Что же делать? Как подступиться к этой необычной проблеме? Не высчитывать же порознь вес отдельных элементов здания и всей его "начинки".
Задача трудная, но разрешимая. И выручили тут людей... космические лучи. А точнее, наши знакомцы мюоны.
Прорываясь через земную атмосферу, первичное космическое излучение по ходу порождает ливень самых разных элементарных частиц, в том числе и мюоны. Они слабо взаимодействуют с веществами и потому способны проникать в глубь Земли на километры. Так и получается своего рода космический "рентген" для просвечивания земных пород, инженерных сооружений, да и того же Большого театра.
Приборы, которые используют для подобных измерений, уже созданы, они получили название "мюонных телескопов". В каждом несколько параллельных рядов счетчиков, фиксирующих мюоны, летящие в строго определенном направлении.
Итак, все готово для измерений. Под изучаемым объектом надо прорыть штольню и установить там мюонный телескоп. И измерить интенсивность дошедшего до счетчиков излучения. Чем больше плотность объекта, тем меньше мюонов дойдет до телескопа.
Так и поступили, когда потребовалось взвесить гостиницу "Москва". Она, как оказалось, весит 45 тысяч тонн и давит на грунт с силой 1,1 килограмма на квадратный сантиметр.
Мюонная диагностика проявила свои лучшие качества и когда под Москвой, недалеко от го ода Пущина-наОке, сооружался крупнейший радиотелескоп АН СССР "РАТАН-600". Дело было трудным: породы под выбранной для телескопа площадкой представляли хаотическую смесь из песка, глины, гальки, крупных и мелких валунов. Кроме того, близко к поверхности подходили подземные воды. Пришлось пробурить в грунте два десятка скважин: в каждую на глубину 10 метров поставить малогабаритные мюонные телескопы. И невидимые частицы "выписали" своего рода геологический разрез площадки.
Космический рентген на мюонах помогает решить и многие другие проблемы. Так, можно обнаружить пустоты в горных массивах (поток регистрируемых частиц, найдя пустоту, сразу возрастает). Такие каверны часто возникают на эксплуатируемых месторождениях полезных ископаемых. И следить за ними надо очень зорко, иначе неизбежны обвалы-аварии.
Мюоны помогают и при разведке полезных ископаемых. Сотрудники Московского геологоразведочного института отладили методику обследования в горах залежей полиметаллических месторождений. Здесь уже работают несколько независимых мюонных телескопов, прощупывающих твердь по разным зенитным и азимутальным направлениям.
Перечень возможностей для использования в земной практике космических лучей довольно велик. Прибавим еще, что археологи пытаются с их помощью обнаружить погребальную камеру в пирамиде Хефрена.
Конечно, не только мюоны, но и другие элементарные частицы могут быть задействованы в космическом рентгене. В геологии большие надежды возлагаются на разведку недр с помощью нейтронов. Хотят воспользоваться тем, что некоторые химические элементы - например, вольфрам - активно поглощают медленные (холодные)
нейтроны. Поэтому по ослаблению энергии пучка нейтронов можно обнаружить в породах даже малые примеси таких элементов.
Ученые надеются использовать для "просвечивания"
огромных масс земной поверхности и потоки нейтрино.
Так можно определять месторождения полезных ископаемых - нефти и металлов, познавать глубинную структуру нашей планеты.
Он. Она и пи-мезон
У создаваемых на мезонных фабриках пучков нейтронов, мезонов и нейтрино -забот будет по горло. Ученые получат новый инструмент для исследований, прикладники - полигон для испытания новейших технологий, возможность на качественно новом уровне решать народнохозяйственные задачи.
Перечислить все направления работ затруднительно, поэтому будем рассказывать лишь о тех задачах, которые можно решить с помощью мюонов, этих "трутней"
мироздания.
Мюонные пучки высокой плотности позволят, видимо, покончить со старой, почти сорокалетнего "возраста", проблемой "мюон - электрон". Физики смогут изучить теперь все детали превращений (слабые силы) мюона в электрон.
Мюонами очень интересуются и химики. Они хотят исследовать свойства мюония, химического двойника атома водорода.
Физик-теоретик академик Л. Ландау одним из первых предположил, что замедлившийся положительно заряженный мю-мезон может оторвать от какого-нибудь атома слабо "привязанный" внешний электрон - так образуется атом мюония. От водорода он отличается тем, что его ядро - не протон, а мезон, и еще тем, что мюоний, как и мезон, живет только миллионные доли секунды.
Если мюоний очень похож на водород, рассуждают химики, то он должен участвовать почти во всех тех же химических реакциях, что и водород. И с его помощью, регистрируя распады мюония, можно определить ход и особенности быстрых стадий во многих реакциях, идущих с водородом.
Так родилось новое направление исследований - химия мезонов, или мезохимия. Оно очень перспективно, так как почти 90 процентов всех реакций в технологических процессах идет с участием атомарного водорода.
Интенсивные пучки мезонов найдут применение в физике металлов, кристаллов, полупроводников. Дело в том, что, попадая в вещество, мгооны взаимодействуют с магнитными полями отдельных атомов. Позже мюоны распадаются, а спин возникающего в результате распада электрона будет направлен так, как если бы он "помнил", в каком окружении распался мюон. Так можно очень точно узнать внутреннее устройство веществ...
Скорее всего где-то к 2000 году мезонные фабрики перестанут быть редкостью. И тогда ими наверняка заинтересуются кинодеятели. Им покажется заманчивым - новинка! - создать художественный фильм с таким, скажем, названием: "Он, Она и пи-мезон".
Автор сценария будет долго выбирать профессию для главных героев. Он? Конечно же, физик. Теоретик или экспериментатор? Будет над чем поломать голову! Ну а Она? Может, сделать ее математиком-программистом, работающим в Вычислительном отделе?! Нет, для создания желанного контраста пусть героиня (молодая красивая блондинка) будет работать совсем в другом месте. И даже в другом городе. А на мезонную фабрику ее приведет профессия врача-онколога. Ведь ее непременно должна заинтересовать новейшая терапия рака - ионными пучками. Там, в экспериментальном пионном зале, наши герои и встретятся в первый раз...
Дальнейшее развитие киносюжета оставим на усмотрение сценариста, его буйной фантазии, а сами слегка затронем действительно замечательные перспективы по использованию пучков отрицательных пионов для лечения рака.
Опухолевые клетки можно разрушать многими видами излучений. Но, к сожалению, при этом в равной мере выводятся из строя и здоровые клетки. Беда в том, что рентгеновские лучи или, допустим, пучки электронов равномерно ионизируют всю ткань, через которую они проникают к опухоли.
Иное действие у тяжелых заряженных частиц - протонов и пи-мезонов. Эти выделяют основную часть своей энергии и производят поражение клеток лишь в конце своего пробега. Варьируя энергию этих частиц, можно быть точно уверенным, где и какие клетки будут уничтожены. Например, протон с энергией 100 МэВ проходит в теле человека около 10 сантиметров пути, и на двух последних сантиметрах протоны отдают на ионизацию половину всей своей энергии.
Однако еще более действенны пионы. Замедляясь в ткани, отдавая ей равномерно свою кинетическую энергию, они в конце пробега захватываются атомами. В результате атом испытывает ядерное превращение и выделяет немалую энергию, равную массе пиона - примерно 140 МэВ.
Если захват пиона произошел в ядре больной клетки, то ядро разрушается и клетка теряет способность к размножению, к дальнейшему делению. Если же при пионном "выстреле* захват произошел в клеточной протоплазме, то и тогда образовавшиеся в большом количестве ионы также разрушат раковую клетку.
По следам Колумба
Мы, несомненно, находимся в начале новой эры тончайшей техники, в которой человек начнет манипулировать тем, ч го сейчас условно называется элементарными частицами.
Некоторые физики высказывали предположение, что ведущая роль в науке сейчас переходит к биологии. Допустим, так. Но прогресс самой биологии немыслим без наличия сверхчувствительных физических приборов.
Без них биология будет топтаться на месте.
Говорят, Тамерлан, желая оценить число захваченных им в сражении пленных, приказал всем им отрубить головы, а затем эти головы пересчитать. Примерно так же ведут себя часто и биологи. Они буквально жгут, режут, кромсают живую клетку, рвут ее на части, куски, и все это для того, чтобы понять, как это она функционирует.
До зарезу необходимы новые, деликатные методы диагностики процессов в биологических объектах; и физики уже создают их. Так, нешроны, например, могут многое рассказать о живой материи. В отличие от электронного микроскопа, который показывает строение мертвых, препарированных клоюк, нетронный пучок позволяет заглянуть в живой организм без опасений разрушить его ткани или нарушить его нормальную работу.
С помощью нейтронов уже изучаются иммуноглобулины - внутриклеточные структуры, которые выводят из организма вредные вещества. Задача этих исследований - разобраться в механизме иммунной защиты.
А теперь поговорим о диагностике технической. Тут физики пустили в оборот даже... антивещество!
Речь пойдет о позитроне, этом антиблизнеце электрона. Из-за аннигиляции с электроном позитрон живет недолго - 10^-10 секунды. Но жизнь его можно существенно продлить, если позитрону удастся стать позитронием, искусственным атомом, схожим с водородом (в нем протон заменен позитроном).
Время жизни позитрония - 10^-7 секунды, значит, можно отличить развал позитрония от простой аннигиляции позитрона. А тут уже недалеко и до особой позитронной диагностики самых различных материалов - можно устанавливать в них присутствие дефектов, полостей, разрывов (попадая в них, позитроний, словно мячик, начинает отскакивать от стенок, и это удается зарегистрировать).
Разработали позитронную диагностику молодые сотрудники Московского инженерно-физического института (МИФИ). Они создали установку "Пика", фиксирующую время жизни позитронов. И были удостоены за это премии Ленинского комсомола.
Элементарные частицы осваивают самые разные профессии, и только нейтрино долго отлынивал от работы:
его "нелюдимость", "некоммуникабельность" всем известны! Но теперь и это положение меняется.
Реактор атомной электростанции - мощный источник нейтрино. Это излучение несет информацию о многом.
Во-первых, о том, с какой мощностью работает реактор, во-вторых, но излучению нейтрино можно судить, с какой интенсивностью "выгорает" уран и накапливается в реакторе плутоний.
В таком "нейтринном свете" с помощью приборов, находящихся далеко за толстыми бетонными стенками реактора, можно судить о происходящих в реакторе процессах. Такая специальная нейтринная лаборатория создана недавно на Ровенской АЭС на Украине.
На глубине 13 метров под атомным реактором собран первый нейтринный детектор: бак из прозрачного пластика, наполненный 25 литрами жидкого сцинтиллятора - вещества, светящегося под действием попадающих в него нейтрино...