«Земля и Вселенная» 1991 г №1 (январь - февраль)

Люди науки С. Н. Вернов — советский космофизик

Сергей Николаевич Вернов (1910—1982)

С именем Сергея Николаевича Вернова связана целая эпоха в исследовании космических лучей и околоземного пространства.

Стратосферные исследования космических лучей и широких атмосферных ливней, широтные экспедиции, космические станции в горах с детекторами, раскинутыми на десятки квадратных километров, эксперименты на искусственных спутниках Земли — все это Вернов.

Почти легендарная целеустремленность; не знающая пределов работоспособность; острая, не притупляемая временем, интуиция физика, позволяющая выбрать в потоке идей и информации самое интересное и многообещающее направление; обостренное чувство нового, отлично уживающееся со здоровым консерватизмом — все это было подчинено у Вернова одной цели — исследованию космических лучей.

Сергей Николаевич Верное родился 11 июля 1910 г. в Сестрорецке под Ленинградом. Его отец был почтовым служащим, мать преподавала математику. Сергей Вернов учился в Единой Трудовой школе в Ленинграде, которую окончил в 1926 г. как «самый лучший ученик выпускного класса». Затем он поступил в Механический техникум, но уже спустя год стал студентом 1-го курса физико-механического факультета Ленинградского политехнического института.

Физико-механический факультет, или известный далеко за пределами Ленинграда «физмех», созданный в 1919 г. по инициативе академика А. Ф. Иоффе, долгое время считался своеобразной кузницей уникальных кадров — инженеров-физиков. Сейчас трудно найти область физики или техники, где бы не работали выпускники Ленинградского политехнического института.

Космические лучи, которые сравнивали с «криком из мирового пространства», захватили воображение Сергея Николаевича. Именно в них виделся тогда ключ к освобождению внутриатомной энергии, к раскрытию тайн мироздания.

К 1931 г., когда Вернов после окончания ЛПИ стал аспирантом Государственного Радиевого института, было надежно установлено, что интенсивность космических лучей растет по мере удаления от поверхности Земли. Однако к тому времени ученые убедились, что космическое излучение не имеет земных аналогов и его природа значительно сложнее того, что могло бы представить себе самое изощренное воображение. Пионерские работы Д. В. Скобельцина показали, что в космических лучах сосредоточена недостижимая в лабораторных условиях энергия.

... В июне 1934 г. под Ленинградом вблизи станции «Шоссейная» стартовала первая в мире автоматическая станция, регистрирующая космические лучи и передающая данные по радио. Вес первой «летающей лаборатории» составлял 28,6 кг, но уже год спустя его удалось снизить почти на 10 кг. Эта установка была значительно тяжелее обычного радиозонда, который использовали метеорологи. Чтобы исключить риск потерять установку, запуская ее на воздушном шаре, первые испытания провели на самолете. Никто не мог тогда предположить, что прибор, который испытывал 24-летний аспирант С. Н. Вернов, окажется прообразом аппаратуры будущих «Протонов» и «Электронов».

Работа была выполнена молодым исследователем под руководством профессора П. А. Молчанова (изобретателя радиозонда) и Л. В. Мысовского, признанного авторитета в физике атомного ядра и космических лучей.

Для регистрации космических лучей С. Н. Вернов предложил использовать уже снискавшие себе популярность в ядерной физике счетчики Гейгера — Мюллера. Сам факт регистрации космических лучей передать на Землю было несложно: импульсы, вызываемые прохождением космической частицы через счетчик, приводили в действие электромагнитное реле, которое на короткое время включало радиопередатчик. Таким образом, для подсчета числа частиц достаточно было сосчитать радиосигналы. Однако одновременно нужно было знать, на какой высоте находится аппаратура. По предложению П. А. Молчанова, для измерения высоты решено было воспользоваться обычным барографом. Установка была снабжена терморегулятором — чувствительность и стабильность работы приборов не должны были меняться в зависимости от температуры за бортом. И, наконец, миниатюрная электростанция питала усилитель электрических сигналов, радиопередатчик и счетчики.

Первый запуск автостратостата состоялся в апреле 1935 г. Прибор достиг высоты 13,6 км. Радиопередача была непрерывной, пока один из несущих установку шаров не лопнул и не начался незапланированный спуск. Тогда впервые С. Н. Верновым были получены сведения об интенсивности вертикального потока космической радиации.

На даче академика Д. В. Скобельцына в пос. Мозжинка, лето 1951 г. Слева направо; Н. А. Добротин, В. А. Скобельцына, И. Д. Рожанский, Ирен Жолио-Кюри, Фредерик Жолио-Кюри, С. Н. Вернов, М. С. Меркулова — жена С. Н. Вернова (Фото Д. В. Скобельцына)

Среди работ, выполненных Верновым в довоенный период, самой значительной считается исследование высотного хода космической радиации на разных широтах. Исследования с помощью космического радиозонда показали, что земное магнитное поле влияет на траектории космических частиц.

Перед войной ученый переехал в Москву, где его ждала работа в Физическом институте АН СССР. Война нарушила планы ученого. В Казани, в эвакуации, Сергей Николаевич, как и большинство физиков его поколения, занимался оборонными заданиями. Продолжить изучение космических лучей ему удалось лишь во второй половине сороковых годов.

Вопрос о природе космического излучения к тому времени еще не был снят с повестки дня. Очень популярной считалась гипотеза об электронной природе космических лучей, сторонником которой был в то время и Вернов. Серия опытов, поставленных Сергеем Николаевичем на теплоходе «Витязь» (1949 г.) и ряд полетов шаров-зондов показали, что сравнение поглощения космических лучей в свинце и в воздухе не позволяет считать космические лучи электронами. Только гипотеза о первичных космических протонах могла бы объяснить и геомагнитные эффекты космических лучей (т. е. отклонение их в магнитном поле Земли) и рождение вторичных частиц в земной атмосфере.

Наблюдение космических лучей вблизи земной поверхности — весьма трудная задача для экспериментаторов: слишком мала интенсивность космического излучения на уровне моря. А все эксперименты с космическими лучами на больших высотах носили, как правило, эпизодический характер. Вопрос о космическом мониторинге даже не стоял на повестке дня. Вернов считал, что регулярные наблюдения за космическими лучами совершенно необходимы. В 1957 г. по его инициативе были начаты регулярные запуски космических радиозондов в стратосферу. Результаты — они оказались уникальными — позволили обнаружить гигантские всплески космического излучения после солнечных вспышек, а также выявить влияние 11-летнего и 22-летнего циклов солнечной активности на интенсивность галактических космических лучей. В 1976 г. эта работа была удостоена Ленинской премии.

С. Н. Вернова интересовали не только планетарные эффекты космических лучей, но и ядерно-физические аспекты: каков механизм возникновения электронно-фотонной компоненты? Как происходит рождение пи-мезонов, распад которых приводит к возникновению проникающей мю-мезонной компоненты излучения? Каковы особенности множественного рождения вторичных частиц в атмосфере? Его интересовали космические лучи «в пространстве и времени»: в межгалактических просторах, в межпланетной среде, в окрестностях Солнца и звезд, вблизи Земли, и наконец в микромире, где космические лучи — носители едва ли не самых высоких энергий, возможных в природе,— вызывали при столкновении с атомными ядрами целый фейерверк новых частиц. Вспомним, что и позитроны, и антипротоны, и гипероны, и К-мезоны впервые были замечены при исследовании именно космических лучей.

Одним из интереснейших направлений в физике космических лучей считаются широкие атмосферные ливни (ШАЛ), открытые в 1939 г. французским физиком П. Оже с сотрудниками. Частицы сверхвысоких энергий, попадая в земную атмосферу, способны породить потоки, состоящие из сотен миллионов вторичных частиц. В таких случаях «космический дождь» покрывает площадь в сотни га. Изучать такие эффекты можно только с помощью космических лучей, ибо ускорительной технике столь высокие энергии пока недоступны.

В 1953 г. по инициативе С. Н. Вернова была разработана уникальная установка (она расположена в специальном здании на территории МГУ). Исследование энергетического спектра первичных космических лучей позволило наряду с частицами галактического происхождения выявить группу «пришельцев» из Метагалактики. Это было открытием. Московская установка претерпела ряд усовершенствований: в настоящее время ее площадь составляет около 0,5 км², что дает возможность исследовать ливни, рожденные частицами с энергией до 10¹⁸ эВ.

В начале 70-х годов под руководством С. Н. Вернова была создана одна из самых мощных в мире установок для исследования ШАЛ: ее размеры до 20 км² позволяют «принимать» частицы с энергией до 10²⁰ эВ.

Но истинный «звездный час» С. Н. Вернова (члена-корреспондента АН СССР с 1953 г., с 1968 г.— академика) совпал с космической эрой. Стратосферные эксперименты позволили Вернову еще в конце 40-х годов войти в контакт с руководителем отечественной ракетной программы С. П. Королевым. На многих ракетах, достигавших высоты 50—100 км, устанавливалась специально созданная телеметрическая аппаратура для передачи на Землю информации о космических лучах. Группе Вернова пришлось решить многочисленные технические трудности, связанные с размещением аппаратуры на борту ракеты и коротким, измеряемым минутами, временем полета. Анализируя результаты ракетных экспериментов, Сергей Николаевич высказал предположение, что частицы космического излучения, дающие начало электронно-фотонной компоненте вторичных космических лучей, должны иметь время жизни меньше 10^-9 с. Интуиция не подвела Вернова. Спустя 4 года были открыты нейтральные пи-мезоны, распадающиеся на 2 гамма-кванта со временем жизни порядка 10^-16 с.

С. Н. Вернов сажает первое деревце на территории новой станции ШАЛ в Якутии

Результаты этих исследований по причине секретности в печать не попали. Лишь спустя 12 лет они были кратко доложены на 11 Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве.

Запуск первого ИСЗ для Сергея Николаевича, как и для большинства наших соотечественников, оказался полной неожиданностью. После известия о запуске он немедленно связался с С. П. Королевым. Вернов отлично понимал, какие перспективы для космофизиков открываются в связи с запусками ИСЗ. Второй спутник к тому времени был уже укомплектован аппаратурой. До его запуска оставалось всего 2 недели. Но Вернов добился разрешения установить на «Спутнике-2» приборы (это были газоразрядные счетчики) уже на полигоне. Приборы Вернова впервые в мире обеспечили измерения интенсивности космических лучей с помощью ИСЗ. Эксперименты на «Спутнике-2» отметили значительное увеличение космической радиации. На Земле этот всплеск объяснили влиянием небольшой солнечной вспышки. И лишь потом стало ясно, что спутник попал в зону радиационных поясов Земли.

Первое открытие в спутниковых экспериментах сделали американские коллеги. Параметры эллиптической орбиты спутника «Эксплорер-1», запущенного в феврале 1958 г., позволяли «прощупать» околоземное пространство на расстоянии от 356 до 2546 км от поверхности планеты. Счетчики Гейгера — Мюллера, установленные на его борту, усиленно работали, регистрируя все возрастающую космическую радиацию. Но на высоте около 2 тыс. км спутник неожиданно замолчал. У американских физиков, напряженно слушавших эфир, появилась мысль о неисправности аппаратуры — настолько нереальным выглядело предположение о полном отсутствии радиации на этих высотах. Но, когда спутник стал снижаться, регистрация космических лучей возобновилась.

Аппаратура спутника «Эксплорер-III», выведенного на орбиту 26 марта 1958 г., вела себя аналогичным образом. На высоте порядка 2 тыс. км спутник упорно отказывался посылать на Землю информацию о космических лучах. Американские физики, работавшие под руководством Дж. Ван-Аллена, предположили, что на этой высоте существует зона повышенной радиации, настолько сильной, что приборы, не рассчитанные на столь большую нагрузку, буквально зашкаливает.

Результаты первых исследований космических лучей на спутниках озадачили ученых. Возникал вопрос: окружена ли Земля поясами радиации, захваченной геомагнитным полем, или же этой интенсивной радиацией наполнено все околосолнечное пространство, отнюдь не пустое и холодное, как считали не так уж давно? И только благодаря магнитосфере Земли эта радиация, губительная для всего земного, не достигает поверхности планеты, подобно тому как от коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, убивающего все живое, спасает нас атмосферный озон? Удастся ли человеку, разорвавшему гравитационные узы своей планеты, преодолеть и неожиданно вставший на его пути в Космос радиационный барьер? Дальнейшие исследования советских и американских ученых дали ответы на эти вопросы.

Измерения, сделанные на «Спутнике-3», подтвердили результаты Ван-Аллена. На удалении около 10³ км от Земли начиналась зона повышенной радиации: каждую секунду счетчики регистрировали до 10⁵ частиц на квадратный сантиметр. Интенсивность радиации, как и следовало из теории геомагнитных эффектов, менялась в зависимости от геомагнитной широты. Когда советский спутник пролетал в районе 60-й параллели, интенсивность космических лучей резко возрастала, достигая таких больших величин, что при расшифровке ничего нельзя было сказать об интенсивности радиации, кроме одного: она велика. Когда спутник выходил из этой зоны, интенсивность радиации падала.

Эксперименты с помощью ИС3 показали, что существуют два радиационных пояса Земли: внутренний, впервые обнаруженный американскими физиками под руководством Дж. Ван-Аллена, и внешний, открытый советскими учеными во главе с С. Н. Верновым и А. Е . Чудаковым.

На очереди было исследование структуры радиационных поясов Земли, изучение пространства около Луны, Марса, Венеры, создание количественной теории радиационных поясов, понимание роли радиации в космическом пространстве, исследование радиационной стойкости материалов и приборов — без этого невозможно непосредственное участие человека в освоении космического пространства.

Наверное, эта работа должна быть рассчитана не на одну жизнь и не на один научный коллектив. И если академик Сергей Николаевич Вернов успел в ней так много, то может быть потому, что работал до последнего дня, пока не остановилось сердце. Слишком велика была притягательная сила науки о космосе, о строении вещества, о Вселенной. «Космос,— писал С. Н. Вернов,— поистине грандиозная сокровищница еще неизведанных тайн природы».

А. С. АССОВСКАЯ, кандидат физико-математических наук