Загадочные вариации в физике и астрономии
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Нет, ничего «музыкального» в этой статье не будет. Не будет фуг, кантат и симфоний. Но вариации будут. Вариации космических лучей. Довольно обширная область в науке о космических лучах. И если моих коллег физиков-ядерщиков интересует в основном жизнь микромира, то мы — «вариационщики» вторгаемся вместе с астрономами и космонавтами, так сказать, в большой мир — макрокосм. Частицы космических лучей, вечные странники, свидетели и участники титанических процессов, потрясающих ближние и отдаленные уголки Вселенной, могли бы многое порассказать. Задача в том, чтобы научиться их «расспрашивать». Удалось это далеко не сразу.
Вариация 1. Ошибки, оказавшиеся полезными
Всего восемьдесят лет назад было вообще еще не ясно, действительно ли космические лучи — космические. Нужно было еще доказать, что они приходят сверху, а не снизу — из земных глубин. Ученые — петербургцы Мысовский и Тувим, наблюдая за изменением интенсивности тогда еще таинственного потока частиц, открыли первую четкую и ясную вариацию: поток космических лучей уменьшался на треть процента всякий раз, когда повышалось на миллиметр ртутного столба атмосферное давление! Теперь уже было ясно, что космические лучи проходят толщу земной атмосферы. Причем в воздухе они задерживались чуть-чуть слабее, чем, хорошо уже известные в то время гамма-лучи от радиоактивных элементов. Отсюда был сделан вывод: первичные космические лучи, не доходящие до поверхности земли, состоят из квантов гамма-лучей, только очень энергичных. Это была ошибка.
Но эта ошибка оказалась в какой-то степени полезной: с нее начинается история целеустремленных поисков суточных вариаций космических лучей.
Вариация 2. Каверзная статистика, или еще одна «полезная» ошибка
Вот как это произошло. Раз космические лучи — это гамма-кванты, то есть электромагнитные волны, — рассуждали ученые, — значит, они должны распространяться, как свет, — с его скоростью и по прямой. Значит, можно найти источник, откуда они приходят на Землю. И начались эксперименты. Десятки, сотни…
Земля, как известно, вращается вокруг собственной оси, и потому приборы, где бы на планете они ни находились, делают за сутки один оборот. Если источник космических лучей — Солнце, то была бы вариация в одни солнечные сутки, то есть в определенное время в потоке радиации с неба был бы заметен регулярный всплеск. Если источник — звезда, то период вариации был бы равен звездным суткам (они чуть короче солнечных).
И действительно, открытия источников космических лучей последовали одно за другим. Самое интересное, что эти «открытия» часто вопиюще противоречили друг другу и не подтверждались при проверочных наблюдениях. Ошибка была в том, что за достоверную вариацию, как правило, принималось случайное отклонение числа частиц от «среднего». Тут вступают в действие законы статистики. Социологи, институты общественного мнения знают: чем меньше группа опрошенных, тем больше вероятность, что результат опроса будет случайным, на нем нельзя будет строить никаких выводов. Именно так и получилось с суточными вариациями в тридцатые годы. Площади приборов были малы, и они могли «опросить» только небольшое число небесных гостей…
Неудача обескуражила ученых на какое-то время. Было решено, что солнечно-суточных и звездно-суточных вариаций, возможно, не существует вообще. Это была еще одна ошибка (много позднее эти вариации, правда, очень слабые, были открыты — я об этом расскажу), но и эта ошибка оказалась в каком-то смысле полезной.
А пока получалось, что поток космических лучей равномерно, изотропно обдувает планету со всех сторон. Это поставило под сомнение гамма-квантовую теорию космических лучей.
Вариация 3. Космический ветер с запада довлеет над космическим ветром с востока
В самом деле, если космические лучи — это гамма-кванты, то понять их изотропность невозможно. Это было бы все равно, как если бы мы видели не ночное небо с мириадами светлых точек — звезд, а матово сияющий небосвод.
Что же рассеивает и перемешивает космические лучи в пространстве? Довольно скоро утвердилась точка зрения, что это «что-то» — магнитные поля, а сами первичные космические лучи — это заряженные частицы.
Но как это проверить? До дна воздушного океана первичные космические лучи не доходят, а вторичные одинаково выбиваются из атомов атмосферы и частицами, и гамма- квантами. До космических ракет дело тогда еще не дошло. На помощь пришла пространственная вариация космических лучей, предсказанная еще в начале прошлого столетия шведом Штермером, так называемый широтный эффект.
Земля — магнит с двумя полюсами. Чем ближе к экватору, тем больше заряженные частицы должны отклоняться от своих траекторий. Ближе к полюсам магнитные силовые линии как бы «втыкаются» в Землю — и уже не мешают, а скорее помогают заряженным частицам приблизиться к планете.
По теории Штермера, в район экватора могли приходить только частицы с энергией больше 15 миллиардов электрон-вольт, на широте Москвы этот нижний предел был не таким строгим — 2,5 миллиарда электрон- вольт. А около Мурманска даже 0,1- миллиардные частицы вполне способны долететь до атмосферы и вызвать в ней ливень вторичных космических лучей. На морских судах, самолетах, на десятках станций Северного и Южного полушарий «ловили» этот эффект. И он действительно был обнаружен. Итак — частицы. Но какие, какого знака?
Тут должна была помочь другая пространственная вариация — восточно-западный эффект. Космические лучи так заворачиваются магнитным полем, что в атмосферу положительные частицы должны влетать в основном с запада, а отрицательные — с востока. Значит, если интенсивность вторичных космических лучей, приходящих в приборы исследователя с запада и востока, одинакова, то положительных и отрицательных частиц в космосе поровну, как в обычном веществе.
Но оказалось, что это не так. Ветер космических лучей с запада явно довлеет над восточным. Итак, первичные космические лучи — положительного заряда. Это — ядра различных атомов — водорода (протоны), гелия, лития и т. д. Лишь на один-два процента, как это выяснилось уже в эру спутников, космические лучи составлены из электронов и (все-таки!) гамма-квантов.
Вариация 4. «Ветер» затылок
«Космики» не оставляли попытки обнаружить суточные вариации. Еще в тридцатые годы стало ясно, что если они и существуют, то не могут превышать одного процента от общего фона изотропного космического излучения. Чувствительность приборов медленно, но верно приближалась к этой величине. Казалось, они вот-вот зарегистрируют долгожданный всплеск космического излучения, приходящий с определенного направления. Почему же, несмотря на крах гамма-квантовой теории космических лучей, ученые ждали суточных вариаций?
Будем рассуждать так: допустим, Земля движется в пространстве, абсолютно изотропно заполненном летящими частицами космических лучей. Но даже в этом случае одна вариация все же оставалась бы. Земля, как спринтер, бегущий по гаревой дорожке, должна получать «в лицо» встречный «ветер» космических лучей. А раз Земля вертится, то этот «ветер» должен проявляться в момент, когда какая-нибудь точка земной поверхности выныривает из ночи на линию восхода — в 6 часов утра по местному времени. Ученые ждали и искали шестичасовую вариацию, но так и не нашли. Наоборот, оказалось, что Земля получает не встречный «ветер» космических лучей, а подхлестывающий.
Открытый, наконец, источник вариаций с периодом в солнечные сутки расположен к западу от линии Земля — Солнце. Поток космических лучей как бы подгоняет Землю сзади в ее беге вокруг Солнца и дает всплеск на ее «вечерней» стороне примерно в 18 часов местного времени. «Ветер» частиц с запада в околосолнечном пространстве тоже преобладает над «ветром» с востока! По одной из гипотез, механизм примерно таков: солнечная плазма с огромной скоростью движется прочь от Солнца вдоль силовых линий магнитного поля светила, уходящих в пространство. При этом в межпланетном пространстве должно возникать электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю Солнца. Положительные частицы космических лучей, летящие с запада, в этом поле ускоряются, а летящие с востока, с 6-часового направления — замедляются.
Важную роль может играть еще один вероятный механизм 18-часовой вариации. Дело в том, что магнитные силовые линии Солнца, заходящие далеко в космос, крепко привязаны к поверхности светила. Весь этот каркас силовых линий вертится вместе с Солнцем в ту же сторону, что бежит по орбите Земля, только с большей угловой скоростью. Петли солнечных силовых линий настигают Землю сзади, догоняют и обгоняют ее. А к силовым линиям «привязаны» заряженные частицы космических лучей…
Но это еще не все о 18-часовой вариации. Еще один возможный ее механизм связан с «большой вариацией» — 11-летним периодом солнечной активности.
Вариация 5. Магнитные рельсы
Главная часть космических лучей приходит к нам из Галактики. Некоторые частицы — самые энергичные, возможно, внегалактического происхождения. А в отдельные периоды, во время мощных хромосферных вспышек на Солнце, межпланетное пространство пересекают грандиозные потоки солнечных космических лучей. Вспышки — серьезная опасность для космонавтов. Но все ли они одинаково опасны? Если бы это было так, то в годы максимума 11-летнего периода солнечной деятельности космос был бы просто закрыт для полетов.
Годы тщательных наблюдений позволили установить: особо опасные потоки солнечных космических лучей приходят в окрестности Земли только в одном случае — если вспышка произошла в западной части солнечного диска. Силовые линии магнитного поля Солнца, как мы говорили, уходят далеко в пространство, они следуют за вращением светила, но изгибаются в спираль — примерно так изогнется струя воды, если вы, поливая из шланга газон, начнете вертеться вокруг собственной оси. По изогнутым в спираль силовым линиям потоки космических частиц несутся, как по рельсам… Силовая линия Солнце—Земля всегда начинается на западном краю светила. Зная это, можно предсказать, насколько опасна вспышка для космонавта…
Но какое же отношение все это имеет к 18-часовой вариации? — спросите вы. Минуточку терпения…
Всякое сравнение хромает — и стройная картина солнечной магнитной короны со
спиральными рельсами силовых линий тоже соответствует действительности только весьма приближенно. Она поминутно нарушается. Солнечный ветер — поток солнечной плазмы вместе с «пузырьками» — различными нарушениями регулярного, однородного магнитного поля то сильней, то слабее «дует» от Солнца, стремясь при этом двигаться «незаконно», напрямик, по радиусу.
По пути он «выметает» галактические космические лучи. Когда ветер сильнее (в годы максимума солнечной деятельности), — он дальше отодвигает хаос галактического излучения. Но космические лучи «не терпят пустоты» — они стремятся вернуться в потерянные области и медленно просачиваются — диффундируют к Солнцу. При более спокойном Солнце эта диффузия усиливается, и космические лучи текут по магнитным рельсам солнечного поля. Из-за спиральности силовых линий они идут не прямо к Солнцу, а под углом. Можно разложить этот поток на две составляющие. Одну, направленную к Солнцу, почти полностью уравновешивает встречный «солнечный ветер» космических лучей, а вторая, направленная с запада на восток, вслед за вращением Земли, ничем не гасится и дает суточную вариацию с максимумом в 18 часов местного времени.
Вариация 6. И снова звездная
Довольно свободно я до сих пор оперировал понятием «галактические космические лучи». Но действительно ли они галактические? Если Галактика способна производить космические лучи, то должен быть поток частиц из Галактики наружу. Он может быть слабым из-за рассеяния частиц в магнитных полях космоса, но он должен существовать и должен проходить через Солнечную систему. Иными словами, речь снова идет о поисках звездно-суточной вариации космических лучей — тех самых поисках, что не удались в тридцатых годах.
Это была очень трудная задача. Земля, расположенная практически в магнитной сверхкороне Солнца, почти недоступна прямому потоку частиц из межзвездного пространства. Казалось бы, все они в бурной вотчине Солнца должны неузнаваемо менять направление. Так это обычно и бывает. Но в периоды «спокойного Солнца» ослабевает солнечный ветер, и рассеяние частиц в межпланетном пространстве на магнитных неоднородностях резко уменьшается. Может быть, удастся уловить прямой поток от звезд?
Весной 1954 года, в начале самого глубокого минимума солнечной активности приборы «космиков» уловили слабую вариацию с максимумом в 6 часов утра. Вариация, противоположная 18-часовой! Частицы, давшие 6-часовой всплеск, судя по всему, были довольно энергичными — такие Солнце производить не могло. Наступило лето, и 6-часовой источник космических лучей сдвинулся на полночь! Осенью он переместился на 18 часов и сильно ослаб. Зимой он почти исчез.
Это и был долгожданный галактический источник космических лучей. Он был наиболее четким летом, значит именно в это время Земля находилась к нему ближе всего. Весной, осенью и особенно зимой направление на него сохранилось неизменным, но количество препятствий на его пути возросло: Солнце и околосолнечное пространство с их бурными магнитными процессами.
Откуда же приходит «звездный поток»? Летом в полночь, весной утром, осенью вечером меридиан, на котором вы находитесь, пересекает прямую Земля — центр Галактики…
Мы только слегка коснулись некоторых из бесчисленных вариаций космических лучей, а сколько сценок из сокровенной жизни космоса они нам показали! Конечно, все это — именно вариации на тему, ибо сама тема вариаций совершенно необъятна.
Автор: Л. Дорман.