2. Cтранники Вселенной

    В начале ХХ века французский физик Г. Беккерель обнаружил, что некоторые химические элементы нестабильны - они могут превращаться в другие элементы. Такое превращение сопровождается испусканием частиц. Поток этих частиц получил название радиация, а сам процесс - радиоактивный распад. Обнаружить эти частицы можно было с помощью единственного в то время прибора - электроскопа, который позволял определить присутствие электрически заряженных частиц, находящихся вблизи него. Прибор разряжался в присутствии радиоактивных веществ, излучавших заряженные частицы. По скорости разряда электроскопа определяли уровень мощности радиации.
    Открытие космических лучей связано с исследованиями ионизации атмосферного воздуха и газов. Первые свидетельства возможности существования космического излучения были получены английским физиком Ч. Вильсоном (Нобелевским лауреатом 1927 г.) в 1900 г. в его исследованиях с проводимостью газов. Возникающий под действием электрического поля остаточный ток в электроскопе, обнаруженный им, мог быть объяснен ионизацией газа от гамма-излучения, связанного с естественной радиоактивностью почвы и присутствием в воздухе эманации радия - радиоактивного элемента. Однако, существование этого тока в условиях сильной экранировки экспериментальной установки от гамма-квантов помогло В. Вильсону высказать предположение о внеземной природе излучения, ответственного за ионизацию газа и, как следствие, генерацию остаточного тока. В. Вильсон полагал, что источником этого излучения могут быть частицы высокой энергии, возникающие в верхних слоях атмосферы за счет ускорения электронов в электрическом поле грозовых облаков.
    Наличие внеземного излучения было позднее подтверждено в экспериментах над поверхностью Земли. Среди них: эксперименты T. Вульфа на Эйфелевой башне (1910-1914 гг.) и Д. Гоккеля (1909-1910 гг.) на воздушном шаре на высотах до 4000 м.
    Наиболее результативным оказался эксперимент В. Гесса (1911-1912 гг.) по подъему электроскопов для исследования ионизации на высотах до 5000 м.

Рис. 2.1. Примерно так выглядела кривая изменения ионизации с высотой в экспериментах В. Гесса. В начале скорость ионизации падала вследствие уменьшения влияния радиоактивности самой Земли, а затем, по неизвестной причине, начинала расти.

    Именно в этих экспериментах, рискуя жизнью, В. Гесс обнаружил, что ионизационный ток в электроскопе сначала падает (вследствие ослабления влияния радиоактивности Земли), а затем начинает расти за счет увеличения доли космического излучения (рис 2.2) . В.Гесс назвал это излучения 'durchdringende no henstrahlung' - 'проникающее высотное излучение'. Он полагал, что это так называемые 'ультра-гамма-лучи'. В начале ХХ века гамма-излучением называли компоненту радиоактивного излучения ядер, которая не испытывала отклонения при движении в магнитном поле, в отличие от альфа-излучения и бета-излучения. Во время одного из полетов В.Гесса произошло солнечное затмение, но он не увидел уменьшения ионизации. Он сделал правильный вывод, что источником излучения не может быть Солнце.
    Эти эксперименты послужили началом нового направления в физике - физики космических лучей. Лишь много лет спустя, в 1936 г., за открытие космических лучей В.Гессу была присуждена Нобелевская премия.
    Термин 'космические лучи' был дан этому новому виду излучений физиком Р. Милликеном, который продолжал работы в этой области в 1922-1926 гг., достигнув высоты измерений на шарах-зондах 15.5 км. Он показал, что интенсивность космических лучей меняется с высотой, следуя вполне определенной закономерности, связанной с эффективностью их поглощения в атмосфере. Р. Милликен вслед за В. Гессом также полагал, что космическое излучение - это гамма-кванты или гамма-лучи. Поэтому он по аналогии и назвал неизвестный вид проникающего излучения 'космическими лучами'. Это было в 1932 г. Термин 'космические лучи' прижился за почти 100-летнюю историю этого направления физики. Однако космические лучи не имеют ничего общего с лучом света, а скорее напоминают разряженный газ, состоящий из частиц, редко взаимодействующих друг с другом.
    Р. Милликену принадлежит идея происхождения космических лучей в межзвездном пространстве, но не в самих звездах. Она была основана на наблюдениях независимости 'ультра-радиации' - космических лучей, наблюдаемых в определенном месте, - от положения на небе Солнца и Млечного Пути. Это было вполне справедливо, согласно современным представлениям, но:лишь отчасти:
    Другие физики - Ф. Цвики вместе с В. Бааде в 1934 г. высказали идею о 'новых' и 'сверхновых' звездах - источниках космических лучей. Они опубликовали свою гипотезу в 1934 г. в журнале Physical Review. Насколько плодотворной оказалась эта идея можно судить о продолжающемся до сих пор потоке научных публикаций, связанных как с теорией ускорения частиц при взрывах сверхновых звезд, так и с экспериментами, направленными на поиски подтверждений этой гипотезы.
    В первых опытах исследователи имели дело с результатом взаимодействия космических лучей с веществом (воздухом) и, как следствие, наблюдали остаточный ионизационный ток в приборах. Русские физики Л. Мысовский и Л. Тувим, изучив поглощение частиц в воде, которое было значительно меньше, чем для гамма-квантов, пришли к выводу о большей проникающей способности космического излучения.
    Д. Скобельцын был первым, кто смог 'увидеть' сами частицы. Для этого он использовал камеру Вильсона, позволявшую регистрировать треки - следы отдельных частиц. Поместив ее в магнитное поле, он обнаружил следы слабо отклоняющихся в магнитном поле частиц (рис.2.2). Это были космические лучи - частицы из далеких областей Вселенной.

Рис. 2.2. Такой увидел космическую частицу Д.Скобельцын в камере Вильсона. В отличие от электронов, траектории которых сильно искривляются магнитным полем, трек космической частицы был виден в виде прямой линии.

Таково вкратце начало истории открытия космических лучей. В последующие годы на основе огромного количества экспериментов под землей, на земле, в атмосфере и в космическом пространстве был накоплен значительный материал о характеристиках этого природного феномена. Об этом пойдет речь в следующем разделе.