Доктор физико-математических наук Татьяна РОГАНОВА, заведующая лабораторией Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

11 июля 2010 г. исполняется 100 лет со дня рождения выдающегося отечественного физика академика Сергея Николаевича Вернова (1910 - 1982). Его имя неотделимо от изучения практически всех аспектов космических лучей и теории элементарных частиц, плазменных явлений, астрофизики и геофизики.

ИСТОКИ

Сергей Николаевич родился 11 июля 1910 г. в городе Сестрорецк Ленинградской области. Его отец работал почтовым служащим, мать преподавала математику. В 1926 г. юноша окончил Единую трудовую школу в Ленинграде. В протоколе аттестационной комиссии записано, что он "обладал большими способностями как в области математических, так и гуманитарных дисциплин", при этом "отмечался всеми преподавателями как самый лучший ученик выпускного класса". Тогда же Сергей поступил в Механический техникум, а спустя год стал студентом физико-математического факультета Ленинградского политехнического института.

Учебу совмещал с работой в Радиевом институте. Это предопределило его дальнейший путь: в 1931 г. по окончании Политеха он был зачислен в аспирантуру исследовательского центра ядерно-физического профиля, где и начал свою деятельность, связанную с изучением космических лучей. Этой теме он посвятил всю свою жизнь.

"ЛЕТАЮЩАЯ ЛАБОРАТОРИЯ"

В начале 1930-х годов информации о космических лучах было мало. Ученые знали, что они содержат сложную смесь частиц исключительно высоких энергий (в сравнении с излучениями радиоактивных веществ). Значительная их доля, как предполагалось, образуется в атмосфере под действием некой первичной компоненты. Кроме того, немногочисленные зарубежные эксперименты с простейшим прибором - ионизационной камерой - показывали: их интенсивность по мере поднятия на высоту увеличивается.

Поставив задачу максимально снизить влияние атмосферы на первичную компоненту и тем самым приблизиться к пониманию ее природы, Верное создал первую в мире "летающую лабораторию", оборудованную аппаратурой для высотных автоматических измерений потоков космических лучей с передачей данных на Землю по радио. При этом он использовал идею стратосферного радиозонда, созданного известным советским аэрологом, ленинградским профессором Павлом Молчановым и впервые запущенного в свободный полет в 1930 г. Результаты, полученные Сергеем Николаевичем с помощью этой методики, легли в основу его кандидатской диссертации. Главное - применение радио не требовало "спасения" приборов, и это открывало перспективы постановки экспериментов в любом районе страны, в горах, в океане.

В 1935 г. Вернов поступил в докторантуру Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН), переехавшего к тому времени из Ленинграда в Москву. Здесь под руководством основателя научной школы физической оптики в СССР, президента АН СССР в 1945 - 1951 гг. академика Сергея Вавилова и известного специалиста в области физики высоких энергий академика Дмитрия Скобельцына он "оттачивал" свой стиль, сочетавший смелый эксперимент с глубоким теоретическим анализом.

В 1936 - 1938 гг. Сергей Николаевич изучал широтный эффект космических лучей в стратосфере в Ленинграде, Ереване и в районе экватора, организовал морскую экспедицию в Индийский океан для запуска шаров-зондов. Результат превзошел все ожидания: космические частицы, поток которых на экваторе примерно в 4 раза меньше, чем на высоких широтах, не нейтральны, а имеют электрический заряд, что приводит к их отклонению магнитным полем Земли. В 1939 г. Вернов защитил докторскую диссертацию, первую в ФИАНе по этой тематике.

НА ШТУРМ СТРАТОСФЕРЫ

В 1943 г. местом его основной работы стал МГУ им. М. В. Ломоносова. На кафедре атомного ядра и радиоактивных излучений, а затем в Научно-исследовательском институте ядерной физики (НИИЯФ)*, образованном в МГУ в 1946 г., где Сергей Николаевич сразу стал заместителем директора по научной работе, он широким фронтом развернул прерванные Великой Отечественной войной стратосферные исследования.

Начиная с 1944 г. высокогорным полигоном для изучения космического излучения служил Восточный Памир. Сотрудники ФИАНа организовали туда первую экспедицию. К зиме 1947 г. в ущелье Чечекты (3380 м над уровнем моря) построили большое современное здание научной станции, рассчитанное на круглогодичное использование. Именно на Памире ученые сделали крупные открытия, раскрывающие природу электронно-ядерных ливней и ядерно-каскадного процесса. Но многое оставалось неясным.

Так, в 1940-е годы специалисты считали: космические лучи состоят из электронов и позитронов. Сергей Николаевич был горячим сторонником этой гипотезы, хорошо объяснявшей высотный ход, широтный эффект и отсутствие азимутальной асимметрии в районе экватора, наблюдавшееся, в частности, в эксперименте американских физиков Томаса Джона и Джона Барри в 1939 г. Однако существовали и иные точки зрения. К примеру, астрофизик Марк Шейн (США) утверждал: в космических лучах нет высокоэнергичных электронов. Для окончательного решения вопроса о знаке их заряда Вернов организовал в 1949 г. вторую морскую экспедицию в экваториальные широты Индийского океана на научно-исследовательском судне "Витязь". Поставленные там опыты убедительно показали: сведения некоторых авторов об отсутствии так называемой восточно-западной асимметрии ошибочны. На самом деле она есть, и частицы космических лучей обладают положительным электрическим зарядом. Отсюда следовал вывод об их протонной природе. Он и стал определяющим для Сергея Николаевича.

Проведенный далее анализ экспериментов при энергиях ≤ 10¹²эВ, позволивший получить основные характеристики взаимодействий космических лучей с ядрами атомов воздуха, привел его к важному заключению: первичный протон в процессах рождения пионов** и расщепления ядра мишени на более легкие фрагменты (протоны, нейтроны, альфа-частицы) теряет только часть своей энергии, оставляя при этом, по выражению самого Вернова, "львиную долю" себе. Эту нерастраченную "силу" уносит, в основном, один (лидирующий) нуклон. Таким образом, он выяснил природу первичных космических лучей и основные особенности генерации ими вторичных частиц. Многолетний труд ученого получил широкое признание: в 1949 г. ему вручили Государственную премию СССР, а в 1953 г. избрали членом-корреспондентом АН СССР.

* См.: М. Панасюк, Е. Романовский. От гипотез - к открытиям. - Наука в России, 1995, N 6 (прим. ред.).

** Пионы - группа частиц из трех нестабильных адронов (прим. ред.).

ШИРОКИЕ АТМОСФЕРНЫЕ ЛИВНИ

В конце 1950-х годов Сергей Николаевич создал в МГУ уникальную установку ШАЛ. Ее измерительная система, занимавшая огромную по тем временам площадь (около 3 км²), позволяла регистрировать и изучать широкие атмосферные ливни (отсюда и название), вызванные частицами сверхвысоких энергий (5 * 10¹⁴ -10¹⁷эВ). Измеряя энергетический спектр первичных космических лучей в указанном диапазоне, Вернов вместе с коллегами обнаружил при энергиях ~10¹⁵эВ излом, вероятно, характеризующий переход от частиц галактического происхождения к наиболее энергичным, идущим из Метагалактики. Этот результат зарегистрировали как открытие, впоследствии подтвержденное в других экспериментах. Однако его физическая интерпретация до сих пор остается неоднозначной.

ШАЛ МГУ была одной из самых информативных установок в мире. Ее постоянно модернизировали, увеличивая по площади и составу регистрирующих приборов. Кроме газоразрядных счетчиков, в ней стали использовать сцинтилляционные и черенковские детекторы*.

В дальнейших поисках ответа на вопрос о происхождении космических лучей сверхвысоких энергий и определении их источников ученые создали в начале 1970-х годов в долине реки Лена, в 50 км от города Якутска, еще одну крупную установку для регистрации широких атмосферных ливней. Размещенная на площади 20 км", она позволяла измерять первичный энергетический спектр при энергиях до 10²⁰эВ. Этот комплекс и сегодня в строю. Среди прочих "громких" результатов, полученных здесь в последние годы, - измерение углового распределения источников в галактических координатах. Так, установлено: избыток потока космических лучей предельно высоких энергий совпадает с плоскостью Сверхгалактики. Эти данные были подтверждены и на гигантской установке им. Пьера Оже площадью 3000 км", расположенной в Аргентине. Создание технических устройств, основанных на регистрации широких атмосферных ливней по черенковскому свету, оказалось делом перспективным. В начале 1990-х годов в Тункинской долине в Бурятии, в 50 км от озера Байкал, заработала установка "Тунка-25" с 25 интегральными детекторами, где в настоящее время проводят измерения массового состава первичных космических лучей в диапазоне энергий 10¹⁸ - 10 эВ. А в сентябре 2009 г. вступила в строй "Тунка-133", на которой стоят уже 133 таких прибора. В 10 раз превосходя по площади свою предшественницу, она способна за год работы (а это 400 ч наблюдений) регистрировать более 300 событий с энергией выше 10 эВ. Словом, открытие на установке ШАЛ положило начало новому направлению, ставшему фундаментальным в астрофизике космических лучей.

ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАЛОРИМЕТРЫ

Сергей Николаевич всегда поддерживал нетривиальные методы в науке. В 1957 г. его соратники Наум Григоров, Владимир Мурзин и Илья Рапопорт пред-

* Черенковский детектор - специальный аппарат, регистрирующий излучение, открытое в 1934 г. физиком Павлом Черенковым лауреатом Нобелевской премии 1958 г. Оно возникает при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость распространения в ней света. Черенковское излучение (или черенковский свет) широко используют в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей (прим. ред.).

ложили первый в мире ионизационный калориметр для регистрации заряженных частиц сверхвысоких энергий и измерения их спектров (сегодня он входит в состав практически всех установок по изучению космических лучей и ускорителей). В 1965 - 1968 гг. прибор прошел апробацию в космосе во время запуска четырех тяжелых спутников серии "Протон"*. Это был первый подъем аппаратуры большого веса (свыше 10 т) на орбиту. Ее разработка и изготовление в короткий срок даже для Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ, обладавшего большим потенциалом, требовали огромных усилий. Вернов, будучи уже директором НИИЯФа (с 1960 г.), "бросил" на решение задачи все интеллектуальные и финансовые ресурсы. Собранная в ходе полетов спутников информация о спектре частиц с энергией до 10¹⁵эВ и зависимости сечения протон-протонного взаимодействия от энергии в 10¹¹ -10¹⁵ эВ и сегодня широко цитируется в литературе. Кроме того, эти аппараты дали уникальный, хотя до сих пор не подтвержденный, но и не опровергнутый результат о резком загибе спектра протонов при энергии ~2 * 10¹²эВ. Позже, в 1984 - 1986 гг., ученые выполнили измерения спектров протонов, ядер гелия и более тяжелых ядер в области энергий от 2 до 100 ТэВ на спутниках "Сокол-1" и "Сокол-2". У истоков этих достижений также стоял Вернов.

"КОСМОФИЗИЧЕСКИЙ" ФЕНОМЕН

Следует отметить, Сергей Николаевич стремился любыми доступными техническими средствами поставить эксперимент на возможно больших высотах. Уже в 1946 г. он создал специальную группу в ФИАНе и вошел в контакт с руководителем программы Сергеем Королевым**. В результате первые в нашей стране запуски ракет на полигоне Капустин Яр на высоты 70 и 100 км проходили с аппаратурой для исследования космических лучей за пределами атмосферы. Полеты вертикальных ракет на высоты 100 - 150 км продолжались не более 10 - 15 мин.

Александр Чудаков (академик с 1987 г.), участник этих экспериментов, вспоминал: "Только особым и в высшей степени целеустремленным стилем работы С. Н. Вернова можно объяснить тот факт, что небольшой группе удалось в течение 1947 - 1951 гг. участвовать в десятке успешных запусков ракет, создав для этого специальную телеметрическую аппаратуру для передачи и приема за короткое время полета большого объема информации и решив многочисленные технические трудности размещения и эксплуатации на борту ракеты большого числа газоразрядных счетчиков, а также импульсных и интегрирующих ионизационных камер с соответствующей электроникой".

Вернов обладал удивительной интуицией. Уже после первого ракетного эксперимента в 1947 г. он сделал вывод о том, что время жизни частиц, распадающихся на электроны или фотоны, должно быть меньше 10 ^{- 9} сек. Заметим: это был год открытия π⁺-мезонов, а до открытия π⁰-мезонов на ускорителе оставалось не менее 4 лет. К сожалению, "космофизические" результаты в свое время не опубликовали, а в 1952 г. работы по теме вообще прекратили, хотя, как отмечал Чудаков, "Сергей Николаевич интуитивно всегда был убежден в их первостепенной важности и большом будущем". Но в 1958 г. о них все же кратко упомянули на II Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве.

Интенсивное изучение радиации за пределами атмосферы совпало с началом космической эры - запуском первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г.*** Как известно, он не имел научной аппаратуры на борту. Вернов в это время был поглощен наземными и стратосферными работами, запуском большой установки ШАЛ в МГУ, другими проектами. Как вспоминали очевидцы, для него, как и для

* См.: Ю. Марков. Космодром Байконур - 50 лет на службе человечества. - Наука в России, 2005, N 2 (прим. ред.).

** См.: Н. Королева. Имя его и космос - неразделимы. - Наука в России, 2007, N 1 (прим. ред.).

*** См.: Б. Черток. Первый искусственный спутник Земли. - Наука в России, 2007, N 5 (прим. ред.).

большинства людей, прогремевшее на весь мир событие стало неожиданностью.

Но реакция ученого была молниеносной: он хорошо представлял перспективность изысканий с помощью такой техники и сразу связался с Королевым, добиваясь установки на уже укомплектованном втором спутнике двух газоразрядных счетчиков. До 3 ноября 1957 г. (даты пуска) оставалось каких-то две недели, их "доводка" шла уже на полигоне. Тем не менее вся аппаратура в ходе полета работала нормально и обеспечила нужные измерения, однако радиационные пояса Земли в данном эксперименте "зацепить" не удалось. "Главной причиной этого, - отмечал Чудаков, - было то, что информация от приборов поступала в виде коротких "сеансов" при пролете территории СССР, а информация из зоны экватора и Южного полушария была недоступна. Кроме того, счетчики были экранированы значительной толщей вещества и мало чувствительны к потокам электронов малой энергии в полярной области".

В результате впервые наблюдать зону высокой интенсивности (радиационного пояса) удалось астрофизику из США Ван Аллену в феврале-марте 1958 г. при полете американских искусственных спутников Земли "Эксплорер-1" и "Эксплорер-3". И только третий советский космический аппарат, запущенный 15 мая 1958 г., дал информацию о потоках частиц над различными районами нашей планеты, в том числе и Южного полушария. На нем установили многоцелевой прибор нового типа на основе сцинтилляционного счетчика, высокая чувствительность которого к рентгеновским квантам с энергией 30 кэВ позволила обнаружить внешний радиационный пояс Земли*. Это открытие зафиксировали в Государственном реестре в 1960 г., а Вернова и Чудакова удостоили Ленинской премии.

Работа в области космофизики, проводившаяся под руководством Сергея Николаевича до последних лет его жизни, дала результаты, ценные как для науки, так и для практики. В 1968 г. его избрали действительным членом АН СССР.

Важное место ученый отводил опытам на автоматических межпланетных станциях, направлявшихся к Луне, Марсу и Венере. Так, в 1959 г. установленная на АМС аппаратура показала: Луна не имеет радиационных поясов, в 1967 г. специалисты получили данные об их отсутствии на Венере, и лишь в 1971 г. вблизи Марса обнаружили небольшие изменения радиации.

Часто экспериментальные исследования космоса носили прикладной характер. Скажем, в ходе полета спутника "Электрон-1" (1964 г.) в результате сильного облучения его солнечные батареи быстро потеряли способность вырабатывать электроэнергию. Тогда специалисты стали изучать влияние радиации и других факторов на материалы, элементы, узлы космической техники и живые организмы. Это положило начало космической дозиметрии, у истоков которой стоял Верное, создавший в нашем институте материаловедческую группу для развития прикладного направления.

За полвека активной творческой деятельности Сергей Николаевич создал обширную научную школу. Коллег и сотрудников восхищал умением обходить хоженые и протоптанные дороги и видеть за ними новые горизонты, концентрировать духовные и материальные усилия на самом главном. Это зачастую приводило к открытию ключевых научных направлений и решению важных государственных задач. Среди его учеников - лауреаты Ленинской, Государственной, Ломоносовской премий, более 20 докторов и свыше 60 кандидатов наук. Многие из них уже создали собственные научные школы и направления.

* См.: М. Панасюк. Прорыв в космос. - Наука в России, 2000, N 4 (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: