С. Э. ФРИШ.
Преп. Ленингр. Гос. Унив.
Еще в 1903 г. английские физики Резерфорд и Мак-Леннан заметили, что скорость утечки электрического заряда с электроскопа становится меньше, если электроскоп поместить внутрь толстостенной, непроницаемой для воздуха, металлической камеры. Это означает, что разряжение электроскопа происходит не от несовершенства изоляции, а от каких-то лучей, подобных гамма-лучам радия, которые могут проникать сквозь металлические стенки камеры и ионизировать внутри воздух, т. е. делать его проводящим. Обнаруженное таким образом излучение, в виду его свойства проникать сквозь значительные толщи металла, было названо „проникающим излучением“ и сначала приписывалось радиоактивным веществам, находящимся в земле. Но в 1910 г. германский физик Гоккель, поднявшись с электроскопом на воздушном шаре на высоту в 13 000 футов, нашел, что на этой высоте „проникающее излучение“ не менее интенсивно, чем внизу, в то время, как по вычислениям оно должно было бы уменьшиться вдвое при подъеме на 250 футов, если бы оно действительно происходило от радиоактивности земной коры. В 1912-1914 годах два других германских физика Гесс и Кольгорстер повторили наблюдения Гоккеля. Они подымались на воздушном шаре на высоту до 9 км и нашли, что излучение на этой высоте значительно интенсивнее, чем на земной поверхности. Это указывало, повидимому, на то, что „проникающие лучи“ исходят извне по отношению к земле и что, следовательно, они какого-то космического происхождения. Война остановила дальнейшее изучение этих лучей, и лишь в 1922 г. знаменитый американский физик Милликэн возобновил наблюдения над ними. Ему удалось поднять на воздушном „шаре-пилоте“ на высоту в 15½ км маленький электроскоп, автоматически регистрирующий свои показания на фотографической пленке, и снова показать, что интенсивность лучей возрастает с высотой.
Однако, указанных опытов было недостаточно для выяснения природы „проникающих лучей“. В виду этого Милликэн решил более детально изучить их проникающую способность, исследуя их поглащение в больших толщах воды. Так как на поверхности земли лучи слабее, чем на высоте, то Милликэн стал искать высоко-горное, питаемое снегом, озеро. Последнее обстоятельство было нужно для того, чтобы гарантировать отсутствие радиоактивных загрязнений воды; радиоактивное загрязнение, происходящее от просачивания воды сквозь землю, исказило бы результаты, полученные при погружении электроскопов на различные глубины под поверхностью озера. „Мы выбрали для первого опыта, пишет Милликэн, красивое озеро Муир на высоте в 11 800 футов, глубиною в сотни футов, как раз под вершиною горы Уитней, высочайшей вершины Соединенных Штатов. Мы работали здесь последние десять дней августа (1925), погружая наши электроскопы на различную глубину, до 60 футов. Наши опыты обнаружили совершенно определенно космическое излучение такой необыкновенно проникающей силы, что оно обнаруживалось электроскопом еще на глубине в 45 футов. Поглощающая способность атмосферы над озером была эквивалентна 23 футам воды, так что лучи, попадающие на землю из внешнего пространства, настолько проникающи, что способны пройти через 68 футов воды, что равноценно 6 футам свинца. Наиболее проникающие лучи Рентгена, которые мы получаем в наших больницах, не могут пройти и через полдюйма свинца“. Все результаты, полученные на озере Муир пишет далее Милликэн, были с удивительным совпадением проверены другим рядом опытов на другом питаемом снегом озере — озере Арроухэд — в 300 милях от Муира и на 7000 футов ниже его. Поглощающая способность слоя атмосферы между высотами озер Муира и Арроухэда равна приблизительно двум метрам воды, и на самом деле, всякий отчет в Арроухэде был практически одинаков с отчетом, сделанным в Муире на глубине, на два метра большей“. Кроме того, Милликэном было обнаружено, что лучи пронизывают пространство с одинаковою интенсивностью и днем, и ночью по всем направлениям.
Что же представляют собой эти необычайно проникающие лучи, попадающие на землю из космического пространства?
Различного рода лучи — лучи видимого света — лучи ультра-фиолетовые, инфра-красные, электрические, лучи Рентгена и лучи гамма, по воззрениям современной физики, тождественны по своей природе; все они представляют собою распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны и отличаются друг от друга лишь длиной волны. Так, электрические лучи, употребляемые в радио-телеграфии, имеют длину волны от нескольких километров до нескольких метров; наименьшая же длина волны электрических лучей, получаемых лабораторно, не превышает десятых долей мм; такой же длиной волны обладают крайние инфракрасные лучи, испускаемые раскаленными телами, в то время, как другим своим концом инфракрасные лучи непосредственно примыкаются к лучам видимого света, длины волн которых располагаются в промежутке от 0,76 μ до 0,4 μ (1 μ = 0,001 мм). С „короткой“ стороны к видимым лучам примыкают лучи ультрафиолетовые, которые, как выяснено в настоящее время, непосредственно граничат с лучами Рентгена; длина же волны лучей Рентгена в тысячи и даже десятки тысяч раз меньше длины волны видимых лучей. Наконец, еще меньшей длиной волны, чем лучи Рентгена, обладают лучи гамма, испускаемые радиоактивными элементами; их длина волны достигает 0,000002 μ. Таким образом, мы имеем одну непрерывную „шкалу“ электромагнитных волн, тянущуюся от произвольно длиных электромагнитных волн, возникающих вокруг колеблющихся электрических зарядов, и кончающуюся чрезвычайно малыми длинами волн лучей гамма.
Спрашивается, какое же место в этой шкале должны занимать „проникающие лучи"?
Наблюдения показывают, что лучи Рентгена и лучи гамма поглощаются тем меньше, чем больше их частота, или, что то же самое, чем меньше их длина волны. Таким образом, необычайно большая способность проникновения космических лучей указывает на чрезвычайно малую длину их волны. Для лучей Рентгена и для лучей гамма можно теоретически вывести формулу, дающую связь между коэфициентом поглощения и длиной волны. Можно предполагать, что эта формула должна быть пригодна и для новых — космических лучей, хотя, конечно, полученные с ее помощью длины волн нельзя считать достоверными, пока они не будут проверены каким-нибудь другим способом. Если воспользоваться этой формулой для космических лучей, то для длин волн получаются значения в тысячи раз меньшие, чем для лучей Рентгена. Таким образом, волны новых лучей, приблизительно, настолько же короче волн лучей Рентгена, насколько последние короче волн видимого света.
Дальнейшие более тщательные наблюдения Милликэна и его сотрудников указали, что космические лучи неоднородны и состоят из четырех групп, каждая из которых характеризуется своим коэфициентом поглощения и, следовательно, своей длиной волны. Коэфициенты поглощения для воды этих четырех групп лучей имеют значения: 0,30; 0,08; 0,04; 0,02, а соответствующие им длины волн-0,00046 Å; 0,00012 Å; 0,00006 Å; 0,00003 Å, где Å (ангстрем) — единица длины употребляемая в спектроскопии и равная одной десятитысячной доле микрона. Таким образом, на нашей шкале космические лучи должны занять, соответственно с их малой длиной волны, крайне-правое место за лучами гамма.
Теперь перед нами встает следующий вопрос: что же является источником этих лучей, в результате какого процесса они испускаются?
Для того, чтобы разобрать гипотезу о происхождении космических лучей, предложенную Милликэном, нужно несколько остановиться на вопросе о строении атомов.
Современная физика представляет себе атомы построенными следующим образом: в центре тяжелое, положительно заряженное ядро; вокруг ядра, подобно планетам вокруг солнца, вращаются легкие электроны. Водородное ядро является простейшим ядром и носит название протона. Вокруг ядра-протона в атоме водорода вращается один электрон. Следующий за водородом атом, атом гелия, имеет два электрона, вращающихся вокруг ядра. Ядро атома гелия в 4 раза тяжелее ядра атома водорода. Аналогично построены атомы прочих элементов, причем, вообще говоря, число электронов, вращающихся вокруг ядра, тем больше, чем больше атомный вес элемента. Имея в протонах простейшие единицы положительного электричества, мы можем предположить, что ядра всех атомов построены из протонов — из ядер водорода. Этим воскрешается старая гипотеза Проута, предполагавшая, что все атомы построены из простейшего атома — атома водорода. Однако, некоторые соображения, на которых мы не будем останавливаться заставляют принять, что внутри атомных ядер, кроме протонов, имеются еще электроны. Так, ядро гелия состоит из четырех тесно расположенных протонов и двух электронов, что схематически изображено на рисунке. Природа сил, удерживающих протоны и электроны внутри ядра, пока еще недостаточно выяснена. Тем не менее, мы полагаем, что и ядра прочих атомов построены из тесно расположенных протонов и электронов. Такая точка зрения находит подтверждение в явлении радиоактивности. Физика рассматривает радиоактивность, как самопроизвольное, катастрофическое распадение малоустойчивых ядер тяжелых элементов. Части распавшагося ядра радиоактивного элемента представляют собою ядра новых, более легких атомов; таким образом, при радиоактивности происходит превращение одного элемента в другие, причем акт превращения, по большей части, сопровождается испусканием лучей с весьма малой длиной волны — лучей гамма.
Милликэн предполагает, что космические лучи испускаются также в результате превращения атомов, но не в результате распада более тяжелых атомов на более легкие, как лучи гамма, а в результате обратного процесса — соединения нескольких более легких атомов в один, более тяжелый. Эта гипотеза может быть численно подтверждена с помощью двух основных положений современной физики.
Первое из этих положений, известное под названием правила частот Бора, говорит, что частота излучения (а след. и длина волны) непосредственно связана с количеством энергии, испускаемой при акте излучения; чем больше количество испускаемой энергии, тем больше частота, а следовательно, тем меньше длина волны. Весьма простая формула позволяет вычислить частоту по количеству испускаемой энергии.
Второе из этих положений вытекает из теории относительности; оно утверждает, что всякая масса эквивалентна некоторому количеству энергии и наоборот. Законы сохранения массы и сохранения энергии в отдельности не имеют места; в природе выполняется лишь более общий закон, по которому неизменным остается общее количество массы и энергии. Масса может пропадать, как таковая, но вместо нее должно возникнуть соответственное количество энергии. Если количество пропадающей массы выражено в граммах, то количество возникшей энергии в эргах численно получится, если помножить число граммов на 9·1020, т. е. на чрезвычайно большое число, изображаемое девяткой с двадцатью нулями; это число равно квадрату скорости света в пустоте, выраженной в см. в сек.
Рассмотрим, пользуясь этим и двумя положениями, процесс образования атомов гелия из протонов и электронов. Ядро гелия, как мы указывали, состоит из четырех протонов и двух электронов. Нейтральный атом гелия имеет еще два внешних электрона, вращающихся вокруг ядра. Таким образом, всего атом гелия состоит из четырех протонов и четыре электронов, в то время, как атом водорода состоит из одного протона и одного электрона; иными словами: атом гелия состоит из четырех атомов водорода. В настоящее время, благодаря работам английского физика Астона, атомные веса многих элементов известны с чрезвычайно большой точностью. Так, по Астону атомный вес водорода равен 1,00778, а атомный вес гелия равен 4,00216. Если бы атом гелия образовывался бы из 4 атомов водорода без потери в массе, то атомный вес гелия равнялся бы:
т. е. равная почти 0,03 г. на каждый грамм-атом гелия, т. е. на каждые 4 г гелия. По указанному выше положению теории относительности, в результате этой потери в массе должно выделиться эквивалентное количество энергии, которое будет равно
Далее, производя аналогичные расчеты, Милликэн находит, что лучи, которые должны испускаться в результате образования атомов кислорода из протонов и электронов, будут обладать коэфициентом поглощения 0,074, а испускаемые в результате образования атомов азота — коэфициентом поглощения 0,086. Среднее из этих двух значений 0,080 хорошо совпадает с найденным на опыте коэфициентом поглощения второй группы космических лучей.
Точно так же Милликэн получает, что коэфициент поглощения лучей, испускаемых при образовании атомов кремния, должен равняться 00,4 а испускаемый при образовании железа 0,02; эти два коэфициента точно совпадают со значениями, найденными из опыта, для третьей и четвертой группы космических лучей.
Весьма интересно отметить, что гелий, азот, кислород, кремний и железо принадлежат к числу более распространенных элементов, не только в земной коре, но, по всей вероятности, и в остальных частях вселенной. Так, анализ метеоритов указывает, что на долю кислорода, кремния и железа приходится 82% всей их массы. Таким образом, в каких-то частях мирового пространства, повидимому, происходит процесс образования новых атомов из протонов и электронов, и космические лучи, попадающие на землю, доносят до нас об этом весть.
Милликэн полагает, что образование новых атомов из протонов и электронов происходит в междузвездном пространстве, в то время, как внутри звезд имеет место другой процесс: полное исчезновение атомов водорода. По мнению Милликэна, при огромных давлениях и температурах, господствующих внутри звезд, возможно падение электронов на протоны, причем в результате такого падения не только взаимно нейтрализуются положительный и отрицательный заряды протона и электрона, но и исчезает присущая им масса; вместо исчезнувшей массы должно, как мы указывали, возникнуть эквивалентное количество энергии. Это количество энергии равняется, приблизительно, 200 миллиардам больших калорий на каждый грамм исчезнувшей массы. Таким образом, исчезновение атомов водорода должно сопровождаться выделением необычайно больших количеств энергии, которые будут испускаться в виде лучей с длиной волны еще меньшей, чем длина волны обнаруженных космических лучей. Далее Милликэн, в согласии с некоторыми другими учеными, предполагает, что в мире имеет место и обратный процесс: исчезновение энергии и возникновение вместо нее эквивалентных количеств массы.
Эти гипотезы оказываются весьма важными для космогонии, в частности для решения проблемы так называемой „тепловой смерти“. Согласно второму закону термодинамики, все мировые процессы стремятся выравнять неравномерность температур, так что в конце концов должно наступить состояние, характеризуемое вполне одинаковыми температурами всех частей вселенной, а соответственно с этим прекращением различных физических и химических процессов. Иными словами, мировой механизм подобен маятнику, совершающему затухающие колебания, который рано или поздно должен остановиться. Но если это так, если действительно все мировые процессы ведут к „тепловой смерти“, то, спрашивается, почему мировая смерть уже не наступила, почему маятник, совершающий затухающие колебания, уже не остановился?
На основании же гипотез о превращении массы в энергию и энергии в массу, мировой процесс может быть представлен в виде следующего не затухающего кругового процесса: внутри звезд исчезают протоны и электроны, а вместо них возникают лучи большой частоты, несущие огромные количества энергии; поглощаясь в толще звезд, эти лучи пополняют запас тепловой энергии звезд благодаря чему звезды остывают лишь весьма медленно, уменьшаясь приэтом в массе. Световые лучи, испускаемые звездами, частью поглощаются другими небесными телами, частью же, пересекаясь в междузвездном пространстве, превращаются в протоны и электроны, которые, притягиваясь друг к другу электростатическими силами, образуют атомы водорода. Атомы водорода, сталкиваясь при каких-то особо благоприятных условиях, образуют атомы более тяжелых элементов, главным образом гелия, кислорода, кремния и железа. Испускаемые при этом лучи наблюдаются нами в качестве „проникающих“, космических лучей. Атомы различных элементов, разбросанные по междузвездному пространству, притягиваясь по закону всемирного тяготения, дают начало новым туманностям, а последние, сжимаясь с выделением тепла, новым горячим звездам.
Насколько оправдаются в дальнейшем гипотезы, предложенные Милликэном, неизвестно, но их заманчивость ясна: они позволяют уподобить мировой механизм идеальному маятнику, совершающему незатухающие колебания. Вопросы о времени существования мира, о его „начале“ и его „тепловой смерти“ теряют смысл.
С. Фриш.