Путь в науку и далее
I. Мой учитель С.Н. Вернов
В вестибюле двухэтажного здания бюро пропусков ЛИПАНа царили полумрак и тишина. Мы, несколько человек из НИФИ-2, дожидались, когда будут готовы пропуска на семинар, которого я ждал с большим нетерпением. Предстояло услышать дискуссию о варитронах между авторами открытия А.И. Алихановым и А.И. Алиханяном и их оппонентами Д.В. Скобельцыным и С.Н. Верновым. Я был начинающим аспирантом, и эти имена казались мне принадлежащими к недоступному для меня миру. Знаком я был лишь с Сергеем Николаевичем Верновым, который любезно предложил мне быть его аспирантом. Медленно и томительно тянулись минуты ожидания. И вдруг в зале произошло что-то, возникло какое-то движение, то ли ветерок пронесся, – я не успел даже понять – в следующий момент открылась входная дверь, и в вестибюле возник Сергей Николаевич. С тех пор, вероятно, имя Вернова ассоциировалось у меня с движением. Я познакомился с Сергеем Николаевичем в 1949 г., хотя на его лекциях по физике космических лучей мне уже приходилось бывать. А более близкое знакомство состоялось так. Наш преподаватель по ядерной электронике Алексей Александрович Санин неожиданно предложил мне участвовать в экспедиции на экватор. Неужели я мог отказаться? Произошло это в самых последних числах декабря 1948 г. Сразу после зимних каникул я начал работать в лаборатории космических лучей. Конечно, я весьма смутно представлял себе, чем я должен заниматься. Знал только, что должен построить какой-то электронный прибор для измерений чего-то где-то там высоко на границе атмосферы. И я с энтузиазмом взялся за работу. На первых порах моим учителем была Ирина Михайловна Евреинова, старший лаборант, мастер на все руки, человек удивительной доброты и благорасположения...
Где-то в начале февраля в здании НИФИ-2 я спускался с четвертого этажа, где находилась лаборатория, Навстречу мне стремительно поднимался человек и, чуть не столкнувшись с ним, я вдруг понял, что это Сергей Николаевич.
"А почему вы не были на семинаре? – обратился он ко мне. – Вы должны ходить на все семинары, это по пятницам. В Долгопрудном. Запаситесь бутербродами." Зачем на семинаре бутерброды? – подумал я. Лишь позднее мне стало понятным значение этого предупреждения.
... Маленький автобус отправлялся от старого здания ФИАН на Миусской в 9 утра. Когда я пришел, в автобусе уже было несколько человек, в том числе, кроме Сергея Николаевича, мой непосредственный руководитель Н.Л. Григоров, А.Д. Соловьев и другие, незнакомые мне люди. Сергей Николаевич что-то оживленно обсуждал и, увидев меня, сказал: "Ага, ну что ж, поехали" – и автобус тронулся. Я по скромности приютился в самом конце салона, и до меня сквозь шум двигателя прорывались лишь отдельные обрывки фраз: "...высотный ход..., толщина поглотителя ..., присчет ..." – доносился громкий голос Сергея Николаевича. Оказывается, семинар уже начался.
...В Долгопрудном находилась станция по изучению космических лучей ФИАН и оттуда с большой огороженной площадки производились запуски установок, подвешенных на длинных гирляндах воздушных шаров, применявшихся для подъема в атмосферу метеозондов. В Долгопрудном жили и работали многие сотрудники: А.Н. и Т.Н. Чарахчьян, А.М. Куликов, Ю.А. Смородин, Л.Т. Барадзей и др.
Сергей Николаевич открыл семинар. Обсуждались результаты одного из последних полетов. Докладывал Агаси Назаретович Чарахчьян. На этих первых семинарах я понимал далеко не все, но стеснялся задавать "глупые" вопросы, боясь прервать ход обсуждений.
Нужно отметить, что на семинарах присутствовало очень небольшое число физиков, непосредственно занятых в исследованиях с помощью шаров-зондов. Я был не единственным студентом на этих семинарах, но самым "зеленым". Вероятно, непонимание некоторых вещей рисовалось на моем лице. К своему удивлению я вскоре заметил, что Сергей Николаевич иногда прерывал докладчика и давал пояснения как бы специально для меня. Вообще атмосфера на семинаре была самая непринужденная. Докладчика прерывали все, и вскоре уже непонятно было кто докладчик, а кто слушатель – монологи слушателей иногда затягивались надолго. Вначале была какая-то физика, но вскоре все утонуло в методических вопросах. То и дело слышалось "а телесный угол мал?" "а присчет как учитывали?", "но был же и усчет" – это уже выражение Агаси Назаретовича. Я поглядывал на часы – время приближалось к часу дня, пора и закругляться – обсуждение длилось три часа. И действительно, Сергей Николаевич наконец сказал – думал, он объявит конец семинара: "Продолжим через полчаса, пора подкрепиться". Вот здесь-то я и понял предупреждение Сергея Николаевича о бутербродах.
Вскоре семинар возобновился, но по-моему все уже забыли, кто был докладчиком и выступавшие, как мне казалось, говорили о чем-то своем, об измерениях электронно-фотонной компоненты, об ионизации, порогах регистрации "толчков" и так далее. На самом деле все это относилось к единому комплексу вопросов – какова природа первичного космического излучения и его поведение в атмосфере. Сейчас трудно себе представить, что в 1949 году наука достоверно не знала знака заряда первичных частиц, механизмов передачи энергии космическими лучами вторичным компонентам и многого другого, что сейчас кажется само собой разумеющимся.
...После семинара, который закончился около 5 вечера, Сергей Николаевич спросил меня, каковы мои впечатления и я посетовал, что почему-то обсуждались, в основном, "присчеты" и "усчеты". И тут он дал мне первое указание. "Запомните, – сказал Сергей Николаевич, – эксперимент – это на 90% методика".
Постепенно, от семинара к семинару, мне все яснее становилась программа исследований. Сергей Николаевич очень широко и четко поставил задачу: определить природу первичных космических частиц. Для решения вопроса был использован метод, применявшийся в экспериментах С.Н. Вернова еще в довоенные годы – подъем научной аппаратуры на воздушных шарах-зондах с передачей всей информации по радио. В дальнейшем аппаратура, поднимаемая на воздушных шарах усложнялась и тяжелела. Приходилось использовать целые связки состоящие из нескольких десятков шаров, аппаратура включала разнообразные детекторы и средства их обработки: а также автоматику управлявшую программой измерений. Создавались целые летающие лаборатории, явившиеся прообразом тех автономных систем, которые сейчас широко используются на спутниках и межпланетных станциях.
Программа включала два этапа. Во-первых нужно было оценить природу первичных космических частиц: легкие или тяжелые, электроны или протоны? Во – вторых, каков знак заряда первичных космических частиц? Итак, что же нам шлет Космос? Протоны? Электроны? Позитроны? А вдруг и антипротоны (в то время они еще не были открыты)?
По инициативе С.Н. Вернова в лаборатории космических лучей НИФИ-2 были созданы установки для измерения каскадов, создаваемых космическими частицами. Если первичное излучение состоит из электронов или позитронов, то попадая на слой тяжелого вещества (например, свинца) оно вызовет появление электронно-фотонного каскада. Измеряя зависимость числа частиц от толщины слоя свинца, можно оценить энергию частиц, создающих каскад. Такие эксперименты были выполнены вскоре после войны с помощью установок, включающих сферические ионизационные камеры для измерения ионизационного эффекта, окруженные слоями свинца различной толщины. Во время полета свинцовые поглотители изготовленные из полусфер раскрывались и камера измеряла поток в свободном пространстве. Толщина свинца варьировалась от полета к полету, а измерения в открытом пространстве служили для нормировки результатов. Измерения обнаружили существование каскадного размножения частиц, но ... их энергия оказалась слишком малой, много меньше той, какую должны иметь первичные частицы на данной геомагнитной широте. Итак, первичные космические частицы имеют большую массу. Оставалось определить знак их заряда.
Как известно, магнитное поле Земли достаточно сильно. Оно отклоняет даже тяжелую магнитную стрелку компаса. Что же говорить об "элементарных" частицах? Они просто роями завиваются вокруг силовых линий магнитного поля Земли. Особенно сильно влияет на заряженные частицы магнитное поле на экваторе. Вертикально падающие однозарядные частицы не могут достичь границы земной атмосферы, если их энергия меньше 15 ГэВ. Все такие частицы полностью отражаются обратно в космос независимо от того, положительный или отрицательный заряд они несут. Иначе обстоит дело для частиц, движущихся по направлениям близким к горизонтали. Частица с положительным зарядом может приблизиться к Земле с Запада, двигаясь по спиральной траектории со сравнительно малым радиусом кривизны, т.е. с небольшим импульсом. Расчеты показывают, что частице достаточно иметь импульс около 10 ГэВ/с и она сможет достичь границы атмосферы. Эта энергия соответствует энергии ускорителя в Дубне. Иная картина для частиц с Востока. Малый радиус кривизны невозможен, так как траектория в этом случае будет проходить через тело Земли и частица поглотится. Поэтому для нее единственный способ достигнуть нашего прибора с Востока – это строго следовать вдоль поверхности земного шара. Таким образом, радиус кривизны должен быть больше радиуса Земли. А это требует энергии более 60 ГэВ, т.е. энергии ускорителя в Протвино, построенного лишь в 1967 году. В 1949 г., естественно, не было ускорителей ни в Дубне ни в Серпухове.
Если первичные частицы заряжены положительно, то интенсивность с западного направления должна быть много больше, чем с восточного, так как частиц низких энергий в космическом излучении значительно больше, чем высокоэнергичных (интенсивность падает, как E-1,5). В глубине атмосферы эффект невелик: первичные частицы до уровня моря практически не доходят. На этом и была основана идея опыта – сравнить интенсивность космического излучения приходящего с Запада и Востока на экваторе и выяснить зарядовый состав первичного космического излучения.
По инициативе Сергея Николаевича и была снаряжена 2-ая советская экваториальная экспедиция 1949 года (первая была организована в 1937 году на танкере "Серго Орджоникидзе" для систематического исследования широтного эффекта первичных космических частиц). Следует вспомнить, что американский ученый Джонс уже пытался выполнить измерения интенсивности с Запада и Востока, но не обнаружил разницы. Однако его методика была несовершенной. Установка в полете вращалась нерегулярно и направления путались. В нашем институте под руководством Сергея Николаевича была создана надежная аппаратура, строго фиксировавшая ориентацию прибора в полете.
Для участия в этой экспедиции и пригласил меня А.А. Санин. Я должен был построить установку для регистрации сильно ионизирующих частиц с помощью ионизационной камеры, так называемых "толчков" – всплесков ионизации, возникающих в результате расщепления ядер в стенках ионизационной камеры, или прохождения через камеру частиц с повышенной ионизацией (медленных протонов или ядер). Трудность была в том, что необходимо было передавать по радио амплитуду сигнала. Задача решалась, как и теперь, путем трансформации амплитуды в длительность сигнала. Кто-то мне сказал: что метод был предложен А.Е. Чудаковым. Мой непосредственный научный руководитель предложил мне электронную схему. Я должен был смонтировать и наладить несколько таких приборов, а также сделать сферические ионизационные камеры и заставить их устойчиво работать в импульсном режиме.
Перед одним из семинаров я увидел в коридоре Долгопрудненской станции сидящего на окне молодого человека, постарше меня, но все же молодого. Я подошел к нему, догадываясь, что он тоже приехал на семинар. И действительно мы быстро нашли общий язык. В ходе разговора он спросил меня, чем я занимаюсь, и я сказал ему, что делаю электронику для измерения ионизационных эффектов в стратосфере. "По методу Чудакова", – добавил я и вдруг увидел, что лицо сидящего передо мной человека заливается краской. Я догадался, что это и есть Чудаков...
Но главной задачей экспедиции было, безусловно, определение знака заряда первичного космического излучения. Этот крупный эксперимент сыграл важную роль не только в развитии науки в НИИЯФ МГУ, но, без всякого преувеличения, во всем мире.
|
|
- – Все, достаточно. Пишите.
Я начал писать работу, но, как оказалось, я был не в состоянии остановиться, Мы регулярно встречались с Сергеем Николаевичем (происходило это большей частью у него дома в квартире, переоборудованной, как мне казалось, из чердачного помещения под крышей старого дома на улице Горького) и он внимательно прочитывал мою писанину, обрушивая на меня целый каскад идей и замечаний, в то же время требуя, чтобы я закруглялся. А я, увлеченный его предложениями, так и этак обрабатывал результаты, строил тысячи разных графиков и каждый шаг вызывал появление все новых вопросов. Не мог я остановиться и все тут. Наконец, терпение Сергея Николаевича лопнуло и он сказал мне:
- – "Владимир Сергеевич, (кстати, он почему-то называл меня по
имени-отчеству несмотря на мой юный возраст) даю вам еще двое суток.
Послезавтра в 9 вечера вы ставите точку, даже если это случится посреди
слова. Кончайте!"
Темным зимним вечером на "чердаке" было свежо. Мы сидели, накинув на плечи пальто.
После защиты диссертации Сергей Николаевич позвал меня и спрашивает: "Какие у вас планы?" И не дожидаясь моего ответа: "А не хотите ли поискать нейтральный мезон?" Речь шла о нейтральном мю-мезоне. В то время еще не было современной классификации частиц и ниоткуда не следовало, что нейтрального мю-мезона не существует. Идея эксперимента была простой: нужно построить многослойную систему из газоразрядных счетчиков, расположив отдельные слои детекторов на различных глубинах под землей. Если включить на совпадения верхний и нижний слои и регистрировать картину в промежуточных слоях, то в некоторых случаях заряженный мю-мезон (так и хочется сказать мюон, но тогда такого названия еще не было) после взаимодействия с ядром перезарядится в нейтральный и ряд детекторов ничего не отметят. После повторного взаимодействия мю-мезон вновь станет заряженным и запустит установку. Может быть нейтральный мезон проявит себя.
- – Достаточно вы повитали в заоблачных высотах, – сказал Сергей Николаевич, – спуститесь-ка под землю.
Надо сказать, что шел 1954 год. На Ленинских горах уже взметнулось ввысь здание МГУ, и был на подходе 20-й корпус с его подземной лабораторией.
Я с удовольствием засел за расчеты, но – увы – очень скоро обнаружил, что при разумных размерах установки многократное рассеяние мю-мезонов будет выводить их из телесного угла и возвращать обратно, что будет приводить к появлению пропусков в слоях детекторов и имитировать нейтральные мю-мезоны. Увы, эксперимент не состоялся.
После этого случая на целый ряд лет мои прямые контакты с Сергеем Николаевичем прервались – я занялся созданием и наладкой первого в мире и второго ионизационных калориметров, которые были построены на Памире. Первый вступил в строй 24 июля 1957 года. В том же году были получены и результаты, подтвердившие перспективность нового метода исследования адронов, фотонов и лептонов.
Но в конце 1957 года произошло событие, обозначившее наступление новой эры. В Советском Союзе был запущен первый спутник, а вскоре и второй и третий, на которых были получены научные результаты. Совершенно неожиданно для многих на высотах более 300 км был обнаружен гигантский всплеск интенсивности космического излучения. Советские установки зарегистрировали рост интенсивности в приполярных широтах, американские – у экватора. Если открытием считать обнаружение неожиданного природного явления, то этот результат определенно претендовал на открытие. Сергей Николаевич считал (и это проявлялось неоднократно), что в таких случаях нужно бросить все другие дела и заняться именно этим. Он привлек к работе многих и вновь, как и в прежние времена сравнительно узкий круг физиков стал регулярно встречаться для обсуждения проблемы повышенной интенсивности. На этот раз "семинары" проходили на квартире Александра Игнатьевича Лебединского в Главном здании МГУ, и опять обсуждения продолжались многие часы, но теперь бутерброды готовила жена Александра Игнатьевича.
Было ясно, что работает ловушка, существующая в магнитном поле Земли. Она была известна в теории давно, еще с начала века. Ни одна частица, попавшая в нее не может ее покинуть, но ни одна не может и попасть в нее. Классик сказал, что по этой причине ловушка пуста, и на протяжении десятилетий эта мысль кочевала из учебника в учебник. И вот теперь пришлось схватиться за голову: откуда же там частицы? Сергей Николаевич поручил мне рассчитать так называемый нейтронный механизм. Нейтроны, попадая в область ловушки, распадаются там на протоны и электроны, которые будучи не в состоянии выбраться оттуда, накапливаются и образуют зону повышенной радиации. Нейтроны могут достигать ловушки, приходя от Солнца (но таких сравнительно мало), или из земной атмосферы (т.н. "нейтроны альбедо"). Сергей Николаевич объявил "конкурс" на название нового явления. Было много вариантов, но в конце концов было принято предложение Сергея Николаевича и новое явление получило крещение под именем "Земное корпускулярное излучение" (сейчас чаще употребляют американское название "Радиационные пояса Земли").
Моя рабочая нагрузка удвоилась, никто не освобождал меня от работ с калориметром. Работа по альбедному механизму была очень объемной, а вычислительных машин не было. Все приходилось считать вручную, многочисленные интегралы, в том числе расходящиеся, приходилось вычислять по старым правилам, рисуя график функции и вычисляя площадь с помощью курвиметров. Сергей Николаевич буквально висел надо мной. Шло негласное соревнование с американцами. И вот статья уже послана в печать, но без двух последних графиков – не считаются те самые расходящиеся интегралы, но наконец все закончено1. Можно перевести дух.
Хотя конечные результаты расчета альбедного механизма были опубликованы, сами детали расчета не вошли в статью. Я был занят другими делами, вскоре уехал в экспедицию на Арагац на несколько месяцев и моя работа с Сергеем Николаевичем по земному корпускулярному излучению прервалась. А статью об альбедо я опубликовать так и не удосужился. И вот однажды, года два спустя поздно вечером, около полуночи, раздается звонок. Голос Сергея Николаевича, который ни с чьим спутать нельзя: "Владимир Сергеевич, вы видели публикацию по альбедо? А что у вас? Где ваша статья? Мне помнится у вас результат другой. По-моему у вас ошибка на порядок". Я должен был признаться, что публикации нет, и выслушал нелестную для меня тираду. Но черновики я случайно отыскал в ту же ночь и на утро принес Сергею Николаевичу. Мы вместе сравнили результаты, и я вздохнул с облегчением: они совпали.
К сожалению, в дальнейшем у меня уже не случались столь прямые научные контакты с Сергеем Николаевичем, я занялся высокими энергиями на ускорителях, но дружеское участие моего учителя Сергея Николаевича Вернова я ощущал всегда.
1За эту работу наш коллектив получил Грамоту Ученого совета МГУ.
