Где-то в начале нашего столетия ученые-физики отметили такой интересный факт: все электрически заряженные тела при поднесении к ним радиоактивных источников разряжаются значительно быстрее, чем в обычных условиях.
В этом ничего странного не было. Радиоактивное излучение, взаимодействуя с окружающим воздухом, выбивало электроны из его молекул. Молекулы становились положительно заряженными ионами. Появление в воздухе ионов и электронов ускоряло утечку заряда. Все это было понятно. Странным было другое.
Уже многие годы известен электроскоп. Он служит для обнаружения электризации и сделан чрезвычайно просто (его описание можно найти в любом учебнике физики) — это металлический стерженек, к которому прикреплены легкие листочки. Если к стерженьку прикоснуться наэлектризованным телом, листочки получат одноименный заряд и, оттолкнувшись друг от друга, разойдутся. И разойдутся тем больше, чем сильнее наэлектризовано тело.
Зарядим электроскоп и оставим его в таком состоянии. Через некоторый промежуток времени его листочки опадут сами по себе. Но отчего? Может быть, где-нибудь вблизи есть неизвестный нам радиоактивный источник? Если это так, то следует попытаться экранировать электроскоп, спрятать его в толстостенный свинцовый ящик и посмотреть, что получится.
Именно так и рассуждали ученые, заинтересовавшиеся этим явлением. Но, увы, даже самые толстые экраны не могли защитить электроскоп. Какая-то таинственная радиация все равно разряжала его. Но где «спрятан» источник излучения? Естественно было бы предположить, что он находится под землей, ведь все радиоактивные элементы добывают именно оттуда.
Эту гипотезу легко было проверить — поднять электроскоп на воздушном шаре. Тогда толща воздуха поглотит часть излучения, идущего от почвы, ослабит его, и разрядка электроскопа будет происходить значительно медленнее. Такой опыт, только с более сложной аппаратурой, и поставил в 1911 году австрийский физик Виктор Франц Гесс. Однако полученный им результат ничего не объяснил, а скорее, наоборот, озадачил исследователей. На высоте пяти километров над Землей излучение было в тридцать раз сильнее, чем на уровне моря. Дальнейшие опыты с неумолимым постоянством показывали — излучение приходит откуда-то сверху. Поэтому Гесс назвал его «высотными лучами».
К сожалению, это открытие прошло незамеченным. Им не заинтересовались. Даже более того, нашлись скептики, сомневавшиеся в существовании высотных лучей, считавшие, что это всего-навсего ошибка эксперимента.
И все же некоторые энтузиасты отнеслись к лучам весьма серьезно и пытались разгадать их природу. Советский ученый Л. В. Мысовский пытался «спрятаться» от них под толщей воды. Но таинственное излучение регистрировалось даже на глубине в сотни метров.
В 1925 году американский физик Роберт Эндрюс Милликен предложил переименовать высотные лучи в «космические», что более соответствовало их сути. Это название прижилось, им пользуются и сейчас. В 1928 году ленинградский профессор Д. В. Скобельцын при помощи камеры Вильсона получил первые фотографии траекторий космических лучей. Мистические лучи стали реальностью. И все же они во многом оставались загадкой.
Наиболее вероятным казалось, что космические лучи — это либо двигающиеся с чрезвычайно большой скоростью частицы света — фотоны, либо тяжелые заряженные частицы. Но как это узнать?
Наша Земля — огромный магнит, северный и южный полюса которого лежат в полярных областях. Между ними «натянуты» силовые линии. Они сходятся, как бы втыкаясь в Землю у магнитных полюсов, и широко расходятся в тропиках. Попав в их поле, заряженные частицы отклоняются. Однако некоторые особо «энергичные» из них могут пробить этот щит Земли и долететь до поверхности нашей планеты. Так как магнитное поле слабее к полюсам, то количество таких прорвавшихся к Земле частиц должно увеличиваться по мере удаления от экватора.
Подчеркнем, что это происходит лишь в том случае, если космические лучи состоят из заряженных частиц. Если же лучи — потоки фотонов, то их количество по всей планете, независимо от географической широты, должно быть одинаково. Вот это и предстояло выяснить.
Ответ дали англичанин Комптон и голландец Клей. Им удалось обнаружить, что под влиянием земного магнитного поля интенсивность космических лучей изменяется. Вблизи экватора она была на десять процентов слабее, чем у полюсов. А раз так, значит, приходящие из космоса частицы имели заряд и, следовательно, не могли быть фотонами.
Одна загадка была решена, но, как и бывает в таких случаях, сразу же возникла другая: какой заряд имеют космические частицы? Здесь свой вклад в копилку знаний внесли итальянцы. Бруно Росси высказал идею, что в зависимости от знака заряда космические лучи, взаимодействуя с геомагнитным полем, будут отклоняться по — разному. Если это положительные частицы, то у исследователя будет создаваться впечатление, что их больше приходит с запада, а для отрицательных — наоборот.
Эта гипотеза была, естественно, проверена, и к 1935 году уже многое о таинственном «высотном излучении» Гесса стало известно. В научных статьях появилась их точная «рецептура» — смесь положительных частиц-протонов (их до 90%) с небольшим количеством ядер гелия — альфа-частиц. Совсем редко, но все же встречаются там ядра и более тяжелых элементов: углерода, азота, железа.
Был выяснен и еще один интересный факт. Оказалось, что истинно «космические» лучи до поверхности Земли не доходят. В своих лабораториях исследователи регистрируют всего-навсего бесчисленные осколки ядер атомов воздуха, которые возникли под ударами «настоящих» космических частиц.
Причем одна-единственная, обладающая большой энергией частица может вызвать цепную реакцию образования осколков и породить целые семейства новых, не существующих в обычных условиях элементарных частиц, которые, распадаясь, тут же дают новые частицы. Образуются «космические ливни», охватывающие большие площади. Зарегистрировать их способны только специальные приборы, в том числе и простейший из них — электроскоп, с которого мы начали рассказ.
Так, казалось бы, маленький факт — опадение металлических листочков электроскопа — привел к открытию космического излучения.
А теперь, после того как мы познакомились с космическими частицами, пойдем дальше.
Когда столь известный нам по школьным учебникам монах добрался до края Земли и, проткнув головой небесную сферу, выглянул наружу, его взору предстало хитросплетение колес, приводящих в движение планеты. Так представляли себе строение мира в прошлом. Сейчас это кажется смешным, ведь всем известно, что никакой небесной сферы нет и мы живем на дне воздушного океана, что воздух, по мере того как мы будем подниматься вверх, становится все более и более разреженным.
Газовая шуба нашей планеты — это скопление огромного числа молекул различных газов. Если бы мы смогли заглянуть в этот необычный микромир, то нашему взору предстала бы фантастическая картина: хаотическое, абсолютно беспорядочное движение частиц воздуха. Все они сталкиваются друг с другом, отскакивают, разбегаются, чтобы столкнуться вновь, но уже с другими частицами. Это напоминает рой комаров-толкунцов, висящих летним вечером над берегом реки. Только перемещаются частицы неизмеримо быстрее — со скоростью от полукилометра до километра в секунду.
Но вот, подобно метеориту, через рой молекул пронеслась наша знакомая — космическая частица. Эта пуля Вселенной ворвалась в атмосферу со скоростью, близкой к световой. На ее пути возникла случайная мишень — ядро атома. Миг — и произошло чудесное превращение: одно вещество превратилось в другое. То, о чем мечтали алхимики древности, случилось у нас на глазах.
Ядерные реакции, происходящие при бомбардировке атмосферы космическими частицами, сейчас хорошо известны. Но нас будет интересовать всего одна, в результате которой получается радиоактивный изотоп углерода — углерод-14. Он отличается от своего собрата — хорошо известного обычного углерода — только тем, что в его ядре находится на два нейтрона больше.
Подсчитано, что ежегодно в атмосфере Земли возникает около семи килограммов радиоуглерода.
Образовавшийся в верхних слоях атмосферы, на высоте около пятнадцати километров, радиоуглерод обычно в течение нескольких часов окисляется кислородом воздуха и рассеивается в атмосфере. Зато дальше все происходит очень медленно: несмотря на перемешивание атмосферы он достигнет поверхности Земли лишь в течение года. И здесь ему предстоит сыграть очень важную роль.
Земная растительность возникла благодаря фотосинтезу. Чтобы «создать» растения, природе, грубо говоря, требуется всего-навсего углекислый газ, вода, щепотка различных солей да солнечные лучи. Весь «строительный материал» растения берут из почвы и воздуха. Солнце помогает химическим превращениям. Вместе с обычным углеродом растения поглощают и его радиоактивного собрата. Но на этом приключения радиоуглерода не кончаются. Животные питаются растениями, человек — и растениями и животными. Таким образом, и животные и люди тоже получают радиоуглерод и… становятся в некотором смысле «радиоактивными».
Но углерод-14 не только накапливается. Со временем он опять превращается в азот. В течение года распадается около семи килограммов радиоуглерода, то есть ровно столько же, сколько порождается космическими лучами. Этот изотоп находится в состоянии равновесия. Сколько его образуется, столько и исчезает.
Однако это равновесие в органическом мире непостоянно. С момента смерти организм перестает усваивать радиоуглерод. Теперь идет только распад. Скорость радиоактивного распада углерода известна: через 5600 лет его останется в два раза меньше, чем было вначале. Следовательно, радиоактивность животного или растения, умершего 5600 лет назад, будет вдвое меньше, чем у ныне живущих. Зная законы радиоактивного распада и установив радиоактивность исследуемого образца, можно вычислить, сколько времени прошло с момента его гибели. Образно говоря, смерть заводит радиоактивные часы.
Всеми этими особенностями радиоуглерода воспользовался профессор Чикагского университета Уиллард Фрэнк Либби. В 1948 году он предложил по измерению радиоактивности органических останков устанавливать время смерти исследуемого объекта. И это предложение было справедливо оценено научным миром: в 1960 году Либби стал лауреатом Нобелевской премии.