Загадки для знатоков: История открытия и исследования пульсаров. - Павел Амнуэль

Попробуем представить себе такую конференцию по космическим лучам. Она прямо связана с нашим расследованием. Ведь именно проблеме космических лучей была посвящена статья В. Бааде и Ф. Цвикки…

* * *

1-й ученый. Предлагаю такую идею — космические лучи были всегда. Они достались нам в наследство от самого момента взрыва Вселенной, как, скажем, реликтовое излучение.

2-й ученый. Что-то грандиозное могло происходить во Вселенной еще до того, как сформировались галактики…

3-й ученый…Или уже после того, как они сформировались. Вспомним взрывающиеся галактики. Или квазары. Вот где действительно грандиозные взрывы! Вполне вероятно, что и в квазарах, и во взрывающихся галактиках существуют сильные переменные магнитные поля, в которых и ускоряются частицы.

2-й ученый. Наверняка. Ведь известны радиогалактики — они излучают огромное количество энергии в радиодиапазоне, излучают примерно так же, как Крабовидная туманность, нетепловым образом. Значит, в радиогалактиках откуда-то берутся быстрые электроны! Наверняка их порождают сверхмощные взрывы в галактиках.

1-й ученый. Верно, это наблюдаемое явление. Космические лучи могут зарождаться в радиогалактиках, квазарах, а потом пересекать межгалактические бездны и достигать Земли…

2-й ученый. У меня возникла еще такая идея. Чтобы ускорить частицы, нужны электрические поля. Что-нибудь вроде небесных конденсаторов огромной емкости. Или небесные циклотроны. Представьте два «космических облака плазмы, заряженных по-разному. Между ними возникает разность потенциалов, как между поверхностью земли и грозовой тучей. Разряд становится неизбежен, и на многие парсеки бьет «космическая молния». Возникает канал, в котором ускоряются до огромных скоростей и энергий заряженные частицы…

3-й ученый. Действительно, в космосе много плазменных облаков. И обладают они не только электрическими потенциалами, но и магнитными полями — это надежно установлено. Вот и еще один механизм. Предположим, что в пространстве летит заряд (например, электрон), а навстречу ему движется флюктуация магнитного поля — межзвездное облако. Поле нарастает, энергия частицы увеличивается. Если же поле движется не навстречу электрону, а вслед ему, догоняя, то энергия частицы уменьшается. Казалось бы, это симметричный процесс — сколько облаков летит навстречу электрону, столько же и догоняет его. Однако на самом деле — это можно показать простым расчетом — процесс не вполне симметричен. При столкновениях с магнитными полями заряд приобретает больше энергии, чем теряет. Ненамного больше, после каждого столкновения энергия частицы возрастает на небольшую величину. Но ведь столкновений много, временем мы не ограничены — в запасе миллионы лет…

2-й ученый. Верно, такой механизм ускорения существует и называется статистическим. Хочу дополнить. Ведь частицы в космическом пространстве должны откуда-то браться. Они могут выбрасываться из звезд. Например, из вспыхивающих звезд — мощная вспышка в атмосфере звезды приводит к тому, что некоторое количество частиц ускоряется вихревыми электрическими полями и «впрыскивается» в межзвездную среду. А уж там статистический механизм доводит ускорение до конца.

1-й ученый. Частицы могут вылетать и из обычных звезд! Солнце, например, тоже может быть поставщиком частиц для космических ускорителей. Конечно, энергия солнечных вспышек значительно меньше, чем энергия вспышек в звездах типа, скажем, UV Кита. Но зато сто миллиардов звезд Галактики — это сестры нашего Солнца. С миру, как говорится, по частице, а Галактике — космические лучи.

3-й ученый. Вспомним еще, что больше половины звезд в Галактике — двойные. Если расстояние между звездами в двойной системе невелико, а сами звезды несут электрические заряды, то они индукционно, через космос, должны влиять друг на друга. В пространстве между звездами возникнут переменные магнитные поля — вот вам и ускорители частиц…

2-й ученый. Если говорить о генерации частиц во время звездных вспышек, то чем мощнее вспышка, тем лучше, не так ли? Вспышки новых и сверхновых — вот неисчерпаемые запасы! Ведь одна вспышка сверхновой эквивалентна многим тысячам миллиардов вспышек на Солнце.

3-й ученый. Так, так… А если объединить эту гипотезу со статистическим механизмом? Ведь чем быстрее движутся межзвездные облака, тем лучше идет ускорение… А газовый остаток вспышки сверхновой расширяется со скоростью тысячи километров в секунду!

2-й ученый. Значит, достаточно, чтобы при взрыве в оболочку выбрасывались заряженные частицы и попадали затем на ударный фронт, а уж там, где перепады давлений, плотностей, и где огромные, сверхзвуковые, скорости движения…

1-й ученый. Вот именно! «Затравочные» частицы будут постоянно ускоряться.

* * *

Не критиковать — первая заповедь мозгового штурма. Одна гипотеза нанизывается на другую, возносится на ней как на гребне волны. Но затем предстоит выбрать единственно верную идею. И после того как «генераторы идей» скажут свое слово, протоколы попадают на суд «критиков». Те идеи, что предлагались выше, обсуждались в научной литературе в течение многих лет. Статистический механизм ускорения был исследован Э. Ферми и носит его имя, идея небесных циклотронов принадлежит X. Альвену, различные варианты первичного ускорения частиц в звездах обсуждались X. Сваном, Р. Дэвисом, Д. Бэбкоком, Я. П. Терлецким, ускорение частиц в двойных системах — А. 3. Долгиновым, ускорение на ударном фронте в остатке сверхновой — Г. Крымским, М. Беллом. К всякий раз идеи наталкивались на многочисленные возражения. Суд критиков был беспощаден. Реликтовая теория космических лучей потерпела фиаско, потому что заряженные частицы, как выяснилось, довольно быстро теряют свою энергию на излучение — они не «живут» больше нескольких десятков миллионов лет, а ведь после Большого взрыва, в котором зародилась Метагалактика, прошло в тысячу раз больше времени!

Взрывы галактик тоже не объясняют многих особенностей галактического фона космических лучей. Грозовой разряд между плазменными космическими облаками уж и вовсе экзотичен — нужны такие огромные разности потенциалов (больше 10 миллиардов электронвольт), которые не реализуются в условиях межзвездной среды. А статистический механизм Ферми увеличивает начальную энергию частиц всего в несколько раз — этого слишком мало, чтобы объяснить колоссальные, до 1018 электронвольт, энергии частиц в космических лучах.

Не вполне пока ясно, насколько эффективно действует механизм ускорения, предложенный советским ученым Г. Крымским и независимо от него М. Беллом. Исследования продолжаются, и через несколько лет, возможно, идея будет либо доказана, либо опровергнута.

С трудностями сталкиваются и гипотезы о начальном ускорении частиц в звездах. Это энергетические трудности — все нормальные и вспыхивающие звезды в Галактике не способны вместе дать столько энергичных частиц, сколько наблюдается.

Вот что могли бы сказать «критики идей», если бы их собрали вместе и ознакомили с протоколами мозгового штурма. На самом деле процесс рождения и гибели идей растянулся на десятилетия… И без потерь вышла из горнила дискуссий только одна идея. Предложенная Ф. Цвикки, потом забытая в пылу споров, и опять возродившаяся подобно птице Феникс, идея о том, что космические лучи возникают во время взрывов сверхновых.

* * *

Для того чтобы придумать безумную, но верную идею, недостаточно одного лишь желания. Мозговой штурм оправдал себя пока в решении не особенно сложных технических задач. Техника имеет дело с известными законами природы, а ученому приходится открывать их самому. Иной подход, иной стиль мышления.

Но столь ли существенна разница? Мы говорили уже о существовании открытий и научных изобретений (так мы назвали создание новой теории). Для выдвижения новой концепции, новой теории, то есть для научного изобретения, нужно активизировать работу мысли именно так, как это делается для изобретений технических. И то и другое — плоды деятельности человеческого воображения, работы творческой фантазии. Для предсказания открытий, возможно, нужны иные методы, но почему бы не попытаться использовать для создания новых теорий то, что уже существует в технике?

Новое в науке, как и в технике, возникает в результате устранения противоречия. Возникновение противоречия — признак наступления кризиса, признак того, что нужна, требуется новая система взглядов. Или открытие.

С одной стороны, ученый имеет дело с явлениями природы, с результатами измерений. С другой стороны, с мысленными образами, с представлениями о них, с теоретической интерпретацией. Возможны поэтому три типа научных противоречий:

1. Противоречивыми могут оказаться два экспериментальных факта, два наблюдаемых явления. Значит, для устранения такого противоречия придется изменить один из «фактов», наверняка ошибочный. То есть открыть явление, снимающее противоречие. Научным изобретением здесь не обойтись, нужно именно открытие.