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 не изведано, 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 – в горой 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.