Солнечно-Земная Физика Сергей Николаевич Вернов и космические лучи, ч. 1

ОСНОВАТЕЛИ

Ю.И.Логачев, М.И.Панасюк, Ю.И.Стожков

Предисловие

Предлагаемая брошюра призвана показать вклад Сергея Николаевича Вернова в изучение космических лучей, отметить его основные достижения в научном и организационном плане, а также кратко напомнить историю открытия космических лучей, 100-летие которого приходится на 2000-01 годы, начальный период изучения и главные моменты, приведшие к пониманию их природы.

В научной биографии С.Н.Вернова, кроме самого первого этапа изучения космических лучей необходимо выделить еще три наиболее важных периода:

-период первых экспериментов С.Н. Вернова в стратосфере (1935-39 гг.), завершившийся защитой докторской диссертации

-послевоенный период (1946-57 гг.), во время которого С.Н.Вернов провел наиболее важные эксперименты в стратосфере, создал Долгопрудненскую научную станцию стратосферных исследований космических лучей, провел экваториальную экспедицию для изучения восточно-западной асимметрии космических лучей в стратосфере, организовал исследования космических лучей на самолете и на первых ракетах с вертикальным пуском, подготовил к работе наземную установку по изучению широких атмосферных ливней, организовал сеть станций непрерывной регистрации космических лучей);

-период 1957-68 гг., завершившийся присвоением С.Н. Вернову звания академика АН СССР, во время которого были проведены обширные исследования космических лучей с помощью средств космической техники, проведены главные эксперименты на установке МГУ по изучению широких атмосферных ливней, начато непрерывное зондирование космических лучей в атмосфере Земли при ежедневных запусках шаров-зондов.

В таблицах, дополняющих текст, отражены основные моменты в изучении космических лучей до начала работ С.Н. Вернова, исследования самого С.Н. Вернова и его организаторская деятельность, ключевые моменты его карьеры и достижения его коллег и учеников. Ссылки в тексте даются только на главные работы С.Н. Вернова. Полный перечень публикаций С.Н.Вернова приведен в сборнике “Проблемы физики космических лучей”, посвященном его памяти ( издательство “Наука”, Москва, 1987 г.).

Введение

Сергей Николаевич Вернов родился 11 июля 1910 года в г. Сестрорецке под Санкт-Петербургом. Ко времени написания данной статьи ему исполнилось бы 90 лет. Отец его был почтовым служащим, мать преподавателем математики. В 1926 году Сергей Николаевич окончил школу. В аттестационных документах отмечалось, что он обладал отличными математическими способностями, интересом к гуманитарным наукам и являлся самым лучшим учеником выпускного класса. После окончания школы Сергей Николаевич поступает в Механический техникум и уже через год переходит на первый курс физико-механического факультета Ленинградского политехнического института, который окончил в 1931 году, получив диплом инженера-физика. В студенческие годы Сергей Николаевич работал лаборантом. Закончив политехнический институт, он поступил в аспирантуру Радиевого института, после окончания которой стал работать в этом институте старшим научным сотрудником.

В 1931-32 году, т.е. в возрасте 21-22 лет, Сергею Николаевичу, аспиранту Радиевого института, предстояло выбрать тему кандидатской диссертации, и выбор пал на космические лучи. Сергей Николаевич оставался верным этому выбору до конца жизни.

Что было известно о космических лучах, когда Сергей Николаевич выбирал направление своей работы? Космические лучи начали изучать в 1900-1901 году, т.е. 100 лет тому назад, причем в первые 10 лет, не знали, что исследуют именно космические лучи. А все началось с того, что, измеряя электропроводность различных газов, в том числе воздуха, была обнаружена некоторая "остаточная" ионизация, т.е. слабый "темновой" ток, который существует даже в отсутствии ионизующих источников. Первые публикации по этим экспериментам относятся к 1900-1901гг. /1/. Одним из исследователей “темнового” тока был Ч. Вильсон, известный как изобретатель камеры Вильсона (1912 год), которая широко использовалась для изучения различных видов излучений, в том числе и для космических лучей. Позже, в 1927 году за это изобретение Ч. Вильсон был удостоен Нобелевской премии. В результате этих экспериментов стало ясно, что на уровне моря всегда существует некоторое небольшое, но проникающее излучение (оно наблюдалось и в сильно экранированных камерах). Сначала думали, что это излучение идет из почвы, подобно земной радиоактивности, и поэтому оно должно уменьшаться при подъеме прибора над поверхностью Земли. Но излучение уменьшалось только до высот около километра, а при дальнейшем подъеме увеличивалось. О том, что интенсивность этого излучения возрастает с увеличением высоты наблюдения, стало известно в 1912 году после опытов австрийского физика В. Гесса /2/, поднимавшегося с ионизационной камерой на воздушном шаре до высоты в 5 км. В. Гесс назвал его "высотным излучением", и это название использовалось до 1925 года. Природа излучения долгое время оставалась неясной. Было выдвинуто много гипотез об его происхождении (например, что оно образуется в верхних слоях атмосферы под действием атмосферного электричества). Окончательно доказал внеземное происхождение "высотного излучения" Р.А. Милликен (США) в 1923-24 гг., и именно он ввел термин "космические лучи" /3/. Р.А. Милликен к этому времени был уже лауреатом Нобелевской премии (премия была присуждена в 1923 году за измерения заряда электрона). О том, что космические лучи долгое время оставались таинственным явлением свидетельствует тот факт, что Нобелевская премия за их открытие была присуждена В. Гессу только в 1936 г., т.е. более чем через 20 лет после его экспериментов.

В 1926 году ленинградские физики Л.В. Мысовский и Л. Тувим обнаружили, что интенсивность космических лучей изменяется с изменением давления воздуха. Они открыли хорошо известный теперь барометрический эффект космических лучей /4/. Д.В. Скобельцын в 1927 г. в работах с камерой Вильсона, помещенной в магнитное поле, показал, что на уровне моря космические лучи являются заряженными частицами большой энергии, которые вызывают ливни /5/.

Главные вехи в изучении космических лучей в первые десятилетия после их открытия представлены в таблице 1.

Начальный период изучения космических лучей (1900-41 гг.)

Первые эксперименты С.Н. Вернова в стратосфере

Сергей Николаевич был учеником Д.В. Скобельцына, знал работы ленинградских физиков, видел, какие крупные ученые занимаются проблемой космических лучей, и его выбор – изучение космических лучей - вполне закономерен. В первой половине 30-х годов о первичных космических лучах, т.е. о частицах до вхождения их в атмосферу Земли, ничего не было известно и, чтобы понять их природу, естественно было проводить эксперименты поближе к источнику, на границе атмосферы. Поэтому Сергей Николаевич решает изучать природу космических лучей в верхней стратосфере. Однако на этом пути была существенная трудность, которая заключалась в том, что в то время экспериментатор не имел возможности подняться с приборами на высоту более 10 км, и нужно было разрабатывать автоматический прибор, проводящий измерения без участия человека. До этого в СССР никто таких экспериментов не проводил, хотя за границей были запуски автоматической научной аппаратуры до высот 30 км (Регенер ,1932 г.).
  Сергей Николаевич пошел по этому же пути и решил передавать результаты измерений по радио. Он использовал опыт ленинградского профессора П.А. Молчанова, который в 1930 г. впервые в мире создал радиозонд, передававший метеорологическую информацию по радио. Совместно с П.А. Молчановым и Л.В. Мысовским Сергей Николаевич в 1934 г создает прибор и проводит первые успешные измерения космических лучей в атмосфере с передачей данных по радио. Первый пробный эксперимент с радиозондом, регистрирующим космические лучи, был выполнен им в 1934 г. на самолете. В отчете Академии Наук СССР за этот год написано, что “опыт по регистрации космических лучей на борту аэроплана произвел аспирант Радиевого института Вернов С.Н.”.
  Первый самостоятельный полет радиозонда состоялся 1 апреля 1935 г. /6/. В этом же году Сергей Николаевич защитил кандидатскую диссертацию на тему “Изучение космических лучей в стратосфере при помощи радиозондов”. Диссертационная работа Сергея Николаевича очень понравилась С.И. Вавилову и он пригласил его в докторантуру ФИАН для продолжения исследований космических лучей. На этом закончился ленинградский период Сергея Николаевича. В 1935 году он переехал в Москву, где постоянно работал до конца жизни.

Усовершенствовав метод стратосферных измерений на шарах-зондах, Сергей Николаевич 1936-1938 гг. провел успешные исследования широтного эффекта космических лучей в стратосфере в нескольких пунктах: в Ленинграде, Ереване и в районе экватора. Для этого Сергей Николаевич организовал морскую научную экспедицию, он же был ее руководителем. Танкер "Серго Орджоникидзе" отправлялся из Одессы во Владивосток и обратно и в Индийском океане с его борта запускали шары-зонды. Эта экспедиция подробно описана ее участником Н.Л.Григоровым в сборнике “Воспоминания об академиках Д.В.Скобельцыне и С.Н.Вернове” (издательство МГУ, 1995 год). Эксперименты в стратосфере показали, что на экваторе поток частиц космических лучей в 4 раза меньше, чем на высоких широтах. Это означало, что магнитное поле Земли отклоняет космические частицы, и, следовательно, они являются заряженными. Аналогичные эксперименты почти одновременно провел и Р.А. Милликен. Эти опыты окончательно доказали, что первичные космические частицы не являются нейтральными, например, гамма-квантами. Однако, до определения состава космических лучей оставалось еще несколько лет.

В 30-ые годы уже была создана квантовая механика, однако принималась она далеко не всеми и требовались доказательства ее применимости в области частиц высокой (по тем временам) энергии. С.Н. Вернов занялся изучением переходного эффекта воздух-свинец с целью проверки применимости квантовой электродинамики для описания каскадных процессов электронно-фотонных ливней в свинце. В то время считалось, что электронно-фотонный каскад должен развиваться в легком (воздух) и тяжелом (свинец) веществах одинаковым образом. Однако эксперимент показал, что это не так. В свинце наблюдается гораздо больше малоэнергичных электронов, чем в воздухе. Казалось, что это противоречит квантовой электродинамике. Сергей Николаевич в своей докторской диссертации показал, что квантовая электродинамика правильно описывает наблюдаемое явление, если учесть, что коэффициенты поглощения гамма-квантов в воздухе и свинце разные. Примерно в это же время И.Е. Тамм и С.З. Беленький теоретически обосновали развитие электромагнитных каскадов в легких и тяжелых веществах.
Докторская диссертация Сергея Николаевича, защищенная им в 1939 году, называлась: "Широтный эффект космических лучей в стратосфере и проверка каскадной теории в случае прохождения электронов через вещество с малым атомным номером". Эта была первая докторская диссертация по космическим лучам, защищенная в ФИАН’е.

Послевоенный период исследования космических лучей. Организационная деятельность С.Н. Вернова (1946-57 гг.)

Вторая мировая война прервала исследование космических лучей, зато сразу после ее окончания в СССР эти исследования стали бурно развиваться – нужно было догнать США в создании атомного оружия, и в стране уделялось значительное внимание всем областям знаний, связанным с ядерной физикой, к которой космические лучи имеют непосредственное отношение.
Изучив каскадные процессы, С.Н. Вернов использовал переходный эффект воздух-свинец для измерения энергии частиц электронно-фотонной компоненты. В то время считалось, что космические лучи состоят из протонов и электронов. Это утверждение основывалось на следующих фактах: а) - высотная кривая космических лучей в атмосфере практически совпадает с каскадной кривой от электронов высокой энергии; б) - эксперименты по измерению азимутальной асимметрии космических лучей приводили к выводу, что они состоят на 50 % из электронов и на 50 % из протонов, так как эффект восточно-западной асимметрии был мал (превышение потока частиц с запада по сравнению с потоком частиц с востока составляло всего около 10 %).
<С другой стороны в 40-х годах появились данные, которые противоречили такому утверждению: а) - в 1941 г. М. Шайн /7/ провел эксперимент в стратосфере и не обнаружил ливней в свинцовой мишени, которые должны были бы быть, если бы космические лучи состояли из высокоэнергичных электронов. Он пришел к выводу, что в космических лучах электронов нет; б) - в конце 40-х годов Х. Брандт и Б. Петерс в толстослойных ядерных эмульсиях обнаружили ядра в космических лучах, а В. Пауэлл с сотрудниками наблюдал в ядерных эмульсиях, облученных в стратосфере, ливни и ядерные расщепления, вызванные однозарядными частицами - протонами.

Для окончательного ответа на вопрос о составе космических лучей Сергей Николаевич организует в 1949 г. еще одну морскую экспедицию на судне “Витязь”, которое направлялось из Прибалтики на Дальний Восток. Руководил экспедицией Н.А. Добротин, участниками были Н.Л. Григоров и В.С. Мурзин и ряд сотрудников ФИАН’а. Было решено провести в районе экватора измерения восточно-западной асимметрии, высотного хода ядерных взаимодействий – событий с резким увеличением ионизации в ионизационной камере, электронно-ядерных ливней, и углового распределения космических лучей на разных высотах в атмосфере. В сборнике “Воспоминания об академиках Д.В.Скобельцыне и С.Н.Вернове” (из-во МГУ, 1995 год) есть статья В.С.Мурзина, подробно описывающая эту экспедицию. Проведенные измерения при полетах шаров-зондов обнаружили в верхней атмосфере большую восточно-западную асимметрию, которая могла быть создана только положительно заряженными частицами /8/.
  Таким образом, был получен окончательный ответ на вопрос о составе космических лучей: космические лучи - это положительно заряженные частицы - протоны и ядра других химических элементов.
Ранее в экспериментах на высоких широтах была измерена средняя ионизующая способность частиц в стратосфере. Оказалось, что на высоких широтах эта величина примерно в 2 раза больше, чем ионизующая способность релятивистских частиц (1 релятивистская частица в воздухе при нормальных условиях создает 70 пар ионов на пути в 1см). Анализ экспериментальных данных показал, что примерно 30 % ионизации в стратосфере высоких широт создается сильно-ионизующими частицами. “Толчки” в ионизационной камере создаются ядерными расщеплениями. Расщепления ядер производятся вторичными частицами, созданными первичными космическими лучами в атмосфере.
Детальный анализ экспериментальных данных, полученных в послевоенные годы в стратосферных экспериментах, позволил Сергею Николаевичу с коллегами найти основные характеристики взаимодействий космических лучей с ядрами атомов воздуха. Был измерен коэффициент неупругости ядерного взаимодействия, оказавшийся равным 0.3, а не 1 как ожидалось ранее. Эта величина постоянна для протонов в интервале энергий Е=3-40 ГэВ, а энергия, которая теряется на расщепление легкого ядра (О, N), равна 400 МэВ и не зависит от энергии первичного протона. Основными процессами потери энергии протона при его взаимодействии с ядром атома воздуха являются процесс рождения пионов, и процесс расщепления ядра мишени на более легкие фрагменты (протоны, нейтроны, альфа-частицы). Энергию, не растраченную на эти процессы, уносит, в основном, один (лидирующий) нуклон.
В работе Вернова С.Н., Григорова Н.Л., Чарахчьяна А.Н. 1949 года /9/ было написано “…в результате взаимодействия первичных космических частиц…с веществом создаются проникающие частицы, электронно-фотонная компонента и частицы, вызывающие ядерные расщепления, т.е. возникает электронно-ядерный ливень. Это является исходным процессом, вызывающим всю совокупность компонент космического излучения, которая наблюдается в атмосфере”.
Впервые идея о ядерном каскаде в атмосфере была высказана ранее Г.Т. Зацепиным для объяснения характеристик широких атмосферных ливней (ШАЛ). Им же была создана теория ядерного каскадного процесса, возникающего после взаимодействия высокоэнергичной космической частицы с ядром атома воздуха.
За стратосферные работы по исследованию космических лучей Сергей Николаевич в 1949 г. был удостоен Государственной премии.
В середине 40-х годов президент АН СССР С.И. Вавилов добился решения Правительства о расширении в ФИАНе исследований по ускорителям и космическим лучам (для изучения ядерных взаимодействий частиц очень большой энергии, недоступных ускорителям того времени). Этим же Постановлением Правительства предполагалось создание под Москвой в г. Долгопрудном станции стратосферных исследований космических лучей. Станция была создана в 1946 г. и ее первым директором стал Сергей Николаевич. Здесь исследования космических лучей Сергей Николаевич начал проводить сразу по нескольким направлениям, что потребовало создания новых научных коллективов и Сергею Николаевичу удалось осуществить это в короткий срок.
Вскоре после создания Долгопрудненской научной станции на ней начали проводиться детальные исследования космических лучей с помощью аппаратуры, поднимаемой гирляндой шаров до высот 25-30 км и выше (см. фото запуска подобной аппаратуры). Сергей Николаевич руководил этой станцией до 1960 года, когда он стал директором НИИЯФ МГУ, а руководство станцией передал своему ближайшему соратнику по изучению космических лучей в атмосфере А.Н. Чарахчьяну. До конца своей жизни Сергей Николаевич тесно сотрудничал с коллективом станции, был ее фактическим научным руководителем.

Сергей Николаевич вместе с Дмитрием Владимировичем Скобельциным были одними из немногих, кто понимал насколько важно проводить непрерывные наблюдения космических лучей. По их инициативе в 1947 г. была организована в СССР сеть наземных станций с ионизационными камерами, непрерывно регистрирующих космические лучи. В то время в мире работали 3 ионизационные камеры. Ю.Г. Шафер и Н.Л. Григоров совместно с А.С.Муратовым разработали, а завод “Физприбор” изготовил 9 ионизационных камер АСК. Одну из таких камер установили в Якутске и она до сих пор (более 50 лет) успешно измеряет космические лучи. За эту работу Ю.Г. Шафер, Н.Л. Григоров и А.С. Муратов были удостоены Государственной Премии.

Для изучения космических лучей на еще больших высотах Сергей Николаевич организовал группу, проводившую эксперименты при полетах высотных ракет в местечке Капустин Яр. Этот этап в исследовании космических лучей очень слабо отражен в литературе. Все исследования, проводившиеся во время полетов этих ракет были секретными. Речь идет об экспериментах в 1947-51 годах на немецких ракетах ФАУ и созданных своих, более совершенных ракетах, поднимавшихся на высоты 70-100 км. Естественно, что эти первые шаги в развитии ракетной техники, даже сами факты запусков ракет были засекречены, и ни о каких публикациях не могло быть и речи.
Ракетными экспериментами в Капустином Яре руководил недавно скончавшийся уже в звании академика РАН А.Е.Чудаков. Они были не только прообразом экспериментов на будущих космических аппаратах, но и сами принесли ряд ценных научных результатов. Так, было показано постоянство потока космических лучей в интервале высот 50-100 км над поверхностью Земли, получен верхний предел интенсивности космических гамма-квантов с энергией около 1 и 100 МэВ, измерена ионизующая способности первичных частиц.
В 1954 г. С.Н. Вернов организовал исследования взаимодействия космических частиц на высотном самолете, поднимавшемся на 9, а затем и на 12 км. В самолете-лаборатории был установлен большой электромагнит с камерой Вильсона, в которой размещались пластины из бериллия и свинца. Электромагнит позволял измерять импульсы первичных и вторичных частиц, образующихся после взаимодействия частиц с легкими и тяжелыми ядрами, и судить о характере этого взаимодействия. Руководил исследованиями на самолете Ю.А. Смородин.
За крупные научные достижения в области исследований космических лучей в 1953 году Сергей Николаевич был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР.

В конце 50-х годов было начато строительство нового корпуса НИИЯФ МГУ, предназначенного специально для изучения космических лучей – широких атмосферных ливней. В это же время Сергей Николаевич создает группу для проведения экспериментов на искусственных спутниках Земли, руководит разработкой и изготовлением аппаратуры для первых спутников.
Период 1946-57 гг. был особенно продуктивен для Сергея Николаевича. За это время он осуществил столько начинаний, что трудно поверить, что это сделал один человек. Конечно, он это делал не один, но инициатором и движущей силой был именно он. Сергей Николаевич обладал удивительной способностью сплачивать вокруг себя коллективы талантливых людей, преданных науке, и направлять эти коллективы на решение задач, которые, на первый взгляд, казались невыполнимыми. В таблице 2 приведен перечень мероприятий, осуществленных в этот период Сергеем Николаевичем


Таблица 2

С.Н. Вернов - организатор исследований космических лучей

Часть 2

История