Знание-сила, 2005 № 02 (932)

Тысяча вторая ночь Шахерезады

Когда-то давно мне довелось писать по заказу общества "Знание" книгу о советском физике Павле Черенкове. Черенков был из первых советских лауреатов Нобелевской премии, и издательство, пропагандируй, как ему и было положено, советские достижения в дружественных странах, затеяло серию подобных биографий — почему-то на немецком языке.

Профессор Черенков оказался человеком простым, и мы весь вечер провели за разглядыванием толстенного альбома с фотографиями нобелевской церемонии. "Это я со шведской королевой, — объяснял мне хозяин, — а это моя жена со шведским королем". Жена тем временем подливала чай и подкладывала сухарики лом был не то чтобы бедный, но скуповатый. Позже я разговаривал с аспирантами профессора, и они хором хвалили Черенкова, напирая главным образом на то, что, хотя он не очень понимает, что делают его ученики, зато никому не мешает и в ничьи дела не вмешивается.

Я вспомнил об этом, когда в одной из статей журнала "Science" увидел фразу: "В отличие от обычных телескопов, которые пытаются проникнуть сквозь искажающее покрывало атмосферы, чтобы разглядеть объекты, находящиеся за ним, новые приборы — так называемые телескопы Черенкова — используют обходной путь..." Я почувствовал себя причастным к этим телескопам — как-никак я у этого Черенкова чай пил.

Черенков получил свою Нобелевскую премию за открытие совершенно нового вида светового излучения. В ту пору — 1934 год — он был молодым аспирантом знаменитого Сергея Ивановича Вавилова, основателя советской научной школы физической оптики. Сергей же Иванович был удачливым братом еще более знаменитого Николая Ивановича Вавилова, великого ученого-селекционера, который не угодил советской власти и которого она поэтому сгноила. Сергею Ивановичу брата в вину не поставили, и он со временем даже стал президентом Академии наук. Впрочем, ученый он был замечательный, этого не отнимешь. Оба брата Вавилова происходили из интеллигентной семьи, а Павел Черенков, напротив, был "научным выдвижением". Советская власть взяла его из города Козлова и двинула в науку как чистого пролетария. Вавилов поручил аспиранту Черенкову изучить оптическое поведение электронов в чистых жидкостях, и в ходе этого изучения аспирант-пролетарий наткнулся на загадочное явление — электроны, разогнанные до большой скорости, проходя через жидкость, оставляли за собой непонятное голубоватое свечение.

Черенков объяснить явление не смог, и тогда Вавилов обратился за помощью к физикам-теоретикам Тамму и Франку, которые, изрядно повозившись, в конце концов сообразили, что электроны у Черенкова двигались быстрее скорости света — не скорости света в пустоте, разумеется, но скорости света в той жидкости, в которой двигались эти электроны. Электромагнитные волны, образующиеся при таком движении, не поспевали за электронами и "отрывались" от них — примерно как волны отрываются от носа корабля. Вот эти-то оторвавшиеся в виде света волны и регистрировали приборы Черенкова. Никогда прежде такое явление физикам видеть еще не случалось.

Лет двадцать спустя на основе этого явления были созданы счетчики элементарных частиц, которые замечали эти частицы по их "черенковскому излучению", и тогда стадо ясно, что открытие имеет не только большую теоретическую, но и немалую практическую важность. В результате в 1958 году Черенкову, Тамму и Франку дали Нобелевскую премию, а благодаря этому еще сколько-то лет спустя я удостоился созерцания нобелевского альбома профессора МГУ П.А. Черенкова и сухариков его жены.

Прошло еще какое-то количество лет, и какие-то многоумные физики сообразили, как приспособить открытое Черенковым явление для исследования космических лучей. Так возникли "телескопы Черенкова".

Я чувствую, что мне уже пора предупредить, что данная статья посвящена отнюдь не оптике и не космическим лучам, а проблеме глобального потепления, точнее — некой новой гипотезе некого израильского ученого, который предложил совершенно неожиданное объяснение этого потепления. Но поскольку рассказ этот идет (по необходимости, как впоследствии станет видно) путями великой мастерицы сопрягать далековатые сюжеты, бессмертной Шахерезады, то прежде чем обратиться к глобальному потеплению, я расскажу об австрийском физике начала XX века Викторе Гессе.

В то время многие физики, занимавшиеся исследованием электромагнитных явлений, стали жаловаться на загадочную радиацию, которая то и дело выводила из строя их ставшие более чувствительными приборы. Виктор Гесс решил заняться этим вопросом и установить наконец, откуда берется эта радиация. Почти все его современники полагали, что ее излучают минералы, находящиеся в толще Земли. Но Гесс решил проверить, не приходит ли сна извне. В 1912 году он провел серию запусков высотных воздушных шаров с приборами на борту, постепенно достигнув рекордной для того времени высоты в 7 километров. Его приборы показали, что загадочная радиация увеличивается с высотой и не исчезает ни ночью, ни во время солнечного затмения. На этом основании Гесс заключил, что она приходит из космоса, и дал ей название "космические лучи". Нечего и говорить, что он тоже получил Нобелевскую премию и даже раньше Черенкова — уже в 1936 году. Позднее, подобно Николаю Вавилову, он тоже не понравился власти, только нацистской, но, в отличие от Вавилова, сумел убежать и с 1938 года до самой смерти жил в Соединенных Штатах.

Гесс прожил долгую жизнь (Черенков тоже), и ему удалось увидеть, как другие ученые проникают в тайны открытых им космических лучей. Эти другие ученые установили, что космические лучи состоят из потока частиц, главным образом — ядер космического водорода, или протонов, которые мчатся сквозь космос со скоростью, близкой к скорости света. Их происхождение загадочно, потому что ни одна обычная звезда не может разогнать вещество до таких непредставимых даже в воображении скоростей. Ученые подозревают, что образование космических лучей связано со взрывающимися звездами, так называемыми сверхновыми. Энергия их взрыва так чудовищна, что может вырвать электроны из атомов межзвездного водорода, а оставшиеся сиротами ядра, то есть протоны, разогнать до субсветовых скоростей. Однако надежных доказательство такого предположения нет, а сами космические лучи не рассказывают, откуда они приходят. Будучи заряженными, частицы, составляющие эти лучи, подвергаются воздействию межзвездных магнитных полей, которые до неузнаваемости изменяют их траектории. Поди потом догадайся, где их источник.

Ученые, однако, не сдаются и настойчиво изучают загадочное космическое излучение, надеясь, что результаты этих исследований со временем позволят им разгадать тайну его происхождения. Важнейшим орудием таких исследований как раз и являются черепковские телескопы. Когда космическая частица вторгается в земную атмосферу, она сталкивается с тамошними атомами и разрушает их. Осколки разрушенных атомов сталкиваются с другими атомами и разрушают их тоже. Так рождается настоящий "дождь частиц", содержащий миллионы осколков. Все они поначалу движутся со скоростью, которая больше, чем скорость света в атмосфере, и образуют вспышки черенковского излучения. Специальные телескопы, приспособленные улавливать эти вспышки, все время следят за небом и таким — обходным — образом регистрируют космические лучи. Это и есть "телескопы Черенкова". Самый последний "крик научной моды" в этой истории - создание связанной системы таких телескопов, которая позволит ученым регистрировать частицы с энергией, характерной для другого приходящего из космоса излучения — так называемых гамма-лучей. Ученые подозревают, что гамма-лучи и космические лучи испускаются одними и теми же источниками, и надеются, что система черенковских телескопов позволит им это проверить. Первая такая система уже введена в строй в Намибии. Она состоит из четырех телескопов Черенкова и называется — по-английски — High Enehgy Spectroscopic System (высокоэнергетическая спектроскопическая система). Если прочитать первые буквы этого названия, то можно увидеть слово HESS. Именно так выглядит по-английски фамилия Виктора Гесса.

Теперь самое время перейти к обещанной гипотезе, но для этого сначала нужно рассказать о третьем нобелевском лауреате, тоже причастном к этой запутанной истории. У него было красивое имя Сванте Аррениус, и сегодня он известен в истории науки как создатель теории электролитической диссоциации (то есть распада растворенных молекул на ионы и переноса этими ионами электрического тока). Кроме того, он заложил основы современной химической кинетики и оставил много работ по астрономии и астрофизике, в том числе широко обсуждаемую ныне идею, что "семена жизни" занесены на Землю из космоса Не удивительно, что он получил Нобелевскую премию (аж в 1903 году), хотя эта его идея никакого отношения к премии не имела.

За семь лет до премии, то есть в 1896 году, Аррениус произвел любопытное и, как оказалось впоследствии, крайне важное вычисление. Он рассчитав, как влияет наличие углекислого газа в земной атмосфере на среднюю температуру Земли. Его расчет показал, что удвоение концентрации этого газа должно увеличить среднюю температура года на 5-6 градусов Цельсия. Вскоре другой ученый, Пой Стюарт Каллендер, выдвинул предположение, что рост концентрации углекислого газа в атмосфере вызывается сжиганием растительного топлива (в первую очередь, угля и нефти). Так была заложена современная теория глобального потепления. Она стала особенно бурно развиваться после Международного геофизического года, отмеченного в 1957 году. Стали появляться первые точные измерения концентрации углекислого газа и ее постепенного роста. Были выявлены и другие факторы, способствующие появлению так называемого парникового эффекта, то есть образованию в атмосфере таких условий, когда солнечное тепло входит сквозь атмосферу, но не выходит из нее. Были разработаны первые компьютерные модели, позволяющие предсказывать изменения климата в будущем, и сегодня эта научная климатология, подпитываемая напряженным и тревожным общественным вниманием, развивается семимильными шагами. Недавно ее угрожающие прогнозы заставили правительства многих стран мира подписать "Киотский протокол" по ограничению выброса в атмосферу "парниковых газов" (прежде всего, углекислого газа).

Не все доверяют этим прогнозам. Недоверие это особенно распространено среди политиков, потому что политикам многих стран невыгодно или трудно ограничить потребление топлива и выброс парниковых газов в своей стране (такова, например, позиция нынешних американских руководителей, до сих пор не подписавших "Киотский протокол"). В этом своем недоверии к выводам климатологии политики с радостью опираются на заключения некоторых ученых, утверждающих, что хотя глобальное потепление реально, но оно не вызвано деятельностью людей. Кое-кто говорит, что мы просто живем "на хвосте" последнего послеледникового потепления. Другие считают нынешнее потепление временной флуктуацией. Но хуже всего, что до недавнего времени среди самих ученых, признающих человеческую техногенную деятельность важнейшей причиной глобального потепления, не было единства по вопросу о том, насколько это потепление опасно, каким именно повышением температуры оно угрожает человечеству.

В последние годы положение резко изменилось. Во-первых, исследователи точно установили, что за последнее столетие средняя температура Земли повысилась на 0,6 градуса. Во- вторых, они доказали, что главная часть этого повышения действительно вызвана людьми, сжигающими растительное топливо, от чего в атмосфере становится все больше углекислого газа. И в-третьих, они стали все больше сближаться в своих прогнозах, основанных на различных климатических моделях. Если раньше самые минималистские компьютерные модели приводили к выводу, что удвоение концентрации углекислого газа (тот самый критерий , который впервые ввел Сванте Аррениус) повысит среднюю температуру всего на 1,5 градуса, а максималистские модели давали для того же критерия 4.5 градуса, то на недавней (июль 2004 года) международной встрече специалистов почти все участники сошлись на цифре 3 градуса. Эта цифра говорит об угрозе очень серьезного потепления к концу XXL века, когда, как предполагают ученые, такое удвоение будет реально достигнуто. Это угроза как флоре и фауне Земли, так и самому человечеству. Уже сегодня есть многочисленные и тревожные данные, свидетельствующие о злокачественных нарушениях жизненного цикла ряда биологических видов (как птиц, так и животных), вызванных постепенным повышением температуры Земли.

В чем, однако, собравшиеся на встрече специалисты разошлись — так это в толковании физических процессов, определяющих ход потепления. Кроме злополучного углекислого газа, здесь говорили также о роли океанских течений, антарктических ледников, количества облаков и о многих других факторах, совместно влияющих на климат и определяющих скорость повышения температуры, но ясной картины этого сложного влияния ученые пока нарисовать не смогли. Возможно, прислушайся они к Ниру Шавиву, ситуация была бы иной. Нир Шавив говорит, что нужно было обратить главное внимание на облака.

Расскажем о Нире Шавиве. Этот молодой физик из Иерусалимского университета в Израиле не так давно выдвинул гипотезу о наличии еще одного важного, по его мнению — даже главенствующего, физического фактора потепления. Климатологи ни словом не упомянули об этом факторе на своей встрече, потому что большинство из них считают гипотезу Нира Шавива весьма маловероятной и даже фантастической. Но разве не казались фантастическими в свое время предположение Гесса о космическом происхождении загадочной радиации или идея Сванте Аррениуса о "семенах жизни"? Память о прошлом, когда некоторые безумные идеи оказывались к тому же и правильными, побуждает нас внимательней присмотреться и к тому, что говорит Шавив.

Нир Шавив утверждает, что главную роль в глобальном потеплении играют уже знакомые нам космические лучи. Те осколки атомов, которые образуются при попадании космических лучей в атмосферу (о чем убедительно свидетельствуют телескопы Черенкова), по существу представляют собой не что иное, как ионы, то есть обладают электрическим зарядом (как всякий атом, из которого выбили все или часть электронов). Будучи заряженными, они притягивают к себе молекулы воды (имеющие электрические свойства так называемых диполей) и тем самым служат центрами конденсации капель. Эти капли постепенно сливаются в облака. Таким образом, ионы, образованные космическими лучами, в конечном счете становятся причиной образования облаков. А облака, в свою очередь, влияют на климат.

Надо сказать, что все это ученые знают уже давно. Это знают даже многие не ученые. Когда-то, в бытность мою начинающим студентом физмата Одесского университета, я не раз заглядывал по разным сердечным делам в лабораторию доцента Федосеева, который занимался так называемой проблемой осаждения облаков. В ту пору у советской власти вошло в моду переделывать природу и управлять климатическими процессами. Среди прочих задач перед советской наукой была поставлена и задача искусственно вызывать дождь согласно указаниям партии и правительства. Для того чтобы вызвать дождь над данной местностью, нужно довести облака над ней до насыщения. А для этого нужно создать в атмосфере как можно больше центров конденсации. Их роль могут играть пылинки, но не засорять же воздух пылью, и поэтому доцент Федосеев пытался найти такие вещества, атомы которых, будучи рассеяны в воздухе с самолета, легко превращались бы в ионы и собирали на себе дождь. Помнится, в качестве такого вещества его лаборатория настойчиво занималась йодистым и бромистым серебром. У нас, на физическом отделении, все почему-то тогда занимались йодистым или бромистым серебром. Даже наш единственный профессор, Елпцдифор Анемподистович Кириллов, и его доцент Сёра, по совместительству декан факультета, и те им занимались, пытаясь нащупать самые первые стадии образования фотографического изображения. Насколько мне известно, дожди над Одессой, несмотря на все эти усилия, по-прежнему выпадают капризно и лишь по собственному желанию.

Новое в гипотезе Шавива (разработанной совместно с канадским физиком Яном Вейцером из Оттавы) состояло в утверждении, что главную роль в образовании облаков играют космические лучи и что уже на протяжении, по крайней мере, 500 млн (пятисот миллионов!) последних лет все изменения климата Земли определяются главным образом изменениями интенсивности этих лучей. Интенсивность космических лучей, приходящих на Землю, можно измерить, беря глубинные пробы льда (например, в Гренландии или в Антарктиде, где ничто никогда этот лед не засоряло), и измеряя содержание в нем определенных частиц, которые являются конечным продуктом космической бомбардировки нашей атмосферы. И если построить таким способом кривую изменений интенсивности этой бомбардировки за многие прошлые века, то можно сравнить ее с кривой изменения среднегодовой температуры в прошлом (которая узнается подобным и другими способами). Так вот, Нир Шавив и Ян Вейцер говорят, что они проделали такие расчеты для 500 миллионов последних лет (глубже в прошлое нет достаточно надежных данных) и увидели, что изменения климата нашей планеты поразительно коррелируют с изменениями интенсивности космических лучей на протяжении всех этих миллионолетий.

Этот результат приводит Шавива и Вейцера к тяжелым выводам. Поскольку современная научная климатология не учитывает этого важнейшего фактора, то все ее объяснения нынешнего глобального потепления одним лишь ростом концентрации углекислого газа не могут быть правильными. Поскольку их компьютерные модели не содержат соответствующего параметра, то и все прогнозы, полученные с помощью этих моделей, не могут быть верными. Короче, современная научная климатология не научна.

Если бы я был современным научным климатологом, я бы пришел в ярость. Климатологи именно так и отреагировали. Они обвинили Шавива и Вейцера в опасном политиканстве. Отрицая роль углекислого газа, заявили они, эта пара подрывает все усилия сократить выброс этого газа в атмосферу, вплоть до "Киотского протокола". Тем самым они играют на руку эгоистичным политикам. Это чревато опаснейшими последствиями для человечества. Это игра с огнем.

Однако в поддержку Шавива и Вейцера выступил еще один специалист —Найджел Марш из космического исследовательского института в Копенгагене. Он заявил, что имеется корреляция между земными облаками и солнечными пятнами. Интенсивность первых меняется каждые 10 лет, а вторых — каждые П. Это, по мнению Марша, согласуется с гипотезой Шавива-Вейцера. Чем больше пятен, тем сильнее магнитное поле Солнца, тем больше оно отклоняет космические лучи, тем меньше облаков. Кроме того, говорит Марш, имеется такая особенность: облаков меньше на экваторе и тем больше, чем севернее. Это тоже согласуется с гипотезой, потому что космическим лучам труднее пройти через магнитное поле Земли именно на экваторе и легче — на полюсах.

Климатологи-традиционалисты встретили эти заявления Марша весьма прохладно, если не сказать резче. Некоторые даже заявили, что данные Марша, как и данные Шавива-Вейцера, попросту подтасованы. "Они так увлечены своей гипотезой, что не останавливаются перед определенной подгонкой своих результатов, лишь бы получить нужную корреляцию", — сказал климатолог Кевин Шмидг из космического института в Нью-Йорке. С другой стороны, Стивен Ллойд из университета Джона Хопкинса назвал гипотезу Шавива-Вейцера "одной из немногих свежих идей, которые появились в науке о Земле за последние годы".

Хорошо, что мы не климатологи. Все наше дело - выслушать обе стороны с вежливым интересом, намотать на ус и перейти к очередным делам. Пусть ученые мужи сами разбираются, изжарятся наши правнуки из-за уптекислого газа или из-за космических лучей. Нам бы дожить до этих правнуков.

Ростислав Напелюшнинов