VIVOS VOCO: О.А. Кузнецов,"Тайный рейс «Витязя»"

ТАЙНЫЙ РЕЙС "ВИТЯЗЯ"

О. А. Кузнецов
Кузнецов Олег Александрович - кандидат географических наук,
старший научный сотрудник Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Академик Д.В. Скобельцын, открывая совещание по космическим лучам, проходившее 11-13 июня 1952 г. в Москве, сказал: "Я думаю, что, если проследить за историей развития физики в последнее время, страница, относящаяся к развитию наших знаний о космических лучах, быть может, окажется одной из наиболее интересных и увлекательных. Главное здесь - это расширение наших знаний об элементарных частицах, о том, какие частицы существуют, какие превращения лих частиц возможны. В ходе изучения космических лучей открыты совершенно новые явления. Речь идет об очень существенном расширении и изменении всей базы наших знаний в области представлений о природе элементарных частиц" [1].

Развитие методов экспериментальных исследований, основанное на успехах радиотехники, позволило гораздо больше узнать о первичной компоненте космического излучения. Существенный вклад в изучение этого направления внесла экспедиция на научно-исследовательском судне "Витязя", которая, однако, ни в каких документах не значится. Результаты ее работ докладывались, в частности, на упомянутом выше совещании и опубликованы в ряде журналов, в том числе в "Докладах" и "Известиях Академии наук", но ни в одной статье не упоминалось судно "Витязь".

Инициатором экспедиции был профессор, а впоследствии академик Сергей Николаевич Вернов. По его предложению Президиум АН СССР принял решение о проведении научных работ по научению космических лучей на "Витязе" в процессе его перехода летом 1949 г. из Одессы во Владивосток к месту постоянной дислокации. По документам это был рейс порожняком без заходов в иностранные порты.

В чем причина такого неожиданного решения Президиума Академии наук, поддержанного правительством? Ведь только что было отвергнуто подобное предложение Института океанологии АН СССР о проведении крупного океанического научного рейса во время перегона судна. Более того, и в последующие семь лет "Витязь", как и другие наши суда, в воды открытого океана не выходил. Начало советским исследованиям открытого океана с заходами судна в иностранные порты положил лишь 25-й рейс "Витязя" в 1957 г.

Перед описываемой здесь экспедицией ставились задачи, включающие решения ряда фундаментальных проблем физики элементарных частиц высоких энергий. Исследовательской лабораторией была атмосфера над океаном, элементарные частицы поставлял космос, а в качестве естественного спектроанализатора выступало магнитное поле Земли. В тот период ускорителей, подобных современным, еще не изобрели, и единственным источником информации о частицах высоких энергий были космические лучи, регистрируемая энергия которых тогда составляла в среднем 10¹⁰ эВ. Для сравнения: энергия построенных позднее, крупнейших на то время в мире, ускорителей составляла в Дубне (1956) - 10¹⁰ эВ и в Серпухове (1967) - 6х10¹⁰ эВ.

Исследования природы первичных космических лучей [2] и механизма их взаимодействия с веществом [3] проводились и у нас в стране, и в США начиная с конца 30-х годов. У нас такие работы велись в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН, а позднее и в созданном в 1946 г. по распоряжению И.В. Сталина секретном Научно-исследовательском физическом институте № 2 при МГУ (НИФИ-2, теперь НИИЯФ МГУ), директором которого был академик Д.В. Скобельцын.

Одна из главных целей изучения природы космического излучения - определение знака заряда элементарных частиц. В магнитном поле Земли частицы с электрическим зарядом движутся строго по спирали. Особенно сильно влияет на заряженные частицы в атмосфере наиболее мощное приэкваториальное магнитное поле. Вблизи геомагнитных полюсов оно слабее, поэтому использовать магнитное поле Земли в качестве анализатора в большинстве случаев предпочтительнее на магнитном экваторе, не совпадающем, но близком к географическому. Минимальная энергия, необходимая для преодоления частицей магнитного поля Земли, называется критической. Она зависит от геомагнитной широты и угла движения частиц по отношению к вертикали. На широте Москвы критическая энергия составляет 2х10⁹ эВ, независимо от знака заряда и направления прихода частиц. На магнитном экваторе ее величина - 15х10⁹ эВ для частиц, приходящих в вертикальном направлении, независимо от знака заряда, но для частиц, идущих под большими углами к вертикали, критические энергии оказываются разными в зависимости от знака заряда [4]. Для положительно заряженных частиц, движущихся с запада, критическая энергия оказывается в 6 раз меньше, чем для движущихся с востока. Для отрицательно заряженных частиц, наоборот, критическая энергия меньше в случае восточного направления. Это явление называется азимутальной асимметрией, оно может использоваться для определения знака заряда первичных частиц космических лучей [5].

Так должно было быть из представлений о космическом излучении того времени, из теоретических разработок и расчетов.

Американские экспериментальные исследования, выполненные под руководством Т.Н. Джонсона и опубликованные в 1933 г., подтверждали наличие азимутальной асимметрии, но они проводились на уровне моря и на высоте гор и не могли однозначно свидетельствовать о знаке заряда первичных частиц и их природе, так как на этих высотах частицы были вторичного или даже третичного происхождения. Выполненные же Т.Н. Джонсоном и Дж.Г. Барри в 1939 г. измерения в стратосфере над океаном и обработка их данных показали практическое отсутствие азимутальной асимметрии на высотах 20-25 км. Таким образом, вопрос о знаке заряда первичных космических частиц оставался нерешенным. Однако такого рода измерения приборами, поднимаемыми в стратосферу на шарах-зондах, требуют их точной ориентации в направлении запад-восток в момент регистрации излучений. Поэтому возникали сомнения в репрезентативности результатов Джонсона, поскольку его измерительная установка в полете вращалась нерегулярно, и направления путались.

Во второй половине 40-х годов в лаборатории космических лучей НИФИ-2 была создана надежная аппаратура, строго фиксировавшая ориентацию измерительного прибора в полете. Появилась возможность окончательного решения вопроса о знаке заряда первичных космических частиц [6], а также ряда других проблем советской ядерной программы. Вот почему был организован тайный рейс "Витязя". Секретными были не сами исследования, а нежелание в условиях "холодной войны" привлекать внимание к научной экспедиции, связанной с ядерными исследованиями.

Научный состав экспедиции включал девять человек - сотрудников НИФИ и ФИАНа. Начальником экспедиции был профессор Николай Алексеевич Добротин. Все ее члены входили в экипаж судна: начальник числился буфетчиком, все остальные - матросами.

Перед экспедицией стояли следующие задачи:

1) определение знака заряда первичных частиц космического излучения путем измерений в стратосфере на экваторе азимутальной асимметрии мягкой и жесткой компонент лучей и всего потока под разными углами к вертикали;
2) исследование в экваториальной зоне высотной зависимости интенсивности компоненты космического излучения, вызывающей ливни из вторичных частиц;
3) изучение на разных широтах компоненты космических лучей, вызывающей ядерные расщепления.

Судно вышло в рейс из Одессы 17 мая 1949 г. и направилось вначале в порт Констанца для заправки топливом, а затем в Суэцкий канал с короткими остановками на рейдах Порт-Саида и Суэца. Ни в одном из портов увольнений экипажа на берег не было. 3 июня "Витязь" вышел на экватор в районе 60° в.д. и начал работы, двигаясь на восток по экваториальной трассе Индийского океана протяженностью около 1500 миль. Время и координаты станций не зафиксированы, что, правда, не имеет принципиального значения при выполнении части программы по первым двум задачам. Важно, чтобы судно находилось вблизи магнитного экватора. Название "станция" здесь не соответствует классическому определению океанографической станции. Во время работ по запуску шаров-зондов с измерительной аппаратурой в стратосферу на высоту до 35 км судно разворачивалось курсом по ветру и следовало с его скоростью, создавая условия штиля на палубе. Сигналы с измерительных приборов передавались на судно по радио.

Завершив работы на экваторе, "Витязь" через Андаманское море и Малаккский пролив вышел на Сингапур, где потребовалась консультация в больнице для заболевшего матроса. Увольнение экипажа на берег было запрещено. Далее по маршруту продолжались работы в Южно-Китайском и Японском морях по третьей научной задаче экспедиции. Завершился рейс в порту Владивосток 8 июля.

Эта маленькая безвестная экспедиция получила важнейшие результаты, которые сыграли большую роль не только в развитии науки в нашей стране, но, без всякого преувеличения, и во всем мире. Во-первых, было показано, что на экваториальных широтах наблюдается большая восточно-западная азимутальная асимметрия космического излучения, доказывающая положительный знак заряда, по крайней мере, большей части первичных космических частиц, являющихся, таким образом, протонами. Тем самым был опровергнут ошибочный результат эксперимента Джонсона и Барри, который, будучи единственным, создавал неверное представление о природе первичных космических лучей.

Не менее важные результаты достигнуты при исследовании широтного эффекта ядерных расщеплении в атмосфере. Космические протоны, взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, вызывают расщепления ядер и создают потоки сильно ионизирующих частиц. Получены оценки величин энергии, теряемой космическими лучами на ядерные расщепления в атмосфере на разных широтах.

Анализ экспериментальных данных позволил доказать не только существование ядерно-каскадного процесса при взаимодействии космических нуклонов с атомными ядрами атмосферы, но также сохранение вторичной частицей при столкновении более половины начальной энергии. Этот результат свидетельствовал о существовании ядерно-каскадного процесса при сравнительно невысоких энергиях и противоречил существовавшим в то время теоретическим представлениям о взаимодействиях частиц при высокой энергии (теории Ферми, Гейзенберга и Ландау).

В заключение выражаю глубокую благодарность двум ныне здравствующим участникам той экспедиции, сотрудникам Института ядерной физики МГУ Науму Леонидовичу Григорову и Владимиру Сергеевичу Мурзину за помощь в работе над этими заметками и предоставленные материалы об экспедиции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Скобельцын Д.В. Вступительное слово. Совещание по космическим лучам 11-13 июня 1952 г. // Известия АН СССР. Сер. физ. 1953. №1.

2. Верное С.Н., Куликов А.М., Чарахчьян А.Н. Природа и свойства первичного космического излучения // Известия АН СССР. Сер. физ. 1953. №1.

3. Григоров H.Л., Мурзин B.C. Взаимодействие первичных космических частиц разных энергий с веществом. // Известия АН СССР. Сер. физ. 1953. №1.

4. Верное С.Н., Куликов А.М. Угловое распределение космических частиц в стратосфере // Доклады АН СССР. 1948. №6.

5. Верное С.Н., Куликов А.М., Чарахчьян А.Н. Азимутальная асимметрия космических лучей в стратосфере на экваторе // Доклады АН СССР. 1952. №3.

6. Вернов С.Н. и др. Определение знака заряда первичных частиц космических лучей по измерениям азимутальной асимметрии в стратосфере в районе экватора // Доклады АН СССР. 1949. №2.