"Природа", №03-04, 1926 год, стр. 17-24
Уже в 1903 г. британские физики Rutherford и Mc. Lennan заметили, что скорость утечки электрического заряда из электроскопа внутри непроницаемой для воздуха металлической камеры может быть уменьшена, если заключить камеру в окружающий ее со всех сторон металлический футляр или ящик со стенками толщиною в 1 сантиметр или более. Это означает, что потеря заряда, заключенного внутри электроскопа, не зависит от несовершенства изолирующих подставок, а скорее должна зависеть от некоторых сильно проникающих лучей, подобных гамма-лучам радия, которые могут проходить через металлические стенки электроскопа и ионизировать газ внутри камеры.
Обнаруженное таким образом излучение, в виду свойства его проходить в измеримых количествах через относительно толстые металлические стенки, было названо "проникающим излучением" и сначала совершенно естественно было приписано радиоактивным веществам в земле. Но в 1910 и 1911 годах было найдено, что это излучение не уменьшается с высотой так быстро, как должно было бы согласно этой гипотезе. Первое, имеющее значение в этом отношении, сообщение было сделано германским физиком Gockel'eм, который взял с собой в воздушный шар на высоту в 13.000 футов заключенный в камеру электроскоп и нашел "проникающее излучение" на этой высоте почти в той же степени как и на поверхности земли, несмотря на тот факт, что проф. Eve, Мак-Гилльского университета, расчитал, что при подъеме на 250 футов оно должно было упасть до половины своей силы на поверхности.
В 1912—14 годах два другие германских физика, Hess и Kohlhörster, повторили эти измерения Gockel’я на воздушном шаре, причем последний поднялся на высоту в 9 км., или 5—6 миль, и нашел, что это излучение на первых двух милях чуть-чуть уменьшилось и затем стало увеличиваться, пока не достигло на высоте 9 км. силы, согласно измеререниям Kohlhörster’a, в восемь раз большей, чем на поверхности.
Это указывало, повидимому, на то, что проникающие лучи исходили извне по отношению к земле и были, следовательно, какого-либо космического происхождения. Война остановила во всем мире дальнейшие исследования этого рода, но как только мы смогли получить надлежащую аппаратуру, сделанную после войны в оборудованной заново Норманбриджской физической лаборатории, мы с I. S. Bowen’oм отправились в Кэлли-Фильд, возле Сан-Антонио в Техасе, с четырьмя маленькими регистрирующими электроскопами, которые нам удалось весною 1922 года поднять в воздушных шарах-пилотах на высоту почти в два раза большую чем та, которая была достигнута прежде. Самый высокий полет достиг высоты в 15,6 км., или почти 10 миль.
Эти аппараты были интересны в том отношении, что несмотря на то, что их вместимость была 300 куб. сантиметров воздуха, при давлении в 150 фунтов, и они были снабжены каждый регистрирующим барометром, термометром и электроскопом, а также тремя различными наборами движущихся фотографических фильм и необходимым двигательным механизмом, общий вес всего аппарата был только 180 грамм, или около 7 унций.
Мы расчитывали, что, если ранее сообщенные результаты были правильны, то мы найдем при этих опытах очень большие потери количества заряда, так как аппараты наши поднимались на такую высоту, что девять десятых атмосферы оказывалось под ними и только одна десятая оставалась для ослабления, путем поглощения, интенсивности входящих извне гипотетических лучей. Результаты не оправдали этих ожиданий. Они доказали, однако, окончательно, в согласии с наблюдениями Hess’a и Kohlhörster’a, что проникающее излучение было сильнее на больших высотах, чем на поверхности, но что его возрастание было не больше четверти того, которое можно было предсказать на основании результатов, полученных германскими наблюдателями (двумя годами позднее, после дальнейших опытов, они уменьшили свои цифры, так что они больше не противоречили нашим измерениям).
Так как происхождение лучей было еще неясно, хотя и имелось указание в пользу какого-либо космического источника, то д-р Russel Otis и я решили, что следующим шагом должно было быть определение проникающей силы этих лучей, и так как на поверхности земли они были слабее чем на высоте, то летом 1923 года мы отправились на вершину Пайкспика, взяв с собою 300 фунтов свинца и большой (6 фут. × 6 фут. × 6 фут.) резервуар с водой с целью сделать измерения поглощения над лучами, которые окажутся на этой высоте.
Мы нашли, что, несмотря на то, что наши электроскопы разряжались на Пайкспике в два раза быстрее, чем на высоте Пасадены, лучи пресекались поглощающими экранами так быстро, что было ясно, что большинство их имела не многим большую, проникающую силу, чем обыкновенные гамма-лучи, испускаемые радием. Далее мы нашли, что степень разряжения нашего электроскопа уменьшилась на 10 процентов благодаря сильной снежной буре, разразившейся в ту неделю, которую мы провели на вершине. Это показало окончательно, что по крайней мере главная часть лучей, над которыми мы производили опыт на вершине, была местного происхождения и что они могли произойти от радиоактивного вещества, каким-нибудь неизвестным путем попавшего в верхние слои атмосферы.
Изыскание причины возрастания вместе с высотою интенсивности этих мягких, сходных с гамма-лучами, лучей сделалось, поэтому, почти столь же интересным, как и вопрос существования самого сильно проникающего излучения космического происхождения, так как это последнее могло быть только отчасти причиною возрастания разряда электроскопа, замеченного между Пасаденой и Пайкспиком. Поэтому мы с м-ром Harvey Cameron’ом составили на лето 1925 года план опытов, предназначенных: 1) для окончательного установления вопроса о существовании или несуществовании сильно проникающего излучения космического происхождения, и 2) для пролития света на причину изменения вместе с высотою более мягкого излучения типа гамма-лучей, которое на Пайкспике мы нашли более чем в два раза интенсивным нежели в Пасадене.
Для того, чтобы обнаружить сильно проникающее излучение в случае его существования, необходимо было найти на очень большой высоте очень глубокое, питаемое снегом озеро, так как всякое радиоактивное заряжение воды, происходящее от просачивания ее сквозь землю, исказило-бы результаты, полученные при погружении электроскопов на различные глубины под поверхностью озера.
Мы выбрали для первого опыта красивое озеро Муир (на высоте 11,800 футов), глубиною в сотни футов, как раз под вершиною горы Уитней, высочайшей вершины Соединенных Штатов. Мы работали здесь последние десять дней августа, погружая наши электроскопы на различную глубину вниз до 60 футов. Наши опыты обнаружили совершенно определенно космическое излучение такой необыкновенно проникающей силы, что оно обнаруживалось электроскопом, постепенно понижаясь, еще на глубине 45 футов под поверхностью воды. Поглощающая способность атмосферы над озером была эквивалентна 23 футам воды, так что лучи, попадающие на землю из внешнего пространства, были настолько проникающими, что могли пройти через 45 плюс 23, итого через 68 футов воды или через равноценных 6 футов свинца прежде чем быть совершенно поглощенными. Это показывает, что лучи эти гораздо более жестки (более проникаюгци), чем даже можно было раньше себе представить. Наиболее проникающие Х-лучи, которые мы получаем в наших больницах не могут пройти через полдюйма свинца. Здесь же были лучи, зарожденные где-то извне в пространстве и по крайней мере в сто раз более проникающие, чем первые.
Далее, согласно понятиям современной физики, высокая проникающая способность означает просто большую частоту или короткую длину волны. Наши опыты указывают в таком случае, что есть область частот, настолько превышающих частоту Х-лучей, насколько эта последняя превышает частоту световых волн. Они показывают также совершенно определенно, что эти лучи высокой частоты не однородны, но имеют измеримую спектральную дисперсию, причем частота наиболее коротких волн, замеченных нами, превышала немного менее чем вдвое частоту наиболее длинных, так как лучи, которые мы фактически наблюдали на озере Муир, меняли жесткость или частоту при прохождении через все большую толщу воды, совершенно также, как Х-лучи постепенно делаются жестче, проходя через последовательные слои свинца. Опыты с воздушными шарами-пилотами показывают, что частота этих космических лучей не граничит с областью Х-лучей, иначе при опытах с шарами, когда девять десятых атмосферы оставалось под ними, мы получили-бы более сильные разряжения.
Далее, стало вполне очевидным, что эти космические лучи пронизывают пространство во всех направлениях, так как мы не могли заметить какого-либо изменения в их интенсивности в течение дня или ночи.
Все результаты, полученные на озере Муир, были с изумительным совпадением проверены другим рядом опытов на другом питаемом снегом озере — озере Арроухэд — в 300 милях от Муира, на 7000 футов ниже и той-же глубины, где Arrowhead Lake Development Company любезно предоставила в наше распоряжение все удобства. Действительно, поглощающая сила атмосферы между возвышенностями озер Муира и Арроухэда равна приблизительно двум метрам воды, и на самом деле, всякий отсчет в Арроухэде был практически одинаков с отсчетом, сделанным в Муире на глубине на два метра большей.
Мы можем сделать вполне правдоподобные заключения о происхождении этих сильно проникающих лучей очень большой частоты. Наиболее проникающие лучи, о которых мы что-нибудь знали до сего времени, лучи радия и тория, возникают только при превращениях во внутри-атомном ядре. Это значит, что они происходят при изменении одного атома в другой атом или при создании нового типа атома. Едва-ли возможно, поэтому, воздержаться от заключения, что эти еще более проникающие лучи, которые мы здесь изучали, произошли также от внутриядерных превращений какого-либо рода. Но эти превращения должны быть в громадной мере более энергичны, чем те, которые бывают при радиоактивных изменениях, так как частота каждого испускаемого луча, согласно тому, что нам теперь известно, пропорциональна энергии внутриатомного изменения, которое его рождает. Поэтому само собою навязывается заключение, что во всем пространстве происходят внутриядерные изменения, сила энергии которых может быть раз в пятьдесят больше, чем изменения энергии, происходящие в наблюдаемых радиоактивных процессах, и что сигналы этих изменений посылаются нам в виде этих лучей большой частоты.
Энергия внутриядерного изменения, соответствующая образованию гелия из водорода, известна, и отсюда мы вычислили соответствующую частоту и нашли, что она точно отвечает лучам наибольшей частоты, которые мы наблюдали этим летом. Вычисленная частота этих лучей точно соответствует также энергии, выделяющейся при простом захвате электрона положительным ядром. Возможно, что это явление происходит в действительности во всем пространстве. Это является, я думаю, наиболее вероятным источником этих лучей. Правда, неизвестно насколько здесь применима формула, лежащая в основе вычисления частоты этих лучей по их коэффициенту поглощения, тем не менее, эта формула вполне пригодна в тех областях частот, где можно произвести независимую проверку, а именно в области поля Х-лучей и гамма-лучей.
Согласно этой формуле, длина волны наиболее коротких волн, какие мы здесь исследовали, составляет 0,0004 Angstrom’oв, или только одну пятидесятую длины наиболее жестких известных нам гамма-лучей, и только одну десятимиллионную длины обыкновенного света. Наибольшая длина волны, найденная нами, составляет около пяти третей наиболее короткой, или 0,00067 Angstr.
Когда эти лучи необыкновенно большой частоты ударяются в землю, согласно вполне установленному теперь эффекту Compton’a, они могут превратиться частью в мягкие рассеянные лучи, и именно, приблизительно той-же жесткости или длины волны, как мягкие лучи, которые мы наблюдали на Пайкспике и горе Уитней. Причина того, что эти мягкие лучи были обильнее на вершинах гор, чем в Пасадене, могла-бы тогда заключаться просто в том, что на вершинах гор имеется более чем в два раза жестких лучей, способных к превращению, чем на высотах Пасадены. Это является, повидимому, разрешением второй из наших летних задач.
Но каким образом может внутриядерное превращение, подобное, например, образованию гелия из водорода или захвату электрона положительным ядром, происходить во всем пространстве, причем исходящие лучи идут, повидимому, как в одном так и в другом направлении и несомненно нисколько не более обильно по направлению от солнца, чем с диаметрально противоположной стороны, что явствует из совершенной тождественности наших полуденных и полуночных наблюдений? Трудность ответа на этот вопрос не так уж непреодолима, если принять во внимание, что даже большие количества материи являются прозрачными для этих жестких лучей, и сопоставить это с недавно доказанным Hubbele’ем, в обсерватории горы Уильсон, фактом, что некоторые спиральные туманности удалены от нас по крайней мере на миллион световых лет. В таком случае достаточно только, чтобы центры, где происходят эти внутриядерные изменения были рассеяны на чрезвычайно больших \расстояниях друг от друга, для того, чтобы произвести ту интенсивность излучения, которая была замечена на озере Муир.
Единственным альтернативом к указанной выше гипотезе о лучах большой частоты, прорезающих пространство во всех направлениях, может быть, повидимому, предположение, что наблюдаемые лучи порождаются в верхних слоях атмосферы электронами, пробегающими через пространство во всех направлениях, практически со скоростью света. Эта гипотеза может помочь при объяснении таинственного факта поддержания отрицательного заряда земли, но, я думаю, что она встречается с непреодолимыми препятствиями при объяснении количественного изменения с высотою ионизации в закрытых сосудах. Во всяком случае, гипотеза эта в своих главнейших положениях очень сходна с гипотезой, изложенной выше, так как в ней также пространство наполнено лучами того или другого рода, проходящими во всех направлениях с быстротою света. В настоящее время трудно обойтись без одного из этих представлений. Однако, есть еще одна идея, которая кажется слишком заманчивой для воображения. Проф. Маc Millan из Чикаго полагает, что это явление есть результат конденсации, где-нибудь в пространстве, в материю света и тепла, непрерывно излучаемых солнцем и звездами, а психологи объясняют им всевозможные телепатические явления.
Во всяком случае, из наших опытов можно, повидимому, сделать следующие выводы:
1) что обладающие необыкновенной проникающей способностью лучи действительно существуют;
2) что их коэффициент поглощения, повидимому, достигает 0,18 на метр воды;
3) что они не однородны и распределены в спектральной области, значительно удаленной от области Х-лучей, обладая, вероятно, в 1000 раз большею частотою, нежели средняя частота последних;
4) что эти жесткие лучи производят, ударяясь о материю, более мягкие лучи, приблизительно частоты, предсказанной теорией эффекта Compton’a;
5) что эти лучи достигают земли с одинаковой интенсивностью днем и ночью и во все часы дня и ночи, и практически с одинаковою интенсивностью во всех направлениях.
Перевод В. Унковской.