы в целесообразности нового научного направления. Так смело, так плодотворно оно заявило свое право на жизнь.

Более того, стало ясно, что это одно из важнейших направлений современной физики, что оно открывает важную дорогу в царство атомного ядра.

Так постепенно космические лучи стали важнейшим орудием глубокой разведки недр материи.

Ливень в ловушке

Космические частицы развернули перед учеными новые, трудные, увлекательные и спорные страницы жизни микромира. То, что касалось их действий в атмосфере, было уже наполовину открытой книгой. И ученые читали ее успешно. Было уже ясно, что космические частицы обладают огромной энергией: их удары по атомам воздуха по силе могут в масштабах микромира сравниться с атомной бомбардировкой. От одной космической частицы иногда возникают целые ливни частиц, которые, в свою очередь, обладают большими разрушительными свойствами.

Но о себе космические частицы рассказывали очень неохотно. Физики никак не могли получить сведения о самих первичных частицах, тех, которые вызывают цепную реакцию в ливнях.

Казалось, что может быть проще: оценив общую энергию частиц ливня — ученые уже умели это делать, — судить об энергии первичной частицы, породивший такой фейерверк. Но… тут на пути исследователей встала неожиданная трудность. Ведь на уровне моря число вторичных частиц достигает миллионов, и ловить их пришлось бы на площади в несколько километров. Ясно, что этот путь ведет в тупик. Строить счетчики такого размера технически нецелесообразно. Даже на вершинах гор, где «цепная реакция» ливня еще не развилась в полной мере, число частиц, входящих в один ливень, составляет сотни тысяч.

Как же с ними справиться? Какими приборами их уловить? Может быть, поймать самое первое столкновение?

Но для того чтобы поймать самое первое столкновение на пороге земной атмосферы, исследователи должны были бы поднять свои приборы на аэростатах или ракетах как можно выше, и при этом они столкнулись бы с новой трудностью. Оказывается, количество первичных космических частиц очень невелико. Поэтому на больших высотах, где ливень разлился еще недостаточно, поймать космическую частицу почти невозможно. Здесь, работая с установками малых размеров, пришлось бы ждать частицу… сто лет. Или нужны были бы установки размерами в километры, чтобы за короткое время уловить хотя бы одну первичную частицу.

Значит, надо было создавать более сложную аппаратуру, поднимать ее как можно выше и оставлять в воздухе как можно дольше.

Интересно, что сама мысль о том, что космические частицы надо изучать в верхних слоях атмосферы и еще выше, что частицы, падающие на Землю, лишь потомки настоящих первичных космических лучей, возникла гораздо раньше, чем ее можно было доказать. Техника воздухоплавания долго тормозила развитие физики космических лучей.

Космическая эра началась лишь в 1957 году, но физика космических лучей и раньше всеми силами набирала высоту. И в горах, и на самолетах, и на воздушных шарах шла интенсивная ловля космических частиц. Естественно, все были уверены, что чем выше забраться навстречу таинственным незнакомкам, тем ближе к истине.

Еще совсем недавно — даже в тридцатых годах — высота набиралась очень медленно. Пионер исследования космических лучей в стратосфере, бельгийский профессор Пикар поднялся всего на 16,5 километра. Советский стратостат «СССР-1» обогнал его на 2,5 километра. С трудом был поднят потолок полетов до 20 километров. Страны и ученые соревновались в преодолении высоты, в увеличении веса аппаратуры, времени пребывания на высоте.

Но преодоление высот еще не обеспечивало разрешения задач, поставленных перед собой учеными. По-прежнему состав первичного излучения оставался неизвестным. Исследования оказывались слишком кратковременными. Аппаратура была недостаточно совершенна, так как на высоту нельзя было поднять большой груз. Никому из побывавших в стратосфере не удалось «поймать» первичную космическую частицу. Не помогли и шары-зонды, поднимавшие приборы без человека. Часто аппаратура вместе с шарами-зондами пропадала бесследно, оставив в тайне результаты, зафиксированные в полете.

Новое начало в исследовании космических частиц положил советский ученый С. Н. Вернов, который разработал дистанционную связь с приборами, помещенными на шарах-зондах, и научился поднимать в стратосферу сложную аппаратуру весом до 12 килограммов. Для середины тридцатых годов это была огромная победа.

Сведения, переданные автоматами Вернова из стратосферы, содержали известие о том, что почти все первичные космические частицы — это ядро атомов водорода — протоны, и лишь немногие из них — ядра других элементов.

Но каких? Отражает ли состав космических лучей химическое строение каких-то особых небесных тел — родителей космических частиц, или содержание в них ядер различных элементов характерно для строения всей вселенной?

Еще в 1948 году, когда удалось поднять на высоту до 27, а затем и до 30–33 километров стопку фотопластинок и изучить следы частиц, проникших в эмульсию, было установлено, что в составе космических частиц, кроме протонов — ядер атомов водорода, имеются многозарядные частицы. Они фактически представляли собой не что иное, как атомные ядра различных химических элементов. Какие же это элементы и каково их соотношение в космических лучах?

Проблема химического состава космических лучей долго еще оставалась недоступной.

Сколько тебе лет, вселенная?

С 1957 года в истории космических частиц начинаются героические страницы. Искусственные спутники Земли и межпланетные ракеты позволили проводить эксперименты и на высоте в тысячу километров и на расстоянии, превышающем миллионы километров от Земли. Теперь длительность опыта могла достигать многих месяцев. Какой огромный материал можно было собрать!

В космос были посланы черенковские счетчики, которым надлежало пролить свет на химическую структуру космических лучей.

В обработке материала, который собрали приборы в космосе, участвовала одна из молодых учениц академика Скобельцына, Лидия Васильевна Курносова (на Международном конгрессе астронавтов в Барселоне она получила паспорт для участия в полете на Луну!). Она рассказывает:

— Когда мы разобрались в показаниях приборов, побывавших в космосе, и сделали необходимые расчеты, мы убедились, что в составе первичных космических лучей больше всего ядер атомов водорода. Они составляют абсолютное большинство — 90 процентов. На втором месте ядра атомов гелия — их 9 процентов; оставшийся процент дополняют ядра атомов более тяжелых элементов: углерода, кислорода, азота, железа. Обнаружили мы и ничтожное количество ядер атомов легких элементов: лития, бериллия и бора. Но точно их количество еще неизвестно. Самыми тяжелыми из надежно зарегистрированных ядер являются ядра кобальта, железа, никеля. Имеются ли среди космических частиц более тяжелые ядра, тоже еще неизвестно. Решение этого вопроса — дело ближайшего будущего.

Так ученые убедились, что в составе космических лучей встречаются ядра атомов тех же элементов, которые имеются и на Земле, и на Солнце, и в звездах. Они удостоверились, что химический состав вселенной един.

Изучая космические лучи, физики не раз задавали себе такой вопрос: сколько времени прошло с тех пор, как космические частицы отправились в свое путешествие?

На первый взгляд этот вопрос кажется праздным. Посудите сами, как может ответить на него человек, оставаясь на Земле или даже побывав в ближайших окрестностях Земли? И тем не менее этот вопрос возникал снова и снова.

Дело в том, что ответ должен был прояснить совершенно неожиданную проблему. Он бросил бы свет на возраст вселенной! Ведь в зависимости от того, как долго космические частицы блуждают в мировом пространстве, меняется и их состав. Частицы сталкиваются между собой; более тяжелые ядра преобразуются в более легкие. А так как состав космических лучей отражает обычное соотношение различных веществ в природе, то по изменению состава космических лучей, дошедших до Земли, по обилию в них легких элементов ученые могли бы судить и о времени блуждания частиц в мировом пространстве. А следовательно, могли бы попытаться ответить на древний вопрос о возрасте вселенной. Астрономические наблюдения на вопрос о возрасте звезд и галактик дают еще очень неопределенный ответ, порядка нескольких десятков миллиардов лет. Это, конечно, слишком приблизительно. Будем ждать более точного ответа.

Корона Земли

Исследования, проведенные на искусственных спутниках и космических ракетах, помогли узнать и географию мира космических частиц, помогли установить, где и в каком количестве находятся эти частицы вокруг Земли.

Советские ученые С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков и американский ученый Ван Аллен сделали открытие, которое во многом изменило прежние взгляды на закономерности изменения состава космических лучей с высотой. Прежде всего выяснилось, что магнитное поле Земли образовало вокруг нашей планеты гигантскую двухъярусную ловушку для космических частиц, которая спутала все карты исследователей. Оказалось, что большое количество электронов и протонов колеблется внутри этих ловушек вдоль силовых линий земного магнитного поля, не имея возможности ни достичь поверхности Земли, ни удалиться в межзвездное пространство.

Как же они попали в эту ловушку? Ведь в отличие от мышеловки эта ловушка не только не выпускает своих пленников, но и не дает им возможности проникнуть внутрь. Ученые дали неожиданное решение этой загадки: частицы, обнаруженные приборами, установленными на спутниках и ракетах, не могли войти внутрь нижнего пояса ловушки и не входили в нее — они родились в ее пределах! Под действием первичных космических лучей атмосфера Земли становится источником нейтронов, а им магнитное поле не помеха. Не имея электрического заряда, нейтроны свободно проникают внутрь магнитной ловушки. Часть из них распадается внутри этой ловушки, причем из нейтронов возникают протоны и электроны, которые почти не имеют шансов вырваться наружу.

Во внутреннем поясе преобладают протоны. Во внешнем поясе ловушки находятся главным образом электроны. Предполагается, что они проникают в нее во время периодов повышенной активности Солнца, когда магнитное поле Земли изменяется под влиянием потоков заряженных частиц, летящих от Солнца. При этом вход в ловушку как бы приоткрывается и частицы могут проникать сквозь ослабевший заслон магнитных сил. После уменьшения активности Солнца магнитное поле Земли возвращается к обычному состоянию и частицы, проникшие в ловушку, оказываются запертыми в ней.

А совсем недавно советскому ученому К. И. Грингаузу удалось обнаружить и третий пояс радиации, еще более удаленный от Земли.

Советская космическая техника все более расширяет возможности физиков. Их приборы стоят на сверхтяжелых спутниках типа «Протон», на близнецах типа «Электрон». Для исследования космического пространства потрудилось более сотни спутников серии «Космос». В просторы солнечной системы ушли станции типа «Зонд».

Космические лаборатории «Венера» и «Марс» и летающая по окололунной орбите «Луна-10» значительно расширили наши знания о космических частицах и их распределении в пространстве.

Теперь ученые располагают исчерпывающими данными и о расположении и о мощности этих поясов космических частиц, окружающих Землю. Оказалось, что наибольшая интенсивность внешнего поля проявляется на высоте в 20 тысяч километров от поверхности Земли. Причем мощность слоев достигает наибольшей величины в области земного экватора и оказывается наименьшей в полярных областях. Ракета или спутник, которые пересекают внутренний пояс радиации, подвергаются бомбардировке этих частиц, создающих внутри космического корабля опасное для жизни излучение. Теперь конструкторы звездолетов знают, что им надо позаботиться о защите космонавтов от этого излучения и выбрать траекторию так, чтобы она проходила по наименее опасному пути.

…Ученые продолжают рисовать карту мира космических лучей. Каждый новый запуск искусственного спутника Земли, еще более тяжелого, несущего на своем борту еще более совершенную аппаратуру, каждая бороздящая просторы космоса ракета вписывают новую страницу в историю космических частиц.

Ученые уже обладают ключом ко многим тайнам космических частиц. Они знают об этих космических странницах все то, что можно узнать о них, оставаясь на равнине, поднимаясь в горы или посылая приборы на искусственных спутниках Земли или ракетах.

Но есть вопросы, на которые, казалось, нельзя ответить не только в наше время, но даже в ближайшее столетие.

Где рождаются космические лучи? Откуда несутся они стремительным потоком к Земле?