В нескольких словах
Статья рассказывает об истории открытия космических лучей, начиная с экспериментов с воздушными шарами и исследований ионизации атмосферы. Описываются ключевые открытия и ученые, внесшие вклад в понимание природы космических лучей, их происхождения и воздействия на Землю. Подчеркивается важность фундаментальных научных исследований и их неожиданные результаты.
19 сентября 1783 года овца, утка и петух впервые совершили полет на воздушном шаре под названием Réveillon, что, похоже, переводится как «праздничный ужин». Они поднялись на высоту почти 500 метров и благополучно приземлились, не знаю, стало ли хуже пассажирам в ту же ночь, увидев название воздушного шара.
Должен сказать, что, возможно, я немного плохо думаю, название воздушного шара было таким же, как и у производителя обоев, который сотрудничал с Жозефом-Мишелем и Жаком-Этьенном Монгольфье, братьями, жителями Парижа, предпринимателями, специализирующимися на оклейке стен, и изобретателями, помимо прочего, воздушного шара. Этот интерес к изобретению новых вещей, использующих физические свойства вселенной, такие как расширение горячего газа, снижение его плотности и возможность подъема внутри массы более холодного воздуха, несколько лет спустя привел к первому военному использованию воздушных шаров (в основном для разведки территории противника), полезность, которая дошла даже до Второй мировой войны. Но я не хочу сосредотачиваться на тех насильственных применениях, которые мы, к сожалению, даем многим изобретениям или которые даже способствуют человеческому изобретению, а на другом применении воздушных шаров, которое появилось позже и которое демонстрирует суть фундаментальной науки, исследования, которые могут привести к немыслимым открытиям, даже к сменам парадигмы, но в довольно длительных временных масштабах и с участием разнородных усилий многих людей.
Прежде чем перейти к истории воздушного шара, я остановлюсь на нескольких других интересных работах. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что пластина из материала, который становится флуоресцентным под воздействием солнечного света, ведет себя так же, если оставить ее в комнате, где была трубка, через которую пропускался электрический ток, даже будучи закрытой картоном. Это было открытие рентгеновских лучей, которые проникали сквозь непрозрачный материал, даже через плоть руки жены Рентгена, где он вскоре испытал свое открытие. Больше информации. Одиноки ли мы во Вселенной?
Год спустя Антуан-Анри Беккерель открыл природный материал, соль урана, который вел себя похоже, хотя его эффект исчезал при создании магнитного поля, чего не происходило с рентгеновскими лучами Рентгена. В обоих случаях наблюдались способности определенных материалов ионизировать, то есть отрывать электроны от атомов с помощью определенного типа излучения. Ионизация (то есть подвергаться воздействию этого излучения) относительно легка для некоторых материалов, которые затем имеют тенденцию снова захватывать электроны (рекомбинировать) и в процессе излучают свет (флуоресценцию).
Теодор Вульф также интересовался ионизацией и утверждал, что если некоторые материалы ионизируют другие, то, удаляясь от первых, мы должны измерять меньшую ионизацию. Применительно к атмосфере и зная, что определенные соли, как мы уже говорили ранее, которые находятся в некоторых горных породах, являются источниками ионизации, «здравый смысл» мог бы подсказать, что если мы удалимся от поверхности Земли, где находятся эти породы, ионизация воздуха должна снизиться. Вульф поднялся на Эйфелеву башню в 1910 году и увидел, что на высоте 300 метров над Парижем ионизация меньше, чем на уровне земли, но не настолько, как он предсказывал, она должна была уменьшиться гораздо сильнее наверху. Перед лицом чего-то подобного ученый думает, что его расчеты и прогнозы неверны, потому что теория полностью ошибочна, или, возможно, что более вероятно, теория нуждается в уточнении. В этом и заключается суть данных (которые описывают реальность), они должны заставить пересмотреть предубеждения, это касается не только ученых.
И мы подошли к Виктору Францу Гессу, который продолжил исследования в этом вопросе и обнаружил, что атмосфера имеет определенную степень ионизации, которая действительно снижается, но только до высоты примерно одного километра, где воздух практически не проявляет ионизации. Но потом она начинает расти! С водородным воздушным шаром (гораздо лучше, чем с горячим воздухом), оснащенным измерительным прибором, электроскопом, который измеряет, заряжено ли что-либо электричеством, он поднялся на высоту около пяти километров в 1911-1912 годах и увидел, что ионизация воздуха вдвое выше, чем измеренная на уровне моря. Он пришел к выводу, что источник ионизации исходит из космического пространства. Кроме того, он также измерил ионизацию на этих высотах во время солнечного затмения и не увидел изменений, поэтому казалось, что Солнце не имеет к проблеме никакого отношения.
Роберт Эндрюс Милликен в 1925 году подтвердил внеземное происхождение радиации и назвал ее «космическими лучами». Мне кажется любопытным, что, хотя именно он придумал это название, на самом деле он утверждал, что космические лучи — это энергетические фотоны, отсюда и использование слова «лучи», которые должны были происходить из непрерывного создания атомов в космосе, необходимого для предотвращения известной «тепловой смерти Вселенной», которая должна произойти при выравнивании температуры Вселенной, увеличении энтропии до достижения максимума. Я знаю, что многим читателям нравится эта тема энтропии, стрелы времени, законов термодинамики и т. д., но для разговора об этом потребуется больше статей, мы их еще сделаем. Здесь важно то, что видение природы космических лучей, которое было у Милликена, было неверным (сложным и образным — да). На самом деле, это в основном заряженные частицы, как утверждал другой великий физик, Артур Комптон, чуть менее 100 лет назад, что лежит в основе этих космических лучей.
И после всей этой исторической истории (мне нравится, что у англичан есть два разных слова, которые мы переводим как история, читайте исторический рассказ, если хотите), мы переходим к астрофизике. Действительно, космическое пространство полно космических лучей. Они возникают в звездах, подобных нашей, в межзвездном пространстве, в черных дырах, маленьких или больших, близлежащих галактик или далеких, существующих на границах пространства-времени. Космические лучи, сегодня также называемые астрочастицами, что более точно с физической точки зрения, — это в основном ядра атомов, без электронов и, следовательно, заряженные электричеством. Почти все, что доходит до нас извне, на самом деле является ядрами водорода, или, что то же самое, протонами; на них приходится 90% астрочастиц. Еще 9% составляют атомы гелия (2 протона и 2 нейтрона, которые называются альфа-частицами -alpha-), а остальное - ядра более тяжелых элементов. Очень небольшая часть астрочастиц, достигающих нас, на самом деле является антивеществом, особенно позитронами (антивещество электронов) и антипротонами. Мы уже несколько лет ищем анти-альфа-частицы, достигающие нас из космоса, пока безуспешно.
Скорости этих космических лучей впечатляют, во многих случаях близки к скорости света, поэтому они несут большое количество энергии, которую высвобождают при столкновении с атомами, находящимися в самых высоких слоях атмосферы. Измерения показывают, что до нас доходит каждую секунду и на каждый квадратный метр эквивалент 1000 протонов или, более подробно, протон с кинетической энергией в 1000 раз большей, чем энергетический эквивалент его массы. Самый энергичный измеренный космический луч, который был назван «Oh-My-God particle», «частица, боже мой», был интерпретирован как одиночный протон с кинетической энергией, эквивалентной мячу для гольфа, сильно ударенному. При таких энергиях или меньших, что типично для космического луча в миллиарды раз менее энергичного, в этих столкновениях с материалом нашей атмосферы атомы разрушаются, другие ионизируются, и создаются новые частицы, такие как нейтрино, пионы и мюоны. И последние, мюоны, которые очень необщительны и не взаимодействуют с материей (почти), очень легко достигают земной поверхности. Подсчитано, что каждую секунду мюон пронизывает нашу голову. Эти мюоны ответственны за большую часть ионизации воздуха на уровне земли, которая обусловлена не только радиоактивным материалом, присутствующим в земных породах. Любопытно, что первоначальное предположение теории, объяснявшей ионизацию атмосферы, на самом деле было довольно неверным, но привело к открытию космических лучей, вселенная всегда удивляет.
«Космический вакуум» — это раздел, в котором наши знания о вселенной представлены в качественной и количественной форме. Цель состоит в том, чтобы объяснить важность понимания космоса не только с научной точки зрения, но и с философской, социальной и экономической. Название «космический вакуум» относится к тому факту, что вселенная является и находится, по большей части, в вакууме, с менее чем одним атомом на кубический метр, несмотря на то, что в нашей среде, как это ни парадоксально, квинтиллионы атомов на кубический метр, что побуждает к размышлению о нашем существовании и наличии жизни во вселенной. Раздел составляют Пабло Г. Перес Гонсалес, исследователь из Центра астробиологии, и Ева Вильявер, заместитель директора Института астрофизики Канарских островов.
