Виктор Гесс открывает космические лучи

Загадка электроскопа

Задача, из которой все выросло, была старой и казалась мелкой.

Электроскоп - простейший прибор, известный с XVIII века: два листочка фольги на общем стержне, которые при сообщении заряда расходятся, отталкиваясь друг от друга.

Заряженный электроскоп всегда постепенно разряжается.

Это наблюдал еще Кулон в 1785 году. Объясняли утечкой через изоляцию и через влажный воздух.

К концу XIX века приборы стали несравненно точнее, изоляция лучше, а разрядка не прекращалась. Ее измеряли, и она оказывалась постоянной величиной, не зависящей от материала и устройства прибора.

Значит, дело было не в утечке, а в самом воздухе: нечто непрерывно превращало часть молекул воздуха в ионы, делая его проводящим.

После открытия радиоактивности в 1896 году объяснение представлялось найденным.

В земной коре повсюду содержатся уран, торий и радий. Они испускают проникающее излучение, которое и ионизирует воздух.

Объяснение было разумным и имело проверяемое следствие: чем дальше от земли, тем ионизация должна быть слабее.

Башня и озеро

Проверять принялись двумя способами: поднимаясь вверх и погружаясь вниз.

Теодор Вульф, немецкий иезуит и физик, построил значительно улучшенный переносной электрометр, где вместо золотых листочков применялись две металлизированные кварцевые нити.

В 1910 году он поднялся с ним на Эйфелеву башню и произвел измерения внизу и на верхней площадке, на высоте около трехсот метров.

Расчет показывал, что на такой высоте излучение земных пород должно быть почти полностью поглощено воздухом и ионизация должна упасть почти до нуля.

В действительности она уменьшилась примерно вдвое.

Вульф заключил, что либо излучение земных пород проникает гораздо дальше, чем считалось, либо существует иной источник. Выводу его не поверили.

Доменико Пачини, итальянский физик, пошел противоположным путем. В 1910-1911 годах он производил измерения над морем в Генуэзском заливе и на озере Браччано, а также опуская прибор на несколько метров под воду.

Вода поглощает излучение сильнее воздуха, и под ней ионизация ощутимо снижалась - но снижалась не до нуля и не в той мере, в какой следовало при земном источнике.

В 1912 году он напечатал вывод: значительная часть ионизирующего излучения не имеет земного происхождения.

Работа эта была издана по-итальянски и на десятилетия выпала из обихода. Ныне приоритет Пачини признается многими исследователями, и упоминать его при изложении открытия принято.

Гесс

Виктор Франц Гесс родился 24 июня 1883 года в Штирии, в семье лесничего на службе у владетельного князя.

Он окончил университет в Граце и с 1910 года работал в венском Институте радиевых исследований - одном из лучших тогда учреждений по изучению радиоактивности.

Первый его вклад был расчетным и решающим.

Он заново измерил, насколько сильно воздух поглощает гамма-излучение, и показал, что излучение земных пород должно полностью исчезать примерно на пятистах метрах высоты.

Из этого следовало, что и результат Вульфа на Эйфелевой башне, и неопределенные данные предшествующих полетов на шарах требуют иного объяснения.

Гесс решил подняться выше всех.

Затмение

Прежде чем изложить главный опыт, следует упомянуть об одной проверке, показывающей качество его работы.

Очевидное предположение о внеземном источнике - Солнце.

17 апреля 1912 года ожидалось солнечное затмение, близкое к полному в тех местах.

Гесс поднялся на шаре во время затмения и произвел измерения, когда солнечный диск был почти полностью закрыт Луной.

Ионизация не уменьшилась.

Следовательно, Солнце непосредственным источником не является.

Проверка эта была придумана точно и обошлась дешевле любых рассуждений.

7 августа

Всего Гесс совершил в 1911-1912 годах десять подъемов на водородных шарах, предоставленных австрийским воздухоплавательным клубом.

Он брал три запаянных электрометра усовершенствованного образца: два с тонкими стенками и один с толстыми, чтобы различать излучение по проникающей способности.

Измерения он производил сам, ведя записи в корзине, без кислородного прибора и в холоде.

Решающий подъем состоялся 7 августа 1912 года.

Шар поднялся от города Усти-над-Лабем в северной Богемии, достиг высоты пять тысяч триста пятьдесят метров и через несколько часов опустился близ Берлина, пройдя около двухсот километров.

Показания складывались так.

До высоты примерно в километр ионизация несколько уменьшалась - именно так, как и следовало ожидать при земном источнике.

Затем она перестала убывать и начала расти.

На высоте около двух километров сравнялась с наземной. На четырех была заметно выше. На пяти тысячах превышала наземную примерно вдвое, а в отдельных измерениях верхних слоев - в три и более раз.

Вывод

Заключение, напечатанное в ноябре 1912 года, Гесс сформулировал осторожно и точно.

Результаты наблюдений лучше всего объясняются предположением, что в атмосферу сверху проникает излучение чрезвычайно большой проникающей способности.

Он назвал его излучением высоты.

Проверка последовала быстро. Немец Вернер Кольхерстер в 1913-1914 годах поднялся на девять тысяч триста метров и обнаружил, что ионизация там превышает наземную примерно в десять раз.

Затем началась мировая война, и работы прекратились почти на десятилетие.

Название и спор

Название «космические лучи» принадлежит не Гессу.

Американец Роберт Милликен - тот самый, что десятилетием ранее проверял уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, - отнесся к сообщению скептически и в начале 1920-х годов принялся проверять его сам, производя измерения в горных озерах Калифорнии на разных глубинах.

Проверка подтвердила существование явления. В 1925 году Милликен предложил для него название, вошедшее в обиход.

Некоторое время в американской печати открытие приписывалось ему, а излучение называли лучами Милликена.

Спор разрешился в пользу Гесса. В 1936 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике - за открытие космического излучения; вторую половину премии получил Карл Андерсон за открытие позитрона, сделанное как раз в космических лучах.

Что это оказалось

Название неточно: это не лучи.

Космическое излучение состоит из частиц - главным образом ядер атомов, разогнанных до огромных скоростей.

Примерно девять десятых составляют протоны, то есть ядра водорода. Около девяти процентов - ядра гелия. Остальное - более тяжелые ядра и электроны.

Долетающие до поверхности Земли частицы, которые и регистрировал Гесс, - вторичные: первичная частица сталкивается с ядром атома в верхних слоях атмосферы и порождает ливень новых частиц, те - следующие, и до земли доходит поток из множества частиц, рожденных одной. Явление это описал в 1938 году француз Пьер Оже.

Энергии первичных частиц поражают.

Обычные значения составляют миллиарды электронвольт. Но регистрируются и отдельные частицы с энергией, превосходящей все, что достижимо в лабораториях, - в десятки миллионов раз больше той, которую сообщает частицам Большой адронный коллайдер. Одна такая частица, зарегистрированная в 1991 году, несла энергию, сравнимую с энергией хорошо поданного теннисного мяча, будучи при этом единственным атомным ядром.

Откуда они берутся, выяснено не полностью.

Частицы умеренных энергий приходят от Солнца и от остатков вспышек сверхновых в нашей Галактике, где ускоряются ударными волнами. Происхождение частиц наивысших энергий остается предметом исследований; предполагают ядра активных галактик за пределами Млечного Пути.

Первый ускоритель

Главное практическое значение открытия обнаружилось в том, о чем Гесс не думал.

До 1950-х годов ускорителей частиц высоких энергий не существовало. Космическое излучение было единственным источником частиц, способных при столкновении порождать новые.

Оно и послужило первым ускорителем, причем бесплатным.

В космических лучах были открыты:

Позитрон - Карлом Андерсоном в 1932 году. Первая обнаруженная частица антивещества, существование которой предсказал Поль Дирак в 1928 году.

Мюон - Андерсоном и Неддермейером в 1936 году. Частица, похожая на электрон, но в двести раз тяжелее и ни для чего, казалось бы, не нужная. Физик Исидор Раби, узнав о ней, спросил, кто это заказывал.

Пион - группой Сесила Пауэлла в 1947 году, при помощи фотографических пластинок, выставлявшихся на горных вершинах в Пиренеях и Андах. Частица, переносящая взаимодействие в атомном ядре, предсказанная японцем Хидэки Юкавой.

Странные частицы - каоны и гипероны, обнаруженные в том же 1947 году и положившие начало представлению о том, что частиц много и они образуют семейства.

Иными словами, физика элементарных частиц возникла как наука, изучающая космические лучи, и лишь в 1950-е годы перешла к ускорителям.

Что это значит сегодня

Радиационная обстановка. Космическое излучение составляет значительную часть естественного облучения человека. На высоте полета самолета оно в десятки раз выше наземного, и члены экипажей относятся к категориям, для которых облучение учитывается. За пределами магнитного поля Земли оно становится одним из главных препятствий для длительных пилотируемых полетов.

Электроника. Частица, попавшая в микросхему, способна изменить состояние ячейки памяти. Явление это - действительная техническая помеха, из-за которой в ответственной аппаратуре применяют память с исправлением ошибок и дублирование.

Радиоуглеродное датирование. Космические лучи, сталкиваясь с ядрами азота в атмосфере, непрерывно порождают радиоактивный углерод-14. Именно благодаря этому возможен способ определения возраста органических остатков, применяемый в археологии.

Наблюдения. Для изучения частиц наивысших энергий построены установки огромного размера: обсерватория имени Пьера Оже в Аргентине занимает около трех тысяч квадратных километров.

Судьба Гесса

Виктор Гесс преподавал в Граце и Инсбруке, а в 1931 году устроил на горе Хафелекар над Инсбруком высокогорную обсерваторию для наблюдения космических лучей - одну из первых в мире.

После присоединения Австрии к Германии в марте 1938 года он был уволен из университета: он был католиком, противником нацизма, а жена его была еврейкой.

Ему удалось выехать. С 1938 года он преподавал в Фордемском университете в Нью-Йорке, в 1944 году принял американское подданство.

Он умер 17 декабря 1964 года в штате Нью-Йорк, в возрасте восьмидесяти одного года.

Явление, открытое им в корзине воздушного шара над Богемией, изучается ныне установками величиной с область и продолжает давать сведения, которые нельзя получить иначе.