«Парадокс Кузьмина»

Статья с сокращениями была опубликована в газете "Якутия" №5 от 15 января 2013г

 

kuzmin-a-i-rektor
 Ариан Ильич Кузьмин

Недавно исполнилось 90 лет со дня рождения крупного ученого-космофизика, известного организатора науки и образования, общественного деятеля профессора Ариана Ильича Кузьмина. А.И.Кузьмин был заместителем директора Института космофизических исследований и аэрономии, первым в республике защитил степень доктора физико-математических наук и был назначен заместителем председателя Президиума Якутского филиала СО АН СССР. В этот период он вместе с профессором Н.С.Ивановым выступил с инициативой создания в Якутске нового академического института физико-технической направленности и добился соответствующей поддержки на государственном уровне. Директором-организатором создаваемого ИФТПС был назначен Н.С.Иванов.Другой инициативой, которая принадлежала А.И.Кузьмину, было создание Объединенного вычислительного центра ЯФ СО АН и ЯГУ. На первом этапе Центр создавался как совместное подразделение ЯГУ и ИКФИА и в нем вначале были всего 2 небольшие машины «Сетунь». Но его последующее развитие оказало громадное влияние на процесс информатизации науки и образования в нашей республике.Когда А.И. Кузьмин в 1973 г. стал ректором ЯГУ, в университете были начаты крупные преобразования, направленные, прежде всего, на развитие науки и укрепление кадрового состава. Деятельность А.И. Кузьмина на этом посту нуждается в специальном освещении, а в этой статье основное внимание будет уделено его научным достижениям.Здесь я хочу рассказать о его достижениях в области космофизики – науки, которой он профессионально занимался. Это будет рассказ «из первых рук»: я был и остаюсь его учеником, близко знал его работы, был свидетелем, а в некоторых случаях - и продолжателем его начинаний.Прошло много лет и теперь ясно видно, какое значение имели его научные устремления и к каким важным последствиям они привели.Ничуть не меньшее значение, чем чисто научные результаты, имеет его работа по подбору и воспитанию кадров, формирование сплоченной группы учеников и сподвижников, которых он защищал от нападок и посягательств. Во многих случаях он самоотверженно принимал удары на себя.

 

kuzmin-and-shafer
А.И. Кузьмин и Ю.Г. Шафер (1969г.)

 

Теперь о самой науке. Чтобы были более понятными сущность и значение его научной работы, нужно сказать несколько слов о том, как развивается физическая наука. Физики наблюдают явления в окружающем мире, собирают факты, проводят количественные измерения и выдвигают гипотезы о причинах и механизмах этих явлений. Если гипотезы находят подтверждение, они становятся теориями. Появление теорий не останавливает работу: физики ищут новые факты, особенно те, которые бы противоречили теориям. Или повышают точность своих измерений и рано или поздно обнаруживают такие противоречия. Чаще всего это свидетельствует о неполноте теорий – теории удовлетворительны в целом, но чего-то не учитывают. Если это «что-то» находят, теория делает шаг вперед. Здесь имеют значение даже «мелочи». Хорошо известно, что в конце 19 века один из ведущих физиков спрашивал молодого человека: «Зачем Вы идете в физику? Там уже все открыто, лишь небольшое «облачко на горизонте» омрачает общую картину!». Потомки убедились, что «облачко» выросло и породило квантовую физику, а она, в свою очередь, совершила технический переворот в 20 веке. Мобильные телефоны и бытовые лазеры – лишь небольшая часть свидетельств этому. Нечто подобное происходило и в физике космических лучей, хотя и в меньших масштабах. Кузьмину выпало быть начинателем и активным участником одного из таких научных прорывов.

kuzmin-a-i-camera
А.И. Кузьмин с ионизационной камерой АСК-1

В середине прошлого века было установлено, что интенсивность космических лучей, приходящих на Землю, меняется со временем – они подвержены временным вариациям. Чтобы изучать вариации, необходима была аппаратура, обеспечивающая высокую точность измерений. В СССР такая аппаратура была разработана и серийно изготовлена группой физиков под руководством Ю.Г.Шафера. Один из таких приборов – ионизационная камера АСК-1 была установлена в Якутске. Прибор обладал рекордной точностью и был способен улавливать вариации величиной всего в несколько сотых долей процента от средней интенсивности! С его помощью удалось обнаружить суточные вариации величиной всего около 0.2% и довольно точно их измерить. Могло быть две причины наблюдаемых изменений: изменение параметров атмосферы – температуры и давления - в течение суток или неравномерность (анизотропия) потока частиц космических лучей, когда на одну сторону планеты падает несколько больше частиц, чем на противоположную. В этом случае вращение Земли также приведет к суточным вариациям.

В Советском Союзе уже была создана теория вариаций космических лучей атмосферного происхождения. Применив ее к суточным вариациям, А.И.Кузьмин обнаружил, что они противоположны тем, которые наблюдаются в действительности. Если бы колебаний температуры не было, то суточные вариации интенсивности были бы примерно вдвое больше. Таким образом, было доказано существование анизотропии космических лучей. Статья А.И.Кузьмина об этом была помещена в Журнале экспериментальной и теоретической физики – главном журнале отечественных физиков – в 1955 г.Ариан Ильич решил организовать более подробные исследования этого явления. Стоило ли уделять внимание столь незначительному эффекту, величина которого составляла всего несколько десятых долей процента? Он был уверен, что стоило, и оказался прав.Главным препятствием к осуществлению такого замысла было влияние атмосферных колебаний, точный учет которых был сильно затруднен. Следовало создать аппаратуру, которая не только регистрирует космические лучи, но и определяет, с какого направления они поступают к прибору. Такие устройства существуют. Они составлены из счетчиков ядерных частиц и называются счетчиковыми телескопами. Если один такой телескоп отклонить к северу и направить на Полярную звезду, а другой отклонить к югу, то можно избавиться от вариаций атмосферного происхождения. Дело в том, что северный телескоп, который постоянно смотрит в одну точку небесной сферы, зарегистрирует только суточные вариации атмосферного происхождения, и, производя вычитание показаний двух приборов, мы получим в чистом виде вариации, обусловленные анизотропией. Сама идея такого эксперимента, названная методом «скрещенных телескопов», уже была высказана зарубежными физиками, но ее полномасштабная реализация выполнена А.И.Кузьминым. Упомянутые телескопы были разработаны и созданы своими силами и их разместили в шахте, в помещениях на нескольких глубинах. Это было сделано для того, чтобы выделить частицы космических лучей высоких энергий, которые способны проникнуть на большую глубину.Якутский подземный комплекс мюонных телескопов стал широко известен, и в других странах стали возникать подобные системы. Наиболее масштабным комплексом такого назначения обладает Нагойский университет (Япония), специалисты которого в свое время приезжали знакомиться с нашей аппаратурой.

 

Kuzmin-A-I

А.И. Кузьмин за настройкой мюонного телескопа, 1958 г.

 

Наш комплекс эксплуатируется уже несколько десятков лет. Он был введен в 1958 г. и несколько раз модернизировался, увеличивались размеры телескопов для достижения большей точности определения вариаций.Обработка наблюдательного материала и вычисление всех параметров анизотропии потребовали большой работы по созданию методики и проведению предварительных расчетов характеристик аппаратуры. Эта работа была выполнена сотрудниками нашей группы Г.В.Скрипиным и П.А.Кривошапкиным.Накопленные данные показали, что анизотропия возникает в межпланетном пространстве и зависит от уровня солнечной активности (так называемый, 11-летний цикл). Избыток космических лучей падает на вечернюю сторону Земли и составляет 0.6% от среднесуточного уровня. Это были наиболее точные определения анизотропии. Причина такого поведения долгое время не была ясна. Задолго до этих экспериментов было выдвинуто множество гипотез, в том числе, известными физиками. Одна из самых ранних гипотез была высказана венгерским физиком Эдвардом Теллером. Впоследствии этот человек стал широко известен как создатель водородной бомбы в США.

Понимание механизма анизотропии почти одновременно появилось в нескольких научных центрах, первым из которых был наш институт. Для правильного описания этого механизма потребовалось учесть в теории, что космические лучи в солнечном ветре – среде, которая все время расширяется, вытекая из Солнца, - теряют энергию. Этого раньше не делали. Оказалось, что это имеет огромное значение для всей физики космических лучей.Мысль о том, что систематическое изменение энергии космических лучей может происходить в космической среде, впервые была опубликована А.И.Кузьминым и мной в Трудах международной конференции вДжейпуре (Индия) в 1963 г. В его докладе на этой конференции и в опубликованном тексте было установлено, что если объем с находящимися в нем космическими лучами поместить в оболочку с упругими стенками («ловушку»), то энергия частиц будет уменьшаться, если объем растягивается, и увеличиваться в случае сжатия, пропорционально корню кубическому из объема. При этом форма «ловушки» и ее деформация не имеют значения. Годом позже А.И.Кузьмин сделал заявление, которое научная общественность расценила как сенсацию.Дело в том, что в период Международного геофизического года (1957-58 гг.) было сделано крупное открытие. В СССР и США были начаты запуски в стратосферу шаров-зондов с аппаратурой для регистрации космических лучей. Неожиданно оказалось, что во время сильных магнитных бурь (а их в тот период было много) интенсивность космических лучей в стратосфере возрастает во много раз, и даже десятков раз. Тогда уже было известно, что магнитные бури вызываются сильными выбросами вещества из атмосферы Солнца – «порывами» солнечного ветра. Также были известны несколько исторических случаев возрастаний космических лучей, которые были произведены на Солнце и выброшены в пространство. В отличие от измерений на поверхности Земли аппаратура в стратосфере наблюдает частицы космических лучей низких энергий, и новое явление получило следующее общепринятое толкование. Солнце эпизодически производит космические лучи и вместе с веществом выбрасывает их в пространство. Космические лучи оказываются захваченными в «ловушку» из магнитных полей, не могут ее покинуть и распространяются вместе с веществом до встречи с Землей. Поэтому возрастания космических лучей мы наблюдаем одновременно с магнитными бурями.Эта простая и очевидная картина была опровергнута А.И.Кузьминым на одном из научных семинаров в Москве, которые периодически собирал академик С.Н.Вернов. Ариану Ильичу первому пришла мысль, что объем «ловушки», движущейся от Солнца к Земле, увеличивается в 10 миллионов раз и более. А, значит, захваченные в ней космические лучи должны полностью погибнуть – потерять энергию. Этому заявлению сначала не поверили, но потом пришлось признать его правоту. С легкой руки С.Н.Вернова вывод стал именоваться «парадоксом Кузьмина».

 

vernov 1 Академик С.Н. Вернов сажает первое деревце на территории будущей Якутской установки ШАЛ. Рядом с ним (слева направо): А.И. Кузьмин, И.Е. Слепцов, А.С. Рымарь, В.А. Орлов, Д.Д. Красильников и И.В. Ячменев (1966 г).

 

Парадокс просуществовал более 10 лет, но потом был разрешен. Это опять-таки было сделано у нас. Оказалось, что ударная волна, возникающая при движении «ловушки» в солнечном ветре, ускоряет частицы и производит космические лучи. Их и наблюдают в стратосфере. Элементарная теория этого процесса почти одновременно была создана несколькими группами. Профессор Аксфорд, крупный специалист в области космофизики, один из авторов открытия, написал однажды, что многие физики, которые изучали воздействие на космические лучи ударных волн в межпланетной среде, «просмотрели» эту возможность. Эта идея получила развитие в многочисленных работах. Стало ясно, что именно таким способом космические лучи могут приобретать огромную энергию. Созданию полномасштабной теории, которая могла бы давать детальное описание того, как производятся космические лучи, препятствовали огромные вычислительные трудности. Американские физики использовали для этой цели суперкомпьютеры, но и с ними не добились успеха.Решение пришло, когда был изобретен новый вычислительный алгоритм. Это было сделано директором нашего Института (тогда еще заведующим отделом) Евгением Бережко. Созданная им современная теория происхождения космических лучей предсказывает для каждого небесного объекта, где протекает этот процесс, какое будет наблюдаться излучение в радио-диапазоне, в рентгеновской области и в гамма-лучах. Современные радио- и гамма-телескопы и спутниковые системы наблюдений приносят новые и новые подтверждения этих предсказаний.Триумф теории стал очевиден для большей части физиков. Наиболее проницательные ученые догадались об этом уже давно. Академик В.Л.Гинзбург много лет назад составил знаменитый список 30 нерешенных проблем в физике. Он не вписал туда проблему происхождения космических лучей, потому что знал о работах Е.Г.Бережко и считал проблему уже решенной. Вместо этого он включил проблему происхождения космических лучей сверхвысоких энергий. Здесь существовали лишь смутные догадки. Евгений Григорьевич в последнее время стал заниматься этим кругом вопросов и уже нашел пути их решения. В декабре ему исполнилось 60 лет, и есть полная уверенность, что он успеет окончательно решить и эту проблему и список Гинзбурга станет короче.В заключение этого рассказа следует еще раз подчеркнуть, что начало этому направлению исследований было положено А.И.Кузьминым, который не прошел мимо «мелких», почти незаметных явлений, проявил изобретательность и упорство и увидел парадоксальное там, где все казалось очевидным.

 

Г.Ф.Крымский, академик РАН