19 вересня 1783 року вівця, качка та півень вперше полетіли на повітряній кулі під назвою Réveillon, що, здається, перекладається як «святкова вечеря». Вони піднялися на висоту майже 500 метрів і благополучно приземлилися, не знаю, чи була та ніч гіршою для пасажирів, враховуючи назву кулі. Можливо, я трохи погано думаю, назва кулі була такою ж, як і у виробника шпалер, який співпрацював з Жозефом-Мішелем та Жаком-Етьєном Монгольф’є, братами, що жили в Парижі, підприємцями, що спеціалізувалися на обклеюванні стін, і винахідниками, серед іншого, повітряної кулі.

Цей інтерес до винаходу нових речей, використовуючи фізичні властивості всесвіту, такі як те, що гарячий газ розширюється, знижує свою щільність і може підніматися в масі холоднішого повітря, через кілька років призвів до першого військового використання повітряних куль (в основному для розвідки території противника), корисності, яка дійшла навіть до Другої світової війни. Але я не хочу зосереджуватися на тих насильницьких застосуваннях, які ми, на жаль, даємо багатьом винаходам, або які навіть заохочують людський винахід, а на іншому застосуванні повітряних куль, яке з’явилося пізніше і яке демонструє суть фундаментальної науки, дослідження, що можуть призвести до немислимих відкриттів, навіть змін парадигми, але в досить тривалих часових масштабах і за участі різнорідних зусиль багатьох людей.

Перш ніж перейти до історії кулі, я зупинюся на кількох інших цікавих роботах. У 1895 році Вільгельм Конрад Рентген виявив, що пластина з матеріалу, який стає флуоресцентним під впливом сонячного світла, поводиться так само, якщо залишити її в кімнаті, де була трубка, через яку пропускали електричний струм, навіть будучи закритою картоном. Це було відкриття рентгенівських променів, які проходили через непрозорий матеріал, навіть через плоть руки дружини Рентгена, де він незабаром випробував своє відкриття.

Через рік Антуан-Анрі Беккерель відкрив природний матеріал, уранову сіль, яка мала схожу поведінку, хоча її ефект зникав, якщо створювалося магнітне поле, чого не відбувалося з рентгенівськими променями Рентгена. В обох випадках спостерігалися властивості певних матеріалів іонізувати, тобто відривати електрони від атомів за допомогою певного виду випромінювання.

Іонізуватися (тобто зазнавати впливу цього випромінювання) відносно легко для деяких матеріалів, які потім знову прагнуть захопити електрони (рекомбінуватися) і в процесі випромінюють світло (флуоресценцію). Теодор Вульф також цікавився іонізацією і стверджував, що якщо деякі матеріали іонізують інші, то, віддаляючись від перших, ми повинні вимірювати меншу іонізацію.

Застосовано до атмосфери, і знаючи, що певні солі, як ми вже говорили раніше, які містяться в деяких породах, є джерелами іонізації, «здоровий глузд» міг би підказати, що якщо ми віддаляємося від поверхні Землі, де знаходяться ці породи, іонізація повітря повинна зменшитися. Вульф піднявся на Ейфелеву вежу в 1910 році і побачив, що на висоті 300 метрів над містом Париж іонізація була меншою, ніж на рівні землі, але не настільки, як він передбачав, вона мала зменшитися значно більше там, нагорі.

Перед обличчям чогось подібного вчений думає, що його розрахунки та прогнози невірні, тому що теорія абсолютно помилкова, або, можливо, більш імовірно, теорію потрібно вдосконалити. У цьому суть даних (які описують реальність), вони повинні змушувати переосмислювати упередження, це стосується не лише вчених. І ми підходимо до Віктора Франца Гесса, який продовжив дослідження цього питання і виявив, що атмосфера має певний ступінь іонізації, який дійсно зменшується, але лише до висоти приблизно одного кілометра, де повітря практично не має іонізації. Але потім вона починає зростати!

За допомогою повітряної кулі на водні (набагато краще, ніж на гарячому повітрі), оснащеної вимірювальним приладом, електроскопом, який вимірює, чи є щось електрично зарядженим, він піднявся на висоту близько п’яти кілометрів у 1911-1912 роках і побачив, що іонізація повітря була вдвічі більшою, ніж виміряна на рівні моря. Він дійшов висновку, що джерело іонізації надходить з космосу. Крім того, він також виміряв іонізацію на цих висотах під час сонячного затемнення і не побачив змін, тому здавалося, що Сонце не має відношення до проблеми.

Роберт Ендрюс Міллікен у 1925 році підтвердив позаземне походження випромінювання і назвав його «космічними променями». Мені цікаво, що хоча саме він вигадав цю назву, насправді він стверджував, що космічні промені були енергетичними фотонами, звідси і використання слова «промені», які повинні були походити від безперервного створення атомів у космосі, необхідного для уникнення відомої «теплової смерті всесвіту», яка повинна була статися при вирівнюванні температури всесвіту, збільшуючи ентропію до досягнення максимуму.

Я знаю, що багатьом читачам подобається ця тема ентропії, стріли часу, законів термодинаміки тощо..., але для розмови про це знадобиться більше статей, ми їх ще зробимо. Важливо тут те, що бачення природи космічних променів, яке мав Міллікен, було неправильним (складним та уявним – так). Насправді, це переважно заряджені частинки, як стверджував інший великий фізик, Артур Комптон, трохи менше 100 років тому, що стоїть за цими космічними променями.

І після всієї цієї історичної історії (мені подобається, що англійці мають два різні слова, які ми перекладаємо як історія, читайте історична розповідь, якщо хочете), ми підходимо до астрофізики. Дійсно, зовнішній космос сповнений космічних променів. Вони зароджуються в зірках, як наша, у міжзоряному просторі, у чорних дірах, малих чи великих, далеких чи близьких галактик на околицях простору-часу.

Космічні промені, які сьогодні також називають астрочастинками з більшою точністю з фізичної точки зору, – це переважно ядра атомів, без електронів і, отже, електрично заряджені. Майже все, що до нас доходить ззовні, насправді є ядрами водню, або, іншими словами, протонами; вони становлять 90% астрочастинок. Інші 9% – це атоми гелію (2 протони і 2 нейтрони, які називаються альфа-частинками -α-) і решта – ядра важчих елементів. Дуже мала частина астрочастинок, що до нас доходить, насправді є антиматерією, особливо позитрони (антиматерія електронів) і антипротони. Ми вже кілька років шукаємо анти-альфа-частинки, які до нас доходять з космосу, поки що без успіху.

Швидкості цих космічних променів вражаючі, у багатьох випадках близькі до швидкості світла, тому вони несуть велику кількість енергії, яку вивільняють, стикаючись з атомами, що знаходяться у верхніх шарах атмосфери. Вимірювання показують, що до нас доходить щосекунди і на кожен квадратний метр еквівалент 1000 протонів або, більш детально, протон з кінетичною енергією в 1000 разів більшою, ніж енергетичний еквівалент його маси. Найенергійніший космічний промінь, який виміряли, який назвали «Oh-My-God particle», «частинка о боже мій», був інтерпретований як єдиний протон з кінетичною енергією, еквівалентною енергії м’ячика для гольфу, сильно вдареного.

З такими або меншими енергіями, типовими для космічних променів, що в мільярди разів менш енергійні, в цих зіткненнях з матеріалом нашої атмосфери атоми розщеплюються, інші іонізуються, і створюються нові частинки, такі як нейтрино, піони та мюони. І останні, мюони, які дуже мало товариські і не взаємодіють з матерією (майже), дуже легко досягають земної поверхні. Підраховано, що один мюон щосекунди проходить через нашу голову. Ці мюони відповідають за значну частину іонізації повітря на рівні землі, яка зумовлена не лише радіоактивним матеріалом, присутнім у земних породах.

Цікаво, що початкове припущення теорії, яка пояснювала атмосферну іонізацію, насправді було досить некоректним, але воно призвело до відкриття космічних променів, всесвіт завжди дивує. «Космічна порожнеча» – це розділ, у якому представлено наші знання про всесвіт у якісній та кількісній формі. Мається на меті пояснити важливість розуміння космосу не лише з наукової точки зору, а й з філософської, соціальної та економічної. Назва «космічна порожнеча» посилається на той факт, що всесвіт є і перебуває, здебільшого, у порожнечі, з менш ніж одним атомом на кубічний метр, незважаючи на те, що в нашому оточенні, парадоксально, є квінтильйони атомів на кубічний метр, що спонукає до роздумів про наше існування та наявність життя у всесвіті.

Розділ інтегрований Пабло Г. Пересом Гонсалесом, дослідником Центру астробіології, та Євою Вільявер, заступницею директора Інституту астрофізики Канарських островів.