Библиотека

12000 книг по непознанному и развитию человека

900 идей своего бизнеса

Наука. Дальний поиск

ФЛЮОРОГРАФИЯ ПИРАМИД

Физика ядра и элементарных частиц добилась больших успехов не только в познании микромира, но и в развитии методов исследования. Они применяются практически во всех отраслях нашей деятельности — от техники и смежных наук до медицины и искусства, — используют ее достижения. Атомная энергетика — прямое порождение физики ядра; астрофизика, геофизика, геология — под ее постоянным воздействием. В наш быт прочно вошли ядерный магнитный резонанс, меченые атомы, изотопные источники тока, пучки ускоренных частиц, радиоуглеродный анализ и многое, многое другое. Еще один ядерно-физический метод исследований может раскрыть вековую тайну пирамид.

Солдаты! Сорок веков смотрят на вас
с высоты этих пирамид.
Наполеон

Загадка египетских пирамид

Пирамиды — самое удивительное чудо из семи чудес древности, единственное, дошедшее до наших дней. О пирамидах знали в Вавилоне, Греции, Риме. Казалось, они существовали всегда, с самого сотворения мира. Просвещенная Европа «открыла» их только в начале XIX века, после египетской экспедиции Наполеона, взявшего в поход большую группу ученых, в том числе историков и археологов. Ценные коллекции, рисунки памятников и копии надписей, подробные описания находок, вышедшие вскоре, стали настоящим открытием древнейшей цивилизации. «С Наполеона» началась подлинная египтология — изучение жизни и культуры великого народа, сотворившего шедевры, удивляющие даже в наше время.

Пирамиды во многом остаются загадкой. После расшифровки Ж. Шампольоном египетского иероглифического письма, в чем очень помог двуязычный Розеттский камень (трофей той же военной экспедиции), история Египта стала на твердую почву. Были прочтены тысячи папирусов, надписи в храмах и гробницах. Стало известно, когда и кем построены пирамиды. Большинство из 67 пирамид, расположенных в нижнем течении Нила (от 30-метровых «крошек» до 150-метровых гигантов), были созданы в период Древнего царства (2900—2270 гг. до н.э.). За последние два века их обследовали вдоль и поперек, обнаруживая все новые подробности устройства. И все же, как полагают многие ученые, открыты далеко не все.

Греческий историк Геродот, посетивший район пирамид спустя полторы тысячи лет после их возведения, дал подробное их описание (хотя не все историки с ним согласны). Практически все население Египта — сотни тысяч рабов, феллахов и строительных рабочих — участвовало в стройке, продолжавшейся порой десятки лет. Возведение пирамид было главным, престижным делом всей страны, участие в котором обещало каждому благое покровительство фараона, земного воплощения бога Солнца. Никогда и нигде идеологический диктат не достигал такого чудовищного размаха, какой был на протяжении тысячелетий в Древнем Египте (коммунистические стройки недавних дней не идут ни в какое сравнение).

Ограниченные по нашим меркам, технические приемы и механизмы египетских инженеров были самыми передовыми для своего времени. Они использовали блоки, рычаги, клинья, катки, наклонные плоскости, а главное — умение (по-видимому, уже утраченное) объединять массовые усилия больших рабочих групп. Конечно, жизнь каждого работника не стоила ничего, а погибнуть на таком «святом деле» означало оказаться рядом с божеством в обещанной загробной жизни. Страшная неэффективность труда компенсировалась муравьиным упорством строителей и огромным запасом времени. Стандартные каменные блоки весом более восьми тонн они вырезали в каменоломнях и обрабатывали с удивительной точностью, сплавляли в весенний разлив Нила до места и доставляли к строящейся пирамиде, перекатывая по круглым бревнам. Блоки подгоняли и устанавливали с точностью до миллиметра. Облицовочные плиты из белого известняка, покрывавшие грани пирамиды, закрепляли так, что между ними не проходило и лезвие ножа. Отраженный гранями солнечный свет делал пирамиду как бы светящейся изнутри — прием, несомненно, оказывавший огромное воздействие на простых людей (позднее эти плиты сбили для собственных построек арабы, захватившие страну, и теперь пирамиды стоят, лишенные первоначального блеска). Ориентация пирамид выдерживалась очень точно: по какой-то причине — это тоже загадка — пирамиды располагаются не хаотично, а ориентированы двумя ребрами на Полярную звезду. Как достигалась такая точность при строительстве, неизвестно.

Главная загадка пирамид — что в них скрыто? Без сомнения, они — место упокоения фараонов, о чем говорят расшифрованные надписи. В центре каждой пирамиды находится погребальная камера, сравнительно небольшая по размерам, где должен был располагаться саркофаг с мумией фараона. Но ни одной мумии в пирамидах не нашли, саркофаги оказались пустыми, ограбленными или «ложными» — необработанными, поставленными, казалось, для «отвода глаз». Стены погребальных камер не расписаны и не украшены, что совсем не похоже на истинные захоронения фараонов в подземных склепах Долины царей. Там в горах далеко на юге сохранились, хотя тоже разграбленные, настоящие гробницы правителей Египта. В них американский археолог Говард Картер в 20-х годах прошлого века открыл нетронутую гробницу Тутанхамона (малоизвестного фараона, рано умершего) с потрясающим богатством золотых, серебряных, драгоценных предметов царской утвари. Какая же роскошь должна была окружать других, более почитаемых правителей в их последнем пристанище! Однако ничего, подобного находке Картера, в пирамидах найдено не было. Возможно, потому, что они уж слишком явно выдавали себя, а подземные захоронения были тайными, скрытыми от глаз.

Что должна была содержать гигантская пирамида, над созданием которой народ страны бился в течение многих лет? Неужели она — сплошной каменный массив, как считается до сих пор? Обнаруженные в пирамидах проходы оказались узкими и малочисленными. В пирамиде Хеопса общей площадью 53 тысячи квадратных метров (на которой свободно разместятся пять самых крупных соборов мира) есть узкий ход длиной 47 метров, в котором надо пробираться согнувшись, и две погребальные камеры, одна размером 10 ґ 5 метров, другая и того меньше (типовая московская квартира, затерянная в непробиваемой толще гранита). И все. Многие археологи уверены, что в огромной массе пирамиды должны быть скрытые ходы и секретные помещения, в которых могли сохраниться мумии, богатства, нераскрытые свидетельства ее тайны. Но как их обнаружить? Все попытки путем простукивания, сверления, обмеров ничего не дали. Кроме небольших полостей, по-видимому вызванных сдвигом блоков (перенесших множество землетрясений), ничего не обнаружено.

Человеческое тело можно «просветить» рентгеном и увидеть, что внутри. Можно даже, применив современный томограф, получить «срезы» внутренних органов на любой глубине и в любой плоскости. Рентгеновские лучи и пришедшая им на смену флюорография позволяют увидеть содержимое багажа пассажиров в аэропортах, заглянуть в приборы и установки на производстве, «прощупать» прочность соединений и сварных швов.

Но как «просветить» гигантскую пирамиду? Ни необходимых по мощности рентгеновских источников (чтобы пучок проходил всю толщину каменных блоков), ни высокочувствительных пленок (чтобы получить изображение) не существует.

И все-таки такой способ найден.

Мюонная флюорография

В 60-х годах прошлого века нобелевский лауреат физик Луис Альварес предложил использовать для «просвечивания» пирамид космические лучи — поток частиц высокой энергии, приходящих из космоса. Попадая в атмосферу, первичные космические частицы (протоны, ядра) взаимодействуют с атомами газов, полностью поглощаясь, и порождают взамен себя вторичные частицы, из которых самыми «проникающими», доходящими до земной поверхности, являются мюоны.

Мюон — нестабильная частица (среднее время жизни в состоянии покоя σ = 2,2 мкс) с массой в 200 раз большей массы электрона. По всем остальным свойствам он ничем не отличается от электрона, поэтому его часто называют «тяжелым электроном». Наука до сих пор не нашла ответа на вопрос: зачем понадобились природе «тяжелые электроны»? Может быть, они нужны только для того, чтобы «просвечивать» пирамиды?

Вот для этого они действительно незаменимы. Во-первых, их поток достаточно интенсивен: 70% частиц вторичного космического излучения, достигающего земной поверхности, составляют мюоны. Во-вторых, они обладают высокой энергией, намного превышающей энергию пучков рентгеновских флюорографических установок. Наконец, они, как было сказано, обладают большой проникающей способностью, то есть теряют мало энергии, проходя через толщи камней и грунта. Мюоны — идеальный инструмент для «прощупывания» каменных блоков, образующих тело пирамиды. Проходя через пустоты (секретные комнаты, ходы сообщения), поток мюонов поглощается меньше, его интенсивность в этом направлении будет выше. Пересекая более плотные материалы (тяжелые саркофаги, хранилища, набитые тяжелыми металлами), их поток заметно ослабевает, что должно обнаружиться по уменьшению его интенсивности. Конечно, возникнут трудности в количественной оценке вариаций потока. Чтобы они стали понятными и любое изменение потока можно было перевести в размеры «пустот» и «препятствий», нужно знать угловое распределение мюонов на входе в пирамиду и относительные изменения потока при встрече с «особенностями». Для этого провели модельные компьютерные расчеты, а уже потом приступили к самому эксперименту мюонного «просвечивания».

Пирамида Хефрена

Наиболее удобным объектом оказалась пирамида Хефрена, расположенная рядом с пирамидой Хеопса, — столь же гигантское сооружение, уступающее немного по высоте и периметру. Выбор связан с более низким расположением «комнаты фараона» и возможностью размещения в ней приемной аппаратуры. Кроме того, открытых ходов в ней оказалось меньше, чем «у Хеопса», и это наталкивало на мысль, что не все они найдены.

Измерения продолжались несколько лет. В качестве регистрирующего прибора сначала использовали большую пузырьковую камеру, очень популярный в то время трековый детектор. Альварес много работал с ним в экспериментах на ускорителях, что было отмечено Нобелевской премией. Но для «работы с пирамидой» это не лучший прибор: пузырьковая камера не могла управляться внешним сигналом от счетчиков, свидетельствующих о прохождении мюона. Как говорят специалисты, у нее нет памяти к предшествующим событиям. Приходилось делать «слепые» запуски и ловить треки мюонов, случайно попавших в чувствительное время камеры. Эффективность такого режима низкая, зарегистрированные следы нечеткие, измерение потока мюонов некачественное. Поэтому пузырьковую камеру заменили искровым детектором, только что вошедшим в физический обиход и, к сожалению, не в лучшем своем варианте. Использовалась искровая камера с оцифрованным съемом информации, обладающая памятью к прошедшим частицам (огромный плюс по сравнению с пузырьковой), но с низкой эффективностью регистрации множественных событий, что приводило к появлению ложных треков и заметному фону посторонних событий в измеряемом потоке. Было зарегистрировано более миллиона треков частиц, прошедших через пирамиду, но даже при таком большом числе событий исследовали только 19% ее объема.

Заметных «особенностей», которые указали бы на секретные камеры и скрытые сокровища, найдено не было. В целом проведенное «просвечивание» оказалось не на высоком уровне, но ничего лучшего в то время сделать было нельзя.

Пирамида Солнца

Экспериментальная физика ушла далеко вперед. Пузырьковая и искровая камеры (вместе с камерой Вильсона, счетчиком Гейгера и другими славными приборами) заняли место в музее. На смену пришли многонитяные пропорциональные камеры, стриповые детекторы, другие изощренные приборы, эффективность, надежность и рабочие характеристики которых намного лучше, чем у музейных экспонатов.

А вопросы к пирамидам остались, только теперь к пирамидам ацтеков в Мексике, которые тоже имеют большие неисследованные объемы, возможно содержащие потайные камеры. Выбор пал на самую большую в Центральной Америке пирамиду Солнца в затерянном городе Теотиуакан («Город богов»), в 50 км от Мехико. Возраст пирамиды — около двух тысяч лет. Она пониже египетских гигантов (высота 65 м), столь же велика по периметру (сторона 225 м), имеет ступенчатую форму, более распространенную в Новом Свете. Под ней на глубине 8 м проходит туннель, в котором есть погребальная комната, но не найдено ни одного захоронения. Туннель существенно упрощает «просвечивание»: в нем на разных расстояниях можно размещать детектор — монитор мюонов, пересекающих пирамиду.

Работу возглавляют физик А. Менчака (университет Мехико) и археолог Л. Манзанилла (институт антропологии того же университета). Они консультировались прежде с Л. Альваресом, всецело поддержавшим идею эксперимента. Есть ряд преимуществ нового «просвечивания» пирамиды. Используемый детектор самого современного типа: 1 кубометр проволочных пропорциональных камер — основной детектор готовящегося эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере (ускорителе заряженных частиц, в котором сталкиваются два встречных пучка, позволяя достичь очень высоких энергий) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария, Женева), который вступит в строй в 2006 году. Пока коллайдер не заработает, детектор можно использовать «на стороне», в помощь археологам. Пропорциональные камеры обладают прекрасной «памятью» по отношению к прошедшим частицам, могут запускаться внешними счетчиками и к тому же со стопроцентной надежностью регистрируют множественные события. Новый детектор — идеальный счетчик мюонов, пересекающих пирамиду под любыми углами. Всей его работой управляют компьютеры. Техника сбора и обработки информации настолько совершенна, что полученные данные о «мюонном дожде» сразу же передаются в лабораторию университета, накапливаются и анализируются. Эффективность и точность мюонной флюорографии сейчас намного выше, чем сорок лет назад. Правительство Мексики выделило полмиллиона долларов на проведение эксперимента. Измерения начались этой весной и продолжатся по крайней мере до конца года. По оценкам, за время работы будет получено 100 миллионов следов частиц, прошедших через пирамиду.

Задача «просвечивания» сейчас более определенная: нужно выяснить, сколько захоронений спрятано в пирамиде Солнца — одно или несколько? Ответ даст точное представление о стиле правления в «Городе богов» с населением в момент расцвета 125 тысяч человек. Был один правитель или, как встречается в других местах, городом управлял совет из нескольких соправителей? Конечно, не исключена возможность обнаружить в теле пирамиды и какие-то «особенности». Но могут возникнуть и трудности — в первую очередь из-за более сложной (ступенчатой) формы пирамиды и меньшей плотности материала. Однако компьютерное моделирование за последние годы стало настолько совершенным, а сведения о потоке мюонов настолько выросли, что эти опасения, по-видимому, излишни.

«Просвечивание» пирамиды в Мексике сулит больший успех и даже, возможно, повлечет за собой новый этап исследований пирамид Египта.

Пирамиды не единственный возможный объект исследования. Просто они — самые массивные памятники истории, поэтому и стали первым «пробным камнем» мюонной флюорографии. Ближайшие годы покажут, насколько успешно будет новое «просвечивание». Тайны хранят и многие другие исторические и природные объекты, внутрь которых очень хотелось бы заглянуть. Почему бы не «просветить» дворцы и храмы в разных странах, скифские курганы, римские катакомбы? Не проще ли будет искать затерянную библиотеку Ивана Грозного в Московском Кремле с помощью тех же мюонов? А что скажут спелеологи на предложение попробовать портативный мюонный детектор для осмысленного продвижения в скрытых лабиринтах пещер? Мюонная флюорография может стать для археологии таким же необходимым средством, как радар для современной авиации. А пока сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) К. Бородин предложил использовать космическое излучение для «просвечивания» подозрительных грузов на таможне (см. Наука и жизнь» № 5, 2004 г.).

На проводимый сейчас в Мексике эксперимент возлагают большие надежды. Он призван не только обнаружить неизвестные гробницы в пирамиде Солнца, но и дать дорогу широкому применению мюонной флюорографии в поисковых работах.

Доктор физико-математических наук Б. ЛУЧКОВ, профессор МИФИ.

Подробности для любознательных

С открытия в конце XIX века первой элементарной частицы – электрона уже более ста лет физики придумывают все новые и новые приборы для изучения этих мельчайших единиц материи.

Проще всего регистрировать заряженные частицы, поэтому их и открыли раньше. Их выдает ионизационный след, оставляемый электронно-ионными парами вдоль своего пути. За электроном, обнаруженным в потоке лучей разрядной трубки, вскоре были открыты протон (ядро атома водорода), a-частица (ядро атома гелия), ядра других элементов и целая плеяда элементарных частиц, от сравнительно легких мезонов до тяжелых гиперонов и еще более массивных частиц, в состав которых входят тяжелые кварки (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.).

Прямая регистрация нейтральных частиц невозможна: они вещество не ионизуют и дают знать о себе только в ходе взаимодействий с образованием заряженных частиц, которые их «засвечивают». Так был открыт нейтрон (по протонам отдачи), гамма-квант (по электрон-позитронным парам) и многие другие «нейтралы».

Приборы, «улавливающие» частицы, делятся на две группы – счетчики и камеры.

Счетчики фиксируют факт прохождения частицы, определяя момент времени (иногда с высокой, до наносекунд, 10-9 c, точностью), величину теряемой энергии, а если из них составить «телескоп», связанный электронной схемой совпадений, то и направление прилета частицы. Хорошо известны газоразрядный счетчик Гейгера, верой и правдой прослуживший в физике полсотни лет; пропорциональный счетчик, сигнал которого служит мерой ионизационных потерь частицы; семейство сцинтилляционных счетчиков. В неорганических сцинтилляторах (кристаллы NaI, CsI и др.), их органических (антрацен и др.) и пластических (полистирол и др.) аналогах под действием заряженных частиц возникают вспышки люминесценции. Это слабое свечение в миллионы раз усиливают фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Сцинтилляционные счетчики появились в середине прошлого века и успешно используются по сегодняшний день.

Полупроводниковые счетчики, сигнал которых образуют пары электрон—дырка в слое полупроводника, по чувствительности превосходят сцинтилляторы. Лучшие из них — кристаллы германия, активированные литием, (Ge(Li), — измеряют энергию частицы с точностью 0,1%, но имеют ограниченный размер и требуют глубокого охлаждения. Стриповые детекторы, получившие широкое применение в последние годы, — это разновидность полупроводниковых счетчиков в виде узких полос кремния на твердой подложке. Их взаимно-перпендикулярные слои позволяют измерять координаты частиц с точностью до десятка микрон.

Ионизационная камера, один из самых древних детекторов, это, по сути дела, счетчик, который измеряет полный заряд, созданный частицей в результате ионизации. Различные ее модификации (газовые, жидкостные) до сих пор применяются для измерения энергии частиц и их пучков, особенно часто в дозиметрии. Ксеноновая камера высокого давления, несколько уступая по энергетическому разрешению кристаллам Ge(Li), не ограничена размерами и не требует охлаждения, что особенно ценно для постановки экспериментов на спутниках.

Еще более чувствительны черенковские счетчики, улавливающие когерентное излучение частицы, движущейся со скоростью большей скорости света в среде. Их последнее достижение – так называемые RICH-детекторы (ring imajing Cherenkov), «видящие» не отдельные фотоны, а все кольцо черенковского света, что позволяет измерить многие свойства регистрируемой частицы. К этому классу детекторов относятся и TRD-детекторы (transition radiation detector), счетчики переходного излучения, возникающего при пересечении заряженной частицей границы двух сред. Они выделяют ультрарелятивистские частицы (скорость которых очень близка к скорости света) в огромном потоке частиц и все шире применяются на ускорителях высоких энергий.

Ансамбль счетчиков, размещенный в потоке регистрируемых частиц, образует так называемую годоскопическую установку, которая позволяет проследить путь каждой отдельной частицы, а помещенная в магнитное поле — измерить ее импульс и знак заряда. Счетчики прослаиваются калориметрами — устройствами, измеряющими энергии частиц по образованному ими ливню электронов, позитронов, фотонов в веществе. Счетчики, включенные в «систему времени пролета», измеряют скорость частицы. Современные установки на ускорителях, насчитывающие тысячи счетчиков, дают пространственную картину события — рождения множества вторичных частиц, их распадов и взаимодействий, возникающих при попадании ускоренной частицы в мишень.

Камеры, или трековые детекторы, – это устройства для прослеживания траектории заряженной частицы со всеми вторичными продуктами. Первым трековым детектором была широко известная камера Вильсона (в иностранной литературе — «туманная камера»). Принцип ее действия заключается в образовании капелек тумана на ионизационном следе частицы в переохлажденном паре после резкого сброса давления. Камера Вильсона, помещенная в магнитное поле, стала одним из главных физических приборов начала прошлого столетия; эксперименты с нею привели ко многим фундаментальным открытиям.

Позднее роль лидера измерительной техники перешла к пузырьковой камере, в которой треки частиц создавали микроскопические пузырьки газа в перегретой жидкости. Пузырьковые камеры, особенно наполненные жидким водородом (протонные мишени), способствовали получению выдающихся результатов в ускорительных экспериментах. Известная жидководородная камера Мирабель (самая большая в мире) работала на многих ускорителях, в том числе на синхрофазотроне ИФВЭ (Протвино). Недостатки термодинамических камер (Вильсона, пузырьковой) – малое быстродействие и невозможность автоматизации данных, что стало заметным препятствием после введения в эксперимент компьютера как управляющего и обрабатывающего центра.

Особое место занимает фотоэмульсионная камера (развитие метода ядерной фотоэмульсии) – рекорд-смен по точности измерения координат (до 1 микрона), но совершенно не приспособленная для работы со счетчиками и компьютером. Данные с нее приходится обрабатывать вручную.

На смену ей пришли электроразрядные устройства, резко повысившие эффективность использования ускорительных пучков (за счет быстродействия и возможности «стыковки» со счетчиками частиц): искровые и их разновидность — стримерные камеры. Искры и стримеры – цепочки отдельных разрядов — с высокой точностью следуют по ионизационному следу, даже имеющему форму дуги при движении частицы в магнитном поле. Различные виды искровых и стримерных камер участвовали в важных экспериментах, но все же более универсальным и гибким средством, отвечающим современным требованиям, оказались многопроволочные камеры – пропорциональные, дрейфовые и других модификаций.

Регистрация нейтральных частиц осуществляется теми же методами, что и заряженных (счетчики + камеры), только с учетом того, что прежде они должны создать заряженные частицы.

Особое место занимают детекторы нейтрино — частиц, не участвующих ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Проникающая способность нейтрино колоссальна, их поток может проходить слой свинца в тысячи астрономических единиц. Вероятность их взаимодействия с веществом на много порядков меньше, чем у заряженных частиц. По этой причине установки для регистрации нейтрино должны иметь большие размеры и массу, измеряемую тысячами тонн. Чтобы снизить фон от посторонних заряженных частиц, нейтринные детекторы располагают под большими толщами вещества (подземные и подводные установки). Широкую известность получили детекторы солнечных нейтрино – Homestake (хлор-аргонный детектор Дэвиса, США), Kamiokande (Япония), а также российские – галлий-германиевый детектор в Баксане и установка «Байкал» в прозрачных водах знаменитого озера (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.).

Практики

Музыка

Фильмы

Интернет-сервис Россия

Аудиокниги полезные

Аудиокниги художественные

Программы

Интернет-сервис Украина

Хочу сказать СПАСИБО  создателю этого сайта

Это будет интересно жителям Украины

скачать всю библиотеку одним xls-файлом