Космическое открытие

В тысячах метрах над нашими головами потоки сильной энергии, состоящие из субатомных частиц и гамма-лучей из открытого космоса, врезаются в верхние слои атмосферы. Эти столкновения дают лавину других частиц, большинство которых поглощается воздухом до того, как они достигнут поверхности Земли, так что до уровня Земли доходит только мелкий безопасный «моросящий дождик» радиации.

Было выяснено, что в дополнение к знакомым электронам, протонам и атомным ядрам эти «космические лучи» содержат и экзотические элементы, ранее неизвестные на Земле. Именно так и был открыт позитрон, положительно заряженная античастица электрона.

Если вкратце, то в начале 1923 года были сделаны первые фотографии космических лучей. На них были образы позитронов, но тогда этого еще никто не понял. Затем, после того как Поль Дирак в 1928 году предсказал, что существует положительно заряженная версия электрона, ее через четыре года обнаружили в космическом излучении. Вначале подумали, что позитрон – это нечто внеземное, но потом ученые обнаружили, что он постоянно производится и на Земле и является частью радиоактивных процессов. Единственная причина, объясняющая, почему его раньше никто не замечал, состоит в том, что для позитронов наш мир является чужим и враждебным, поскольку быстро их разрушает.

Дмитрий Скобельцын (1892–1990) – основатель российской школы физики атомного ядра и космических лучей. Он обнаружил в космических лучах заряженные частицы и их ливни и таким образом заложил основы физики высоких энергий. Считается первооткрывателем электронно-ядерных ливней и ядерного каскадного процесса

Так что, когда позитроны впервые разглядели, их не признали; а произошло это, как мы уже говорили, за пять лет до появления теории Дирака. И увидел их в 1923 году русский физик Дмитрий Скобельцын в Ленинграде, когда исследовал гамма-лучи.

Все видели след от реактивного самолета, след может оставаться в небе в течение нескольких минут и по нему можно следить о движении самолета. Такие следы состоят из крошечных капелек воды, которые конденсируются на выхлопных газах и создают длинное тонкое облако. Подобные признаки можно увидеть и в диффузионной камере, или камере Вильсона. Камера Вильсона – это первый трековый детектор заряженных частиц. Она была изобретена английским физиком Чарльзом Вильсоном в 1912 году. Действие камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. По сути это стеклянная коробка, в которой находится влажный воздух при низком давлении, также имеется поршень, который может внезапно позволить воздуху ворваться в камеру. Затем водяные пары из воздуха конденсируются на любых заряженных частицах, открывая их присутствие и движение миниатюрными следами, состоящими из паров. Для физиков, занимавшихся атомной физикой в начале ХХ века, камера Вильсона была подобна телескопу у астрономов. Она делала видимым то, что недоступно невооруженному глазу.

Гамма-лучи не оставляют непосредственных следов. Они чем-то похожи на человека-невидимку, придуманного Гербертом Уэллсом – они выдают себя, на что-то наталкиваясь, как герой Уэллса сталкивался с людьми. Именно так Скобельцын и решил их поймать. Невидимые гамма-лучи выбивали электроны из атомов в камере Вильсона, их следы Скобельцын мог видеть, а по ним надеялся получить и доказательства по гамма-лучам.

Камера Вильсона – один из первых в истории приборов для регистрации следов заряженных частиц. За это изобретение Чарльзу Вильсону присуждена Нобелевская премия (1927)

Это сработало – и даже слишком хорошо. Гамма-лучи оказались настолько мощными, что в дополнение к выбиванию электронов из газа они также выбивали их и из стенки камеры, что мешало замерам, которые пытался сделать Скобельцын. Затем ему пришла в голову идея избавиться от нежелательных электронов, поставив камеру между двумя полюсами большого магнита. «Облака» внутри стали менее густыми, видимость стала лучше, и это открыло нечто совершенно неожиданное: казалось, что магнит заставляет некоторые «электроны» отклоняться «не в ту сторону».

Сегодня мы знаем, что Скобельцын видел позитроны, положительно заряженную «анти»-версию электрона. Но ничто из этого не ожидали увидеть в 1923 году. Аномальные следы ставили в тупик и также отвлекали ученого от исследований.

Новость об этих следах распространилась в научном сообществе, и через пять лет Скобельцын решил показать их на международной конференции в Кембридже. Все удивились так же, как был удивлен он, но никто не мог предложить объяснения. Удивительно то, что он демонстрировал все это в 1928 году в Кембридже, в тот же год и там же, где Дирак выступит со своим теоретическим предсказанием существования позитронов, следы которых будут напоминать электроны, «направляющиеся не в ту сторону». Однако поскольку никто в то время не имел оснований ожидать, что позитроны существуют, да еще и проявятся в эксперименте Скобельцына, Нобелевскую премию он, можно считать, упустил.

Точных данных о том, присутствовал ли Дирак на этой конференции, нет. Но скорее всего не присутствовал – он же был математиком, и только в дальнейшем выяснилось, что его работа имеет значение для космических лучей. Вероятно, Дирак даже не знал о находках Скобельцына.

Роберт Милликен (1868–1953) – американский физик. Экспериментально проверил квантовую теорию фотоэффекта Эйнштейна и определил численное значение постоянной Планка. Международный астрономический союз присвоил имя Милликена кратеру на обратной стороне Луны

Магнитное поле заставляет заряженные частицы отклониться от курса. Отклонение получается больше в случае легких или медленно движущихся частиц, чем для более тяжелых и быстрых. Направление показывает, является заряд отрицательным или положительным: отрицательные идут в одну сторону, налево, а положительные в другую, направо. Однако нашлись и такие, которые шли прямо сквозь камеру, которую использовал Скобельцын. Эти следы оставляли электроны, которые двигались столь быстро, что магнитное поле едва ли успевало на них повлиять и отклонить перед тем, как они исчезали. Они двигались гораздо быстрее, чем могли частицы из любого радиоактивного источника или гамма-лучей, известных в то время. В действительности их выбили из атомов космические лучи. Хотя Скобельцын этого не понял, он стал первым, кто наблюдал следы самих космических лучей. Почти точно, что это лучи содержали не только электроны, но и позитроны, но они недостаточно отклонялись для того, чтобы обратить на себя внимание, поэтому ученый не стал заниматься более детальным изучением вопроса и упустил Нобелевскую премию во второй раз.

В 1923 году Роберт Милликен получил Нобелевскую премию за измерение заряда электрона с высокой точностью. Милликен проводил эксперименты с заряженными капельками масла. Он измерил в них заряд электрона.

Элементарный электрический заряд является одной из фундаментальных физических констант, и знание его точного значения очень важно. В своих экспериментах Милликен измерял силу, действующую на мельчайшие заряженные капельки масла, подвешенные между электродами при помощи электрического поля. При известном значении электрического поля можно определить заряд капли. Проведя повторные эксперименты с большим количеством капелек, Милликен показал, что результаты могут быть объяснены, если предположить, что заряд капли пропорционален целому числу элементарных зарядов.

Выражение «космические лучи» (или «космическое излучение») тоже придумал Милликен, у которого была своя теория происхождения внеземной радиации. Он считал, что космические лучи – это гамма-лучи, «родовые муки создания», как он называл их сам, хотя не совсем понятно, что он имел в виду. Чтобы извлечь из лучей то, что в них содержится, вначале нужно заставить их изогнуться, или отклониться, показать заряд и энергию, а для этого требуется более сильный магнит. Если магнитное поле достаточно сильное, то можно отклонить и перенаправить даже самые быстрые частицы. В 1930 году Милликен предложил своему студенту Карлу Андерсону построить достаточно мощный магнит для отклонения космических лучей.

Андерсон воплотил это с помощью инженеров в ближайшей аэронавигационной лаборатории. Магнитные поля получались в десять раз мощнее, чем у Скобельцына, с их помощью Андерсону удалось изменить направления полета частиц. К своему удивлению он обнаружил, что в космических лучах содержатся и положительно, и отрицательно заряженные частицы в примерно равных количествах.

Как говорилось выше, Милликен считал, что космические лучи состоят из гамма-лучей, которые следов не оставляют. Он предположил, что заряженные частицы были выбиты из атомов гамма-лучами. В его интерпретации отрицательными были электроны, а положительными – протоны. Однако фотографии, сделанные Андерсоном, с этим не совсем сочетались. Легкие частицы типа электронов оставляют тонкие слабые следы, очень сильно отличающиеся от плотных следов массивных протонов. Все следы на фотографиях Андерсона выглядели как следы электронов, и поэтому он высказал предположение, что те, которые отклонились «не в ту сторону», – это не положительно заряженные частицы, идущие вниз, а электроны, идущие вверх. Милликену это не понравилось, на его суждения сильно влияло понимание природы космических лучей, и он настаивал, что даже если следы тонкие, а не густые, их тем не менее вызывают протоны, которые идут вниз.

Андерсон решил спор, установив свинцовую пластину в центре камеры. Если частица пройдет сквозь пластину, то потеряет энергию, и ее кривая изменится после того как она выйдет из пластины, в сравнении с тем, какой была до входа. Таким образом, споры о том, идут ли они вверх или вниз, прекратятся, также раз и навсегда определится знак заряда: положительные – вниз, а отрицательные – вверх.

Это и вправду дало ответ на вопрос и показало, что ошибались и Андерсон, и Милликен! Следы были оставлены не положительно заряженными протонами и не электронами, которые шли вверх, а являлись следами «положительных электронов», которые шли вниз. По крайней мере Андерсон был удовлетворен, хотя ему все еще было трудно убедить своего учителя в находке.

Интересно, что первым Андерсон увидел позитрон, который в действительности двигался вверх (это оказался случайный позитрон, получившийся в результате удара космического луча по атому в воздухе ниже свинцовой пластины, затем он отскочил вверх и прошел сквозь нее). Затем ученый обнаружил первый красивый пример положительной частицы, которая определенно была гораздо легче протона и двигалась вниз сквозь свинцовую пластину. Вскоре он увидел несколько примеров таких «положительных электронов» и обрел достаточную уверенность в находке, чтобы рассказать о ней научной общественности. Первая фотография следов была опубликована в декабре 1931 года в журнале Science News Leter, тогда же впервые появилось название «позитрон». И сохраняется до сих пор.