А.И.Кузьмин — Становление научного направления

Биография Ариана Ильича неотделима от физики космических лучей. Для того, чтобы понять, какое значение имели научные исследования для Ариана Ильича, какое значение они имели для становления науки в Якутии и какое значение они начинают приобретать для мировой науки, необходимо ознакомиться с некоторыми деталями этих исследований. Нужно при этом вникнуть в смысл решаемых проблем. Эти заметки представляют собой попытку изложить в популярной форме научные проблемы, которыми занимался Ариан Ильич, дать им оценку с позиции теперешних научных знаний.

За несколько десятилетий, в течение которых Ариан Ильич занимался исследованием космических лучей, ему удалось создать собственное научное направление, обнаружить новые закономерности, достичь их понимания и осознать их значение для развития этой области науки. За это время Ариан Ильич установил широкие научные связи с коллегами из Москвы, Ленинграда, Новосибирска и других городов и использовал эти контакты для обеспечения быстрого роста своих учеников и последователей и создания работоспособного и дружного научного коллектива. Ему было предназначено зародить такое направление исследований, которое обеспечило институту авторитет и твердые позиции в мировой науке.

Феномен космофизических исследований в Якутии нуждается в профессиональном изучении его становления, поскольку за короткий исторический срок были достигнуты выдающиеся научные результаты, хотя начальная база для этих исследований просто не существовала — ни в кадровом, ни в материальном отношении.

Здесь будет рассказано о развитии исследований в области вариаций космических лучей — направления, в которое научная школа Ариана Ильича внесла значительный, во многом, определяющий вклад.

Этим исследованиям предшествовала организация в г.Якутске в 1934 г. Якутского педагогического института, куда год спустя прибыл выпускник Томского университета Юрий Георгиевич Шафер. Ученик профессора Корсунского, Юрий Георгиевич хотел заниматься ядерной физикой и в отсутствие научной базы решил приступить к регистрации космических лучей с помощью примитивного (как теперь кажется) прибора — камеры Кольхестера. После возвращения с фронта Юрий Георгиевич не нашел ни самого прибора, ни своих научных материалов.

В 1947 г. в г.Якутске была создана Якутская база Академии наук СССР, а через два года она была преобразована в Якутский филиал Академии наук. Юрий Георгиевич в качестве сотрудника Базы, а затем Филиала добился задания от Академии наук на создание высокоточного прибора для изучения космических лучей.

Физика космических лучей как часть ядерной физики в те годы была по вполне понятным причинам глубоко засекречена.

В США еще в 30-е годы были созданы ионизационные камеры для регистрации космических лучей. Несколько приборов на разных географических широтах были включены в непрерывную регистрацию. С их помощью было обнаружено, что космические лучи испытывают вариации — изменения их интенсивности со временем, которые обусловлены изменениям метеорологических условий, а также связаны с магнитными бурями. В 1942 г. были зарегистрированы возрастания космических лучей после солнечных вспышек. Было ясно, что солнечная деятельность каким-то образом влияет на космические лучи.

В послевоенное время в Академии наук было принято решение начать изучение вариаций космических лучей. Однако, попытка Академии наук купить у США ионизационные камеры не увенчалась успехом. Очевидно, и у США были строгие ограничения.

Именно Юрию Георгиевичу была поручена задача разработать и создать высокоточную ионизационную камеру для непрерывной регистрации космических лучей. Эта работа была выполнена Юрием Георгиевичем и его группой в Москве, на базе МГУ. За успешное решение этой научно-технической проблемы Юрий Георгиевич и его соавторы были удостоены звания лауреатов Сталинской премии.

Появление в начале 50-х годов в г.Якутске большой ионизационной камеры АСК-1 дало начало исследованиям вариаций космических лучей. Станция, а затем лаборатория космических лучей в составе Якутского филиала АН СССР располагали немногочисленным штатом. Первыми сотрудниками у Юрия Георгиевича и его соратниками в течение десятилетий стали Ариан Ильич Кузьмин и Дмитрий Данилович Красильников.

Дмитрий Данилович интересовался «толчками» в ионизационной камере. Это были резкие увеличения ионизации, вызванные локальными пучками ионизующих частиц, возникающих в результате катастрофически сильного взаимодействия пришедшей извне частицы очень высокой энергии со свинцовой оболочкой. Их называли «ливнями». Этот интерес привел Дмитрия Даниловича, в конце концов, к изучению подобных процессов в земной атмосфере. Здесь «ливни» порождаются первичными частицами из космоса. Пучки вторичных частиц — «осколков» от первичной частицы — расходятся на расстояния до 1 км и называются широкими атмосферными ливнями — ШАЛ. Крупнейшая в СССР установка ШАЛ и одна из 2-3 крупнейших установок в мире, созданная вблизи Якутска — результат изучения «толчков» в ионизационной камере АСК-1.

Что касается Юрия Георгиевича, то он после создания ионизационной камеры и оснащения этими приборами советской сети станций и переключился на создание портативных приборов для изучения космических лучей в верхних слоях атмосферы — с помощью шаров-зондов, а затем и в космосе. Здесь были достигнуты значительные результаты. Работа Ариана Ильича по вариациям космических лучей, регистрируемых с помощью камеры АСК-1, была связана с метеорологическими эффектами. Согласно теоретическим представлениям, которые уже были достаточно проверены, основной вклад в регистрируемую ионизационной камерой интенсивность вносят мюоны — частицы примерно в 200 раз тяжелее электронов, но в 10 раз легче протонов. Эти частицы почти не взаимодействуют с ядрами атомов и лишь теряют энергию на ионизацию. Правда, они нестабильны и время распада у них — около 2 микросекунд. При скорости света (а они летят именно с такой скоростью) это всего лишь 600 м. Но в соответствии со специальной теорией относительности распад этих частиц замедляется при высоких энергиях и они могут достигать поверхности земли, хотя они образуются первичными частицами на высоте более 10 км.

Теория метеорологических эффектов в космических лучах была разработана Евгением Львовичем Фейнбергом — известным физиком, руководителем сектора в теоретическом отделе Физического института.

В соответствии с этой теорией повышение температуры атмосферы увеличивает ее геометрическую толщину, и высота, где возникают мюоны, становится больше. А поэтому возрастает распад этих частиц по пути к земле, и их регистрируемое число должно быть меньше. В Якутске годичный перепад температур около 100° — вполне годился для точной проверки этой теории, и теория получила подтверждение. Однако, были замечены вариации, которые остаются после снятия температурных поправок. Вскоре было установлено, что они возникают за пределами атмосферы и даже за пределами магнитосферы Земли — в космосе. Именно они стали предметом исследований Ариана Ильича.

В то время оставался нерешенным вопрос об анизотропии космических лучей. В первом приближении падающие на Землю частицы приходят равномерно со всех направлений — изотропно. Однако, если есть хотя бы малая неравномерность — анизотропия, — ее исследование чрезвычайно важно для понимания космических процессов, в. которых принимают участие космические лучи. По данным ионизационной камеры наблюдались небольшие суточные вариации, которые могли свидетельствовать о наличии анизотропии порядка десятых долей процента. Однако, суточные вариации температуры атмосферы и барометрического давления также могли быть причиной этого эффекта. Ариан Ильич решил применить теорию Е.Л.Фейнберга для оценки возможных суточных вариаций, обусловленных колебаниями метеоусловий в течение суток. Для этого требовались сведения о поведении температуры не только в приземном слое, но и по всей толще атмосферы. Такие сведения получали с помощью температурных датчиков, запускаемых в атмосферу на шарах-зондах. Метеослужба делала такие измерения два раза в сутки, поэтому можно было получить только 2 точки в суточном ходе космических лучей, а не сам ход. Сделанные Арианом Ильичем расчеты были опубликованы им в известном журнале экспериментальной и теоретической физики — одном из ведущих журналов мира по физике. Из этой публикации, появившейся в 1955 г., следовало, что суточные вариации метеорологического происхождения примерно такой же величины, как и наблюдаемые, но они противоположны по знаку! Внесение поправки приводило к однозначному выводу, что анизотропия космических лучей есть. Правда, ее точные характеристики на основании вычисленных поправок было невозможно установить. Даже если бы частота полетов шаров-зондов была увеличена — все равно точность поправок оставалась низкой. Нужно было найти такое решение, которое не требовало бы вычисления температурных поправок.

Ариан Ильич решил создать новую аппаратуру для регистрации космических лучей, которая в отличие от ионизационной камеры, представляющей собой шар, могла бы определять, из какого направления приходят космические лучи.

Для этого надо было не просто измерять ионизационный ток, обусловленный космическими лучами, а регистрировать каждую частицу и считать, сколько их приходит в определенный промежуток времени. Это можно было осуществить с помощью счетчиков Гейгера-Мюллера и подключенных к ним электронных схем. Такой счетчик, когда его пронизывает космический мюон высокой энергии, выдает электрический импульс. Этот импульс обусловлен каскадным размножением ионизации от мюона в сильном электрическом поле внутри счетчика. Счетчики представляли собой запаянные стеклянные цилиндры со специальным газом и их можно было соединять вместе и образовывать чувствительные к частицам площадки — «лотки». А лотки располагать один над другим и отбирать события, которые происходят одновременно в двух лотках. Это делалось с помощью электронных схем совпадений. Такое двойное событие означает, что оба лотка пронизаны одним мюоном, и таким образом устанавливалось направление его движения (точнее — сектор, в котором он двигался). Если лотки раздвигать в ту или иную сторону, можно получать сведения о мюонах, идущих из того или иного сектора. Поэтому такая конструкция именуется «мюонным телескопом».

Ариан Ильич применил принцип «скрещенных телескопов» — создавая пары телескопов, регистрирующих частицы из секторов, ориентированных соответственно к югу или к северу от вертикали, или пары в направлениях восток-запад.

Теперь телескоп, ориентированный на 30° к северу, направлен примерно на Полярную звезду и не должен замечать анизотропию. Наблюдаемая им суточная вариация имеет целиком метеорологическое происхождение и она может быть вычтена из показаний телескопа, ориентированного к югу. В случае телескопов «восток-запад» восточный телескоп «видит» анизотропию на несколько часов раньше, чем западный, и это также дает возможность убрать из наблюдений метеорологические вариации.

Эта экспериментальная схема была реализована в Якутском подземном комплексе, где измерения ведутся на поверхности земли и на глубинах 7, 20 и 60 метров водного эквивалента. Водный эквивалент применяется потому, что плотность грунта отличается от плотности воды, а поглощение космических лучей зависит лишь от суммарного количества пройденного вещества.

Для размещения телескопов была вырыта специальная шахта с 3 штреками на заданных глубинах. Работа была выполнена хозспособом и была баснословно дешева. В середине 50-х был разработан и смонтирован первый телескоп и начаты наблюдения, а полностью комплекс был введен в строй к Международному геофизическому году (1957-58 гг.).

К 1963 г. были накоплены данные наблюдений, достаточные для определения анизотропии. Ценность этого материала подтверждалась попытками затребовать его в первичном виде для представления в центральные институты, где он был бы подвергнут научному анализу. Попытка некоторых научных руководителей в Москве решить этот вопрос силовым способом вызвала негодование Ариана Ильича. На одном из совещаний в октябре 1963 г., где этот вопрос вновь был поднят, он наотрез отказался представлять данные наблюдений в виде научного сырья и в резких выражениях осудил эту «колониальную» политику. Я был свидетелем того, как после его выступления некоторое время в зале висела абсолютная тишина.

Попытка отнять эти данные прекратилась, и их научный анализ в Якутске в последующие годы привел к важным научным результатам, чем было обеспечено быстрое развитие этих исследований у нас. Время показало, что решительный протест Ариана Ильича был критической точкой, откуда стартовала научная независимость нашей группы.

Инцидент, однако, не остался без последствий. Месяц спустя Григорий Васильевич Скрипин представил в Москву свою кандидатскую диссертацию, в которой содержались первые выводы об анизотропии космических лучей, основанные на собственных наблюдениях с помощью подземного комплекса. Работа подверглась резкой критике и была отклонена. Мы понимали, что критика была совершенно несправедливой, но формально оппоненты были правы.

Дело в том, что наблюдаемые подземным комплексом вариации должны быть соотнесены с энергиями первичных частиц — должен быть определен их «энергетический спектр». Соответствующие энергетические диаграммы, позволяющие это сделать и называемые коэффициентами связи, в то время еще не были вычислены для подземных измерений. Григорий Васильевич использовал весьма приближенные данные. Вычисление соответствующих коэффициентов связи — весьма сложный и трудоемкий процесс. Необходимо учесть все превращения первичных частиц в атмосфере, рассчитать генерацию ими вторичных частиц — пионов — и распад пионов в мюоны, а затем проследить сложную судьбу мюонов до того момента, как они будут зарегистрированы.

Московские специалисты заявили, что ими ведутся расчеты коэффициентов связи для подземных измерений и через несколько месяцев они будут закончены. Григорию Васильевичу следовало подождать эти несколько месяцев, а затем с помощью новых коэффициентов переобработать свои результаты. Были и другие замечания, относящиеся к учету влияния геомагнитного поля на траектории частиц космических лучей. Проходя через магнитное поле Земли, частицы космических лучей отклоняются от своего первоначального направления движения. Если определять анизотропию без учета этого обстоятельства, то можно ошибиться в направлении на 30°-40° (или на 2-3 часа в суточной вариации). У Григория Васильевича был сделан приближенный учет, и это также не нравилось специалистам.

Реакция сотрудников лаборатории Ариана Ильича была однозначной: не следует пассивно ждать, пока пришлют новые коэффициенты связи, а приступить к собственным расчетам. Как оказалось позже, решение было абсолютно правильным, поскольку расчеты в Москве так и не были доведены до конца.

В декабре Ариан Ильич вернулся из Индии с очередной международной конференции по космическим лучам и привез публикации, в которых среди прочих материалов была модель Пала-Питерса, описывающая взаимодействия частиц высоких энергий с образованием вторичных частиц.

Эта новейшая модель аккумулировала все известные в то время экспериментальные данные, полученные как при изучении космических лучей, так и с помощью ускорителей элементарных частиц. Модель была весьма кстати, она была нами доработана и приспособлена к расчетам коэффициентов связи. Группа из 4 человек плотно занималась расчетами в течение 3 месяцев. Тогда использование ЭВМ было еще неэффективным, поэтому использовались, например, такие подручные средства как планиметры — механические приборы, с помощью которых можно определить площадь, охватываемую контуром, обойдя по его периметру. Использовались также сетки Вульфа и другое оснащение.

Различные доступные проверки коэффициентов связи показали, что их точность и достоверность вполне удовлетворительны. Заодно были выполнены расчеты диаграмм направленности телескопов с учетом влияния геомагнитного поля.

Весь этот методический инструментарий Григорий Васильевич использовал, чтобы получить беспрецедентные по точности определения свойств анизотропии космических лучей. В 1964 г. работа была им окончена, а в следующем году — блестяще защищена в виде кандидатской диссертации. Защита подтвердила способность группы Ариана Ильича к независимому научному развитию. Интенсивная работа с целью определения точных свойств анизотропии имела для нашей группы еще один результат: удалось разгадать физический механизм анизотропии. Причина в том, что космические лучи участвуют одновременно в двух конкурирующих процессах: солнечный ветер постоянно удаляет их из солнечной системы, а их обратное просачивание внутрь (диффузия) идет не прямо по направлению к Солнцу, а наискосок — вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля. Поле закручено в спираль Архимеда вращением Солнца и в результате два противоположных потока -конвекция частиц от Солнца и диффузия к Солнцу дают ненулевой результат. Суммарное движение частиц таково, что их избыток образуется на вечерней стороне Земли. Скорость этого перемещения велика — около 400 км/сек, но она накладывается на хаотичное движение частиц со скоростью света — 300 тыс. км/сек, и поэтому анизотропия составляет небольшую величину, менее 1%.

Статья с описанием этого механизма была представлена академиком М.А.Лаврентьевым в журнал в 1964 г. и опубликована в Докладах Академии наук СССР.

Примерно в то же время Г.В.Скрипин и П.А.Кривошапкин завершили работы по определению свойств анизотропии. Максимум действительно приходился примерно на 18 часов местного времени, как и предсказывала теория. А величина анизотропии на 15-20% была больше ее теоретического значения. Такому расхождению теории и эксперимента можно было бы не придавать большого значения. Однако, теоретическое значение было верхним пределом, а на деле анизотропия должна была быть еще меньше. Что касается экспериментальной цифры, то в ее точности мы были уверены.

Разгадка этого противоречия оказалась нетривиальной и имела далеко идущие последствия для физики космических лучей. Еще раньше, в 1963 г., мы с Арианом Ильичем сдали в печать работу, в которой было определено, что космические лучи, заключенные в магнитных ловушках, должны менять энергию, если меняется объем ловушки. Причем энергия частиц должна быть обратно пропорциональна корню кубическому из объема. Это был сугубо теоретический результат и он не опирался на какие-либо наблюдательные свидетельства.

В конце лета 1964 г. пришла простая мысль, что солнечный ветер для космических лучей представляет ловушку, которая постоянно расширяется. Следовательно, космические, лучи в нем должны непрерывно терять энергию, и их количество должно уменьшаться. Диффузионный поток внутрь солнечной системы должен компенсировать и эти дополнительные потери. Таким образом, величину диффузионного потока надо увеличить в 1,5 раза — это показали теоретические расчеты. Проблема анизотропии оказалась, таким образом, решена, причем с нужным запасом.

Для того чтобы правильно описать все упомянутые процессы, необходимо было изменить уравнение переноса космических лучей. Это уравнение тогда содержало члены, описывающие конвекцию и диффузию частиц. Дополнительный член в уравнении, введенный для решения проблемы анизотропии, описывал замедление частиц при расширении среды. Уравнение с учетом замедления частиц — это был побочный выход при решении проблемы анизотропии — впоследствии оказалось основным уравнением, используемым в физике космических лучей.

В конце 50-х, начале 60-х годов накапливались данные о больших возрастаниях космических лучей низких энергий во время магнитных бурь. Тогда уже было известно, что магнитные бури возникают при попадании Земли в огромные облака космической плазмы, выброшенные из Солнца и расширяющиеся с большой скоростью. Полеты на шарах-зондах и стратостатах с аппаратурой для измерений космических лучей позволяли регистрировать частицы с энергиями около 100 мегавольт или несколько выше. Такие частицы поглощаются атмосферой и не могут быть зафиксированы наземными приборами. Оказалось, что во время магнитных бурь поток этих частиц многократно возрастает.

Распространенная тогда точка зрения связывала эти частицы с их ускорением на Солнце. Предполагалось, что они захватываются магнитным облаком, которое становится для них ловушкой и приносит их на орбиту Земли. Это объясняло, почему частицы наблюдаются одновременно с магнитными бурями. На одном из научных семинаров, которые в МГУ, в институте ядерной физики вел академик Сергей Николаевич Вернов, Ариан Ильич выступил с критикой этих представлений. Он обратил внимание на то, что при расширении ловушки от Солнца до Земли ее объем увеличивается в несколько миллионов раз а, следовательно, энергия заключенных в ней частиц должна понизиться более, чем в 100 раз. Это был убийственный аргумент, и Сергей Николаевич назвал этот эффект «парадоксом Кузьмина». Впоследствии удалось найти истинную причину этого возрастания космических лучей.

Это было опять-таки связано с исследованиями космических лучей во время магнитных бурь.

Еще Форбуш в первые годы исследований вариаций космических лучей с помощью ионизационных камер обнаружил, что во время магнитных бурь интенсивность космических лучей понижается, и это явление получило название «эффект Форбуша». Общая причина довольно скоро стала понятна: это выметание космических лучей магнитным облаком, которое можно представлять себе как сильный порыв солнечного ветра.

Теоретическая картина этого явления, предложенная в конце 50-х Л.И.Дорманом, при изучении эффекта Форбуша на подземных телескопах, как показал Ариан Ильич, не подтвердилась.

В середине 60-х с целью получения еще более детальных сведений об анизотропии космических лучей, а также для более тонкого изучения эффекта Форбуша Ариан Ильич принимает решение об увеличении чувствительной площади подземных телескопов в 5-10 раз. Это давало возможность уменьшить ошибки измерений и вести более детальные наблюдения за вариациями.

Для этого надо было, в первую очередь, увеличить площадь штреков в шахте, и это опять было сделано хозспособом. Основные работы были выполнены силами сотрудников лаборатории, и удалось обойтись практически без капиталовложений. Перевод аппаратуры на счетчики значительно больших размеров позволил решить поставленную задачу. В те же годы был приобретен в Канаде и установлен на нашей станции в Тикси нейтронный супермонитор. Этот прибор измеряет вариации космических лучей в несколько раз меньших энергий, чем мюонные телескопы. Его чувствительность к вариациям, особенно при невысоких энергиях значительно лучше, чем у телескопов. В это время создавалась мировая сеть нейтронных мониторов, и прибор в Тикси был первым в СССР из этой серии. С этого прибора были скопированы технические узлы, и отечественная промышленность смогла выпустить собственную серию, которая стала основой для создания советской сети нейтронных мониторов.

Теоретическое изучение эффекта Форбуша шло параллельно с программой наблюдений. Простые соображения подсказывали, что дефицит космических лучей в облаке должен сопровождаться их избытком перед облаком, куда эти частицы вытесняются. Так как облако движется со сверхзвуковой скоростью, то его передний край должен гнать перед собой ударную волну, и эти явления подробно изучались.

Избыток космических лучей и в самом деле был в нескольких событиях обнаружен в их начальной фазе. Теоретические расчеты были в самом разгаре, когда «разразился» август 1972 г.

Это был взрыв на Солнце огромной силы, выбросивший вещество со скоростью около 2,5 тыс.км/сек — в несколько раз большей, чем в обычных выбросах, вызывающих магнитные бури. Явления в космических лучах по данным подземного комплекса охватывали широкий диапазон энергий вплоть до нескольких сотен гигавольт. Большое возрастание космических лучей на переднем фронте этого возмущения говорило о действии некоторого ускорительного механизма, связанного с ударной волной. Было изучено несколько возможных механизмов. Лишь в конце 1975 г. был найден истинный механизм, который по представлению академика С.Н.Вернова был опубликован в Докладах Академии наук в 1977 г. Оказалось, что сжатие среды на ударном фронте играет роль сжимающейся ловушки, куда частицы вследствие диффузии попадают вновь и вновь и могут таким путем получать гигантские энергии. В 1977-78 гг. вслед за нашей публикацией появились работы, выполненные в ФРГ, Англии и США, где предлагался этот же механизм.

Идея получила исключительно большое развитие, и к настоящему времени создана детальная нелинейная теория происхождения космических лучей, главным образом, трудами группы во главе с директором ИКФИА Е.Г.Бережко. Лидерство эта группа завоевала благодаря изобретению алгоритма, ускоряющего счет примерно в миллион (!) раз по сравнению с алгоритмами зарубежных коллег, работающих над этой проблемой.

Работы, начало которым было положено в трудах Ариана Ильича, ведутся в Якутске не только в области происхождения космических лучей. Продолжаются экспериментальные и теоретические исследования модуляции космических лучей солнечным ветром. Межпланетное пространство выступает здесь как лаборатория, в которой можно наблюдать взаимодействие космических лучей с космическими магнитными и электрическими полями. Эти результаты могут быть применены к аналогичным явлениям в далеких объектах — таких как активные галактики. Космические лучи используются также для прогнозирования явлений космической погоды. Для этого налажена компьютерная связь в реальном времени, позволяющая выставлять в Интернет прогноз на ближайшие 1-3 суток. Существуют также основания считать, что космические лучи способны влиять на метеорологические явления через воздействие на конденсацию переохлажденного пара в верхних слоях атмосферы и последующее образование облачности. Поэтому изучение вариаций космических лучей может получить еще один прикладной аспект.

Здесь было рассказано о научной тематике, которая была предметом исследований Ариана Ильича Кузьмина, для развития и становления которой он приложил огромные усилия, остроту ума и замечательные человеческие качества. Здесь совершенно не затронуты аспекты, связанные с формированием коллектива единомышленников, обеспечением им условий для научного роста, установлением научных связей с коллегами в стране и за рубежом. Однако, полноценная научная школа не могла сформироваться, если бы Ариан Ильич не придавал всему этому большого значения.

Библиографический указатель «Ариан Ильич Кузьмин». Якутск, 2002