Сказка о космическом телеграфисте

Виталии Гинзбурге

 

Дзинтара устроилась поудобнее, посмотрела в высокое окно на звёзды, которые уже мерцали на небе, и сказала:

– Всем известно, что звёзды излучают электромагнитные волны: видимый свет, а также невидимое излучение – от длинных радиоволн до коротких гамма‑квантов. Эти сигналы звёзд несут в себе массу важнейшей информации, но, падая на землю, эта звёздная информация уходит, в буквальном смысле, в песок. Лишь в нескольких специальных местах на Земле, в обсерваториях, астрономы ловят излучение звёзд и учатся его расшифровывать.

– Учатся? То есть они ещё не всё расшифровали? – насторожила розовые ушки Галатея.

– Конечно, нет. В этих радиопосланиях, световых письмах и рентгеновских импульсах содержится множество непонятных символов и знаков. Может, там зашифрована информация, которая спасёт наш мир или хотя бы сделает его счастливее, но пока мы сумели прочитать далеко не все страницы космических световых мерцаний и радиосигналов.

– Это хорошо! – сказала довольная Галатея.

– Но мало кто знает, что в космическом пространстве летают не только электромагнитные послания – там движутся ещё и электрические сигналы.

– Что‑то вроде космического телеграфа? – спросил Андрей.

– Да, во Вселенной существует космический обмен информацией с помощью электрических токов. Ведь ток – это движение электрических зарядов. А в космосе во все стороны летят потоки электрических зарядов. Самые мощные – от Солнца, но есть электрические послания от далёких звёзд и даже от других галактик.

 

7 августа 1912 года австрийский физик Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре, захватив с собой ионизационную камеру, с помощью которой можно было измерять радиоактивность. На поверхности земли такая камера регистрировала заметную радиоактивность даже после того, как её помещали в свинцовую камеру. Наверное, сказывается радиоактивность земли, решили учёные. Значит, если подняться с такой камерой на воздушном шаре, эта радиоактивность уменьшится.

И вот Гесс, одетый в самую тёплую одежду, какую смог найти, поднялся на воздушном шаре вместе со своей камерой для измерения радиоактивности. Воздушный шар вошёл в облака, но радиоактивность не уменьшилась. Шар вырвался из облаков, поднимаясь ещё выше – в голубое небо. И тут учёный с удивлением заметил, что при подъёме воздушного шара количество ионизирующих камеру частиц выросло!

Так было обнаружено космическое излучение, которое приходит на Землю из космоса. За это открытие отважный воздухоплаватель Гесс получил Нобелевскую премию по физике.

 

– Так, значит, когда мы летим на самолёте, то в нас попадает космических лучей больше, чем обычно? – спросил Андрей.

– Да, заметно больше, но это неопасно, так как атмосфера нас защищает даже на высоте десяти километров, да и время, проведённое в полёте, не очень велико. Но сверхзвуковые пассажирские самолёты, которые летают выше остальных, в период повышенной солнечной активности выбирают более длинные южные маршруты, где интенсивность космических лучей меньше.

 

Советский физик Дмитрий Скобельцын использовал камеру Вильсона для анализа космического излучения и в конце 20‑х годов сделал важные открытия: он нашёл, что в космических лучах много заряженных частиц, – это было видно по тому, как искривляется их траектория в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Скобельцын также открыл, что космическое излучение крайне неоднородно: то в камере ничего нет, то сразу возникает целый ливень частиц, которые так и стали называть – космические ливни.

 

В 1939–1941 годах было установлено, что космические лучи, подлетающие к границе земной атмосферы, главным образом состоят из положительно заряженных и очень быстрых протонов. Отдельные сверхбыстрые космические частицы врезаются в нашу атмосферу и вызывают вторичный поток новых частиц – целый ливень позитронов, мюонов, пионов и многих других частиц. Нередко из космоса прилетают такие быстрые заряженные частицы, энергия которых недостижима на самых мощных земных ускорителях.

Ливень элементарных частиц, вызванный всего лишь одной такой сверхбыстрой частицей космических лучей, достигает земной поверхности, расширяясь до площади в десятки километров. Ливни элементарных частиц светятся в атмосфере, испуская излучение Вавилова – Черенкова, – и это свечение могут засечь специальные телескопы. Например, в Аргентине построена обсерватория имени Пьера Оже, которая наблюдает за атмосферными ливнями.

– А что это за излучение – Вавилова и Черенкова? – спросила неугомонная Галатея.

– Когда по озеру плывёт катер, то за ним остаются два пенных «уса», которые расходятся от траектории движения катера. Они возникают, потому что скорость катера больше, чем скорость распространения волн на воде. Когда реактивный самолет летит на сверхзвуковой скорости – от него расходятся такие же по виду воздушные «усы‑волны». То же происходит с элементарной частицей, которая двигается со скоростью больше скорости света, – вокруг неё возникают «световые усы», или конусовидное излучение.

– Тут какая‑то ошибка, – сказал Андрей. – Частицы не могут двигаться со скоростью больше скорости света.

– И да и нет, – усмехнулась Дзинтара. – Частицы материи не могут двигаться быстрее световой скорости в вакууме, но скорость света в воде или прозрачных кристаллах гораздо меньше – например, в алмазе она в два с лишним раза медленнее скорости света в вакууме. Если в жидкость или кристалл залетит заряженная частица, скорость которой будет меньше, чем скорость света в вакууме, но больше, чем скорость света в данной среде, – то вокруг такой частицы возникнет излучение, которое и открыл Павел Черенков в 1934 году. Такое же излучение возникает, когда очень быстрые частицы залетают в атмосферу – ведь в воздухе скорость света тоже чуть меньше, чем в вакууме. Именно это излучение и ловит аргентинская обсерватория имени Оже.

Солнечные электрические потоки сообщают нам местные космические новости, рассказывая о вспышках на нашем светиле, о состоянии магнитного поля вокруг него и вокруг Земли. Если Солнце посылает нам космическую телеграмму в виде потока заряженных частиц, то мы получим её в течение 2–3 дней.

Космические галактические лучи – словно дальнодействующий телеграф, сообщающий о событиях галактической удалённости. Вот эта телеграмма сообщает о взрыве сверхновой, а эти электрические сигналы нам посылает пульсар, который своим магнитным полем ускоряет заряженные частицы и рассылает их по всей Галактике. Из‑за огромных расстояний новости приходят устаревшими – звезда взорвалась тысячу лет назад, а телеграф только сейчас донёс информацию об этом взрыве.

Хотя никто не протягивал в космосе проводов и кабелей, космос сам создаёт электрические схемы и магнитные устройства. После солнечной вспышки – мощности которой хватит, чтобы давать электричество всей Земле в течение миллиона лет, – образуется поток солнечных протонов и электронов, которые летят со скоростью в сотни километров в секунду – и с размаха налетают на магнитное поле Земли. Земное поле «сгребает» частицы и формирует из них радиационные пояса, заключая космические заряженные частицы в своеобразные ловушки, схожие по принципу действия с токамаками.

Плазма, которая копится в радиационных поясах Земли, капризна и нестабильна – как и в токамаках. Если она вырывается из ловушки и достигает атмосферы, то свечение частиц в атмосфере рождает полярные (или северные) сияния – красивые светящиеся полотнища и полосы разного цвета, которые часто наблюдаются на севере Европы, Америки и России.

На Земле есть место, где из‑за строения магнитного поля Земли интенсивность потоков космических частиц повышена – это область Южной Атлантики. Инженеры, обеспечивающие космические полёты, и учёные, которые занимаются спутниковыми измерениями, называют это место Южно‑Атлантической аномалией. Когда космическая станция пролетает над этим местом, то компьютеры на ней могут давать сбой. В зоне Южно‑Атлантической аномалии в данных околоземных спутников появляются сильные помехи – из‑за попадания космических лучей в спутниковые сенсоры.

Когда ускорители элементарных частиц ещё не получили широкого распространения и были достаточно маломощными, специалисты по физике элементарных частиц использовали космические лучи в качестве естественного ускорителя.

 

В 1936 году американский физик Карл Андерсон вместе со своим студентом Сетом Неддермейером открыл в космических лучах мюон – отрицательно заряженную частицу в 207 раз тяжелее электрона. Сначала открыватели подумали, что они открыли пион – частицу, которую в 1935 году предсказал японский физик Хидеки Юкава. Эта частица должна была служить переносчиком сильного взаимодействия в атомном ядре. Но, когда выяснилось, что мюон является совсем другой частицей, то в стане теоретиков начался переполох. Физик Исидор Раби выразил своё отношение к этому открытию так: «Кто заказывал эту частицу?»

Открытия новых частиц перестали укладываться в существующие теории, поэтому физики стали шутить, что если за открытия первых элементарных частиц полагается Нобелевская премия, то за открытие остальных и «ненужных» частиц – штраф в 10 тысяч долларов за каждую.

Пион, предсказанный Юкавой, открыли в космических лучах в 1947 году. Это сделал британец Сесил Пауэлл, который запускал свои приборы на воздушных шарах, а также размещал их ближе к космосу – на вершинах гор.

Американский физик Джон Линсли, исследуя космические лучи в горах Нью‑Мексико, открыл в 1962 году невероятно быстрые элементарные частицы, каждая из которых обладала энергией брошенного камня, двигающегося со скоростью 100 километров в час. Таких частиц наблюдается очень мало, но их существование снова озадачило теоретиков, которые рассчитывали, что космические протоны не могут обладать скоростью выше определённой – иначе они её растеряют, взаимодействуя с квантами излучения, которых достаточно в космосе. Но эти космические суперчастицы побили все рекорды. Возникло даже предположение, что в этих случаях из космоса прилетает не отдельный протон, а целое ядро железа. Но пока здесь много неясного.

 

– Короче, Вселенная шлёт нам свои телеграммы, а мы до сих пор не можем их прочитать? – засмеялась Галатея.

– Да, и это хорошо – иначе нам не досталось бы никаких тайн для разгадки! – подхватил Андрей.

Дзинтара сказала:

– В XX веке жил поразительно разносторонний учёный, который много сделал для расшифровки космических телеграмм. Он удивительным образом соединил в себе интерес к земному и космическому электричеству, занимаясь сверхпроводимостью и сверхтекучестью, а также космическими лучами и излучением Вавилова – Черенкова.

Звали его Виталий Гинзбург. Он родился в России в 1916 году, когда на крохотной планете Земля бушевала Первая мировая война – и испытания, которые выпали на долю человечества, только начинались. До 11 лет мальчик не ходил в школу – учился дома, под руководством отца, выпускника Рижского политехникума. Потом Виталий Гинзбург занимался в школе – но всего четыре года. Дальше была учеба в фабрично‑заводском училище и работа лаборантом в рентгенологической лаборатории.

В возрасте 18 лет Виталий Гинзбург поступает сразу на второй курс физического факультета Московского государственного института. Через шесть лет он защищает кандидатскую диссертацию, ещё через два года – докторскую и начинает работать в теоретическом отделе Физического института им. Лебедева. Вокруг гремела Вторая мировая война, но учёного не брали на фронт, и он продолжал заниматься сложными физическими теориями. Ещё в 1940 году учёный разработал квантовую теорию эффекта Вавилова – Черенкова, а в 1950 году создал вместе со Львом Ландау одну из первых теорий сверхпроводимости. В 1958 году Виталий Гинзбург вместе с Львом Питаевским создал теорию сверхтекучести.

Но телеграммы из космоса занимали в его жизни особое место. Он разработал теорию происхождения космических лучей и вместе с Сергеем Сыроватским написал об этих лучах целую книгу, ставшую важной вехой в изучении этого удивительного явления. Он не только рассмотрел образование космических лучей – он также изучил их химический состав и превращения, которые испытывают частицы при блуждании в космосе, а также указал на механизмы космического ускорения тяжёлых ионов.

– То есть он был космическим телеграфистом – человеком, который умел читать телеграммы из космоса! – воскликнула Галатея.

– Да, эту профессию разносторонний Гинзбург тоже освоил, – кивнула Дзинтара.

В 1968 году Виталий Гинзбург решительно поддержал проект создания Якутской обсерватории по исследованию широких атмосферных ливней, которая под руководством видного учёного Дмитрия Красильникова была запущена уже через два года. Виталий Гинзбург создал при Московском физико‑техническом институте кафедру проблем физики и астрофизики, которой заведовал долгое время.

Виталий Гинзбург был атеистом и активно выступал против преподавания религии в школе. Он был непримиримым борцом против лженауки. В 1998 году Виталий Гинзбург организовал в Академии наук комиссию по борьбе со лженаукой, куда были отнесены астрология, паранормальные явления, а также деятельность уфологов, экстрасенсов и многих целителей.

 

 

Он говорил: «Лженаука – это всякие построения, научные гипотезы и так далее, которые противоречат твёрдо установленным научным фактам. Лженаука – это то, что заведомо неверно». Академик Гинзбург написал письмо в газету «Известия» с требованием прекратить печатать астрологические гороскопы. Выступая на радио, Виталий Гинзбург решительно сказал:

– Я считаю, что астрология – это лженаука. И надувательство трудящихся. У нас сейчас в России достаточно тяжёлое положение. Задача интеллигенции и демократов – просвещать народ, а не оглуплять и всячески способствовать всякой чепухе. Поэтому я борюсь с астрологией.

За свою долгую научную жизнь Виталий Гинзбург написал около четырёхсот научных статей и десять монографий по теоретической физике, радиоастрономии и физике космических лучей.

В 2003 году Нобелевский комитет присудил Виталию Гинзбургу премию по физике «За пионерский вклад в теорию сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей». В своей нобелевской речи Гинзбург сказал, вспоминая свою трудную молодость:

– Моя любовь к низким температурам удивительна после холодных военных зим.

Виталий Лазаревич Гинзбург активно популяризовал науку и писал: «Как бы мне хотелось передать читателю мой интерес к тому, как устроен мир! Я вообще считаю себя очень счастливым человеком: всю жизнь занимался тем, что считал важным и интересным, – наукой, физикой».

– Он действительно был счастливым человеком! – сказала Галатея.

– Безусловно! – ответила Дзинтара.

 

Примечания для любопытных

 

Виктор Гесс (1883–1964) – знаменитый австрийский физик, открывший в 1912 году космические лучи и получивший за это Нобелевскую премию в 1936 году.

Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892–1990) – выдающийся советский физик, открывший в космических лучах заряженные частицы. С помощью камеры Вильсона установил факт, что космические лучи приходят ливнем – целым потоком элементарных частиц. Академик (1946).

Космические лучи – элементарные частицы и ядра атомов, которые движутся в космическом пространстве со скоростями близкими к скорости света.

Камера Вильсона – или туманная камера, наполненная перенасыщенным паром. Прибор, изобретённый шотландским физиком Чарльзом Вильсоном (1869–1959) в 1910–1912 годах. Камера позволяла видеть траектории элементарных частиц, вызывающих образование тумана вдоль своего пути. За это изобретение Вильсон получил Нобелевскую премию (1927).

Излучение Вавилова – Черенкова – излучение, возникающее при сверхсветовом движении заряженных частиц в средах, в которых скорость света меньше, чем в вакууме.

Павел Алексеевич Черенков (1904–1990) – выдающийся советский физик, открыватель черенковского излучения в 1934 году. Лауреат Нобелевской премии (1958).

Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) – выдающийся советский физик, основатель школы физической оптики. Академик, Президент АН СССР (1945–1951)

Обсерватория имени Пьера Оже – обсерватория, построенная в 2004–2008 годах в Аргентине на высоте около полутора километров для наблюдения широких атмосферных ливней, вызывающих излучение Вавилова – Черенкова. Охватывает наблюдениями 3000 квадратных километров.

Пьер Оже (1899–1993) – известный французский физик, исследовавший в 1938 году широкие атмосферные ливни.

Карл Андерсон (1905–1991) – знаменитый американский физик, открывший в 1932 году в космических лучах позитрон и получивший за это Нобелевскую премию. Позже он вместе со студентом Сетом Неддермейером открыл в космических лучах мюон.

Сет Неддермейер (1907–1988) – американский учёный, участвовавший в открытии позитрона и мюона вместе с К. Андерсоном. Позже участвовал в проекте создания ядерного оружия.

Хидеки Юкава (1907–1981) – выдающийся японский физик, предсказавший в 1935 году элементарную частицу пион – переносчик ядерного взаимодействия. Первый из японских учёных получил Нобелевскую премию (1949).

Сильное взаимодействие – одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике (вместе с электромагнитным, слабым и гравитационным). Отвечает за притяжение нуклонов (протонов и нейтронов) в ядрах атомов.

Исидор Раби (1898–1988) – выдающийся американский физик, получивший в 1944 году Нобелевскую премию за работы в области ядерно‑магнитного резонанса.

Сесил Пауэлл (1903–1969) – выдающийся британский учёный, который открыл пион в космических лучах в 1947 году. Получил за это Нобелевскую премию (1950).

Джон Линдсей (1925–2002) – видный американский физик, открывший невероятно быстрые элементарные частицы космических лучей.

Лев Петрович Питаевский (р. 1933) – известный советский физик, соавтор теории сверхтекучести Гинзбурга – Питаевского. Академик (1990).

Сергей Иванович Сыроватский (1925–1979) – советский физик и астрофизик. Написал вместе с В. Л. Гинзбургом книгу «Происхождение космических лучей» (1963).

Дмитрий Данилович Красильников (1920–1985) – видный специалист по космическим лучам, основатель Якутской установки ШАЛ. Доктор физико‑математических наук, лауреат Ленинской премии СССР.

Якутская комплексная установка ШАЛ им. Д. Д. Красильникова – обсерватория по комплексному наблюдению широких атмосферных ливней (ШАЛ), производящая измерения с 1970 года. Детекторы расположены в круге диаметром в 4 км.