Несмотря на общий упадок науки после реставрации капитализма, сейчас в РФ исследования ведутся по нескольким направлениям (преимущественно в коллаборации с иностранными коллегами).

В области солнечных космических лучей и радиационных поясов Земли – сравнительно недавно проведен эксперимент на спутниках «Коронас-Ф», «Коронас-Фотон». В частности, изучались солнечные вспышки, что важно при планировании будущих дальних пилотируемых полетов.

В области изучения космических лучей сверхвысоких энергий с помощью регистрации широких атмосферных ливней – продолжает работать установка в Якутии, занимающая около 20 км². Другая интересная установка – Тунка-133, расположенная в Бурятии. Там используется регистрация черенковского света, испускаемого частицами каскада в атмосфере. Есть еще проект «СФЕРА», основанный на регистрации отраженного от снежной поверхности черенковского света широких атмосферных ливней (ШАЛ) с помощью установки, поднятой на привязном аэростате. Измерения проводятся ночью на Байкале, когда озеро замерзает и покрывается снегом. Готовится эксперимент ТУС. Там флуоресценцию атмосферы под действием каскада планируется наблюдать со спутника.

В области прямого изучения космических лучей высоких энергий в последние годы наиболее интересные результаты получены в экспериментах ATIC (ионизационный калориметр поднимался на высотном аэростате над Антарктидой) и PAMELA (магнитный спектрометр и позиционно-чувствительный калориметр на спутнике).

В первом эксперименте обнаружены неоднородности спектра электронов, которые могут свидетельствовать об эффектах, связанных с темной материи (см. В.Зацепин и др.). Во втором – раздельно промерены спектры электронов и позитронов. При этом обнаружен аномальный рост доли позитронов, который возможно объясняется вкладом активных карликовых звезд (см. Ю.Стожков и др.). Оба эксперимента являются совместной работой российских и зарубежных физиков.

Сейчас я участвую в подготовке космического эксперимента НУКЛОН. Основная идея – использование тонкого и легкого прибора для измерения химического состава и энергетических спектров ядерной компоненты при энергиях выше 1 ТэВ. Поскольку ионизационные калориметры требуют развития и поглощения каскада внутри установки, то такие приборы очень тяжелы, что ограничивает их использование в космосе. Зато можно сделать тонкую установку, где произойдет первое взаимодействие частицы, а образовавшиеся гамма-кванты успеют образовать электронно-позитронные пары. В этом случае информацию об энергии первичной частицы можно получить, анализируя как количество вторичных частиц на наблюдаемом начальном участке каскада, так и их пространственное распределение. Алгоритм восстановления энергии получается сложнее, чем в калориметре, и требует детального математического моделирования. При таком моделировании рассчитываются ожидаемые сигналы в различных детекторах (падовые и микростриповые), входящих в состав прибора. При анализе применяются также искусственные нейронные сети. В случае успешного эксперимента на орбите прибор позволит существенно увеличить статистику прямых измерений ядерной компоненты и поможет решить вопрос о природе «колена» в спектре.

Еще одна интересная тема – подготовка лунного эксперимента. При подготовке предложений по использованию лунной поверхности и лунной орбиты, необходимо отметить уникальные, в сравнении с земными условиями, возможности Луны для исследования состава космического излучения. На Луне отсутствует атмосфера, в которой частицы космических лучей взаимодействуют. Поэтому задачи, связанные с прямой регистрацией частиц, можно эффективно решать с помощью аппаратуры, размещенной на поверхности Луны. Выполнен расчет альбедного потока гамма-квантов и электронов от каскадов в реголите, инициируемых протонами и ядрами высоких энергий (>1 ПэВ). Обнаруженная энергетическая зависимость может быть использована для восстановления первичной энергии. Такой эксперимент будет сочетать преимущества прямых измерений и наземных экспериментов с широкими атмосферными ливнями.

Впервые космические лучи обнаружил австрийский физик Виктор Гесс 100 лет назад. Он изучал ионизацию воздуха. Тогда уже было известно ионизирующее действие радиации. Гесс измерял зависимость скорости разрядки электроскопа (то есть электропроводность воздуха, обусловленную наличием ионов) от высоты. Предполагалось, что по мере подъема на аэростате ионизация, вызванная излучением содержащихся в земле радиоактивных веществ, будет уменьшаться. Однако результат оказался противоположным: при удалении от поверхности электропроводность воздуха росла. Был сделан вывод, что ионизирующее излучение идет из космоса. Но понадобилось несколько десятилетий, чтобы установить состав космических лучей.

На спутниках и высотных аэростатах удается зафиксировать первичные частицы, приходящие из космоса (с помощью различных электронных детекторов или эмульсионных камер). Земной поверхности достигают лишь вторичные частицы, рождающиеся во взаимодействиях первичных частиц с воздухом. Например, протон взаимодействует с ядром азота с образованием преимущественно пи-мезонов. Нейтральные пионы быстро распадаются в основном на гамма-кванты, которые в свою очередь могут образовать электронно-позитронные пары. Заряженные пионы могут тоже провзаимодействовать с ядрами, дав новое поколение пионов (уже меньших энергий), или же распасться на мюоны и нейтрино. Процесс последовательного рождения многих частиц называется каскадом (электронно-фотонным или адронным). По мере развития каскада частиц становится больше, но средние энергии уменьшаются. Постепенно частицы начинают поглощаться в воздухе – каскад затухает. Обычно до земли доходят мюоны и электроны, распределенные на довольно большой площади. Но по небольшой части каскада можно оценить первичную энергию частицы. При этом необязательно, чтобы траектория первичной частицы попала точно в прибор. Это важно при изучении космических лучей сверхвысоких энергий, которых слишком мало для прямой регистрации орбитальными установками.

Во-первых, при помощи аэростатов измерения проводились на различных высотах. Еще в середине 20 века установлено, что мюоны образуются преимущественно на высотах 10-20 км. Во-вторых, где бы мюоны не образовывались, распадный пробег оказывается зависящим от энергии (то есть Лоренц-фактора). Это также подтверждается экспериментами на ускорителях. Правда, мюоны – сравнительно долгоживущие частицы. Зависимость лучше видна на короткоживущих.

Говоря о составе космических лучей, требуется уточнять, при каких условиях этот состав меряется. Если речь идет о составе всего, что прилетает из космоса (исключая электроны), то действительно основная часть – протоны и гелий. Если же отбирать частицы с определенными энергиями, то вклад тяжелых ядер окажется заметнее. В процессе ускорения прибавляется магнитная жесткость (отношение импульса к заряду), поэтому многозарядные ядра получают большую энергию. Есть предположение (пока не подтвержденное прямым экспериментом), что на сверхвысоких энергиях должны преобладать ядра железа (из-за взаимодействия космических лучей с реликтовым излучением).

В общем, состав космических лучей примерно отражает состав возможных источников: водорода и гелия во Вселенной много больше, чем других элементов. Элементы тяжелее железа образуются во вспышках сверхновых. Их очень мало. Но в космических лучах сравнительно много (больше, чем в среднем по Галактике) легких ядер (Li, Be, B), образующихся при фрагментации более тяжелых в процессе взаимодействия с межзвездным газом.

Физика космических лучей занимает особое место на границе астрофизики и ядерной физики. С одной стороны, космические лучи являются продуктом различных астрофизических процессов и, тем самым, несут информацию о природе этих явлений. В этом смысле космические лучи – очень полезный инструмент для изучения Галактики. С другой стороны, космическое излучение само по себе является интересным объектом для исследований. Чтобы понять, что могут дать исследования, полезно вспомнить уже полученные результаты, то есть обратиться к истории вопроса.

Космические лучи были открыты еще в 1911 г австрийским физиком В.Гессом по повышенной ионизации воздуха на больших высотах. Так что в этом году получается вековой юбилей. Первые десятилетия изучения космических лучей совпали с бурным развитием физики атомного ядра и элементарных частиц. Некоторые частицы, чье существование предсказывалось теоретиками, были впервые экспериментально зарегистрированы именно в космических лучах (позитрон – 1932 г, мюон – 1936 г, пион – 1947 г). В этих экспериментах изучались вторичные частицы – продукт взаимодействия первичных космических лучей с земной атмосферой. Однако постепенно совершенствовались ускорители, позволявшие получать плотные потоки заряженных частиц с довольно высокими энергиями в лабораторных условиях. Но даже сейчас предельно достижимые на ускорителях энергии (1017 эВ на БАК в пересчете на покоящуюся мишень) на порядки уступают предельным энергиям космических лучей, известных из данных по широким атмосферным ливням. Хотя регистрация космических лучей предельно высоких энергий крайне сложна (в первую очередь, из-за малого количества таких частиц), уникальный энергетический диапазон позволяет рассчитывать на интересные научные результаты. Кстати, наличие таких космических лучей развеивает страхи перед «провалом Земли в черную дыру», усиленно нагнетавшиеся желтой прессой перед пуском БАК: в атмосфере столкновения высокоэнергичных случаются миллиарды лет, но планета цела. Недавно на БАК обнаружили интересную особенность пространственного распределения вторичных частиц, названную ридж-эффектом (ridge effect). Но довольно давно схожее явление наблюдалось в космических лучах (т.н. «выстроенность»). Сопоставление разных данных может быть весьма перспективно.

Другое направление работы – астрофизика. Как только первые высотные эксперименты позволили определить состав и энергетический спектр первичных космических лучей, встал вопрос о механизме их генерации и ускорения. Многое помогла объяснить модель Ферми. В соответствии с ней космические лучи ускоряются на ударных волнах, порождаемых взрывами сверхновых. Однако окончательно не выяснена роль компактных объектов (например, магнетаров). Да и предельные наблюдаемые энергии космических лучей превосходят значения, вытекающие из модели Ферми. Едва ли не важнейшая на сегодня проблема астрофизики – загадка темной материи. Неизвестное вещество своей гравитацией влияет на скорость звезд в галактиках, но само непосредственно не наблюдается. Существуют разные гипотезы о природе темной материи, в том числе, довольно экзотические. Но к числу наиболее обсуждаемых относится предположение о существовании тяжелых слабовзаимодействующих частиц (WIMP), связываемое с теорией суперсимметрии. Такие частицы не взаимодействуют с обычным веществом, но вроде бы могут взаимодействовать между собой. Поэтому особое внимание привлек пик в спектре электронов космических лучей, наблюдавшийся в нескольких экспериментах. Этот пик может быть доказательством взаимодействия частиц темной материи с образованием электронов и позитронов. Статистическая обеспеченность уже проведенных экспериментов не очень высока. Поэтому для проверки предположений о природе темной материи крайне важно готовить новые эксперименты на аэростатах или на орбите. Таким образом, изучение космических лучей (в сопоставлении с астрономическими данными) помогает лучше понять строение Галактики и роль отдельных объектов.

Наконец может возникнуть вопрос о практической ценности изучения космических лучей. Во-первых, создаваемые в процессе подготовки экспериментов методики регистрации различных компонент космических лучей находят применение в самых различных отраслях. Во-вторых, космические лучи представляют определенную угрозу здоровью космонавтов при длительных космических полетах. Захваченные частицы образуют радиационные пояса, способные влиять на работу аппаратуры спутников. Поэтому изучение радиационной обстановки как на низких орбитах, так и за пределами земной магнитосферы необходимо для успешного освоения космоса. В-третьих, обнаружено влияние космических лучей (за счет ионизации воздуха) на атмосферные процессы. В СССР исследования космических лучей успешно развивались в течение десятилетий. Созданы серьезные научные школы. Такие эксперименты, как, например, «Протон» и «Сокол», остаются классикой и по сей день. Однако развал Союза и реставрация капитализма нанесли огромный ущерб науке вообще и физике космических лучей в частности. Сейчас подготовка новых экспериментов идет, но связана со значительными трудностями, общими для российской науки.

Фактически, СТО является частным случаем ОТО для неускоренного движения и слабых гравитационных полей. Подобным образом сама СТО переходит в классическую ньютоновскую механику в случае малых скоростей. Ньютоновская механика тоже имеет свои границы применимости, однако в пределах этих границ мы свободно пользуемся классическими формулами. Никто не вводит релятивистские поправки, описывая движение автомобиля или самолета. Точно также существует огромный круг задач, где работает СТО. Переход в неинерциальную систему отсчета требуется не очень часто. Рассмотрение «парадокса близнецов» не опровергает СТО, а только указывает границы ее применимости. В инерциальной лабораторной системе отсчета СТО работает с огромной точностью. Скорость распространения собственного поля частицы для задачи с ускорителем несущественна из-за Лоренц-инвариантности. Ускоряющее электрическое поле ограничено зазором (наподобие плоского конденсатора), поэтому ускорение происходит именно тогда, когда частица находится внутри зазора, при условии, что напряжение подано. Практически возможны различные измерения.

Во-первых, в ионизационных калориметрах меряется кинетическая энергия частицы.
Во-вторых, по отклонению частицы магнитным полем можно определить магнитную жесткость, то есть отношение импульса к заряду. Если заряд известен (в большинстве случаев), таким образом определяется импульс частицы. В-третьих, собственно скорость можно определить по эффекту Черенкова-Вавилова. Последняя методика работает, если скорость частицы превышает фазовую скорость света для вещества (v>c/n, n – показатель преломления). Замечу, что при увеличении кинетической энергии поток черенковских фотонов растет, но до определенного предела. Дальше наступает насыщение, что также можно считать аргументом в пользу СТО.

А насчет «соревнования со светом» - на малых дистанциях погрешность синхронизации чересчур значима, а на больших, космических, магнитные поля искривят траекторию любой заряженной частицы. Единственный пример такого «соревнования» частиц разных типов - наблюдение нейтрино и антинейтрино от вспышки сверхновой в Большом Магеллановом облаке (расстояние около 50 кпк) в 1987 г (SN1987A).

Реально полемики вокруг определения скорости света как предельной нет. Правда, есть еще гипотеза о существовании тахионов – частиц с мнимой массой покоя. Такие частицы должны рождаться, уже обладая сверхсветовой скоростью (аналогично фотон рождается, обладая скоростью света). Чисто теоретических работ на эту тему написано немало, но экспериментально тахионы не обнаружены.

СТО применима в большинстве случаев, так как обычно расчет ведется в инерциальной системе отсчета. Или почти инерциальной: например ускорением при движении Земли по орбите почти всегда можно пренебречь. Поправки на эффекты ОТО вводятся при наиболее точных расчетах, наподобие функционирования GPS. В предельном случае (если устремить ускорение и гравитационное поле к нулю) формулы ОТО переходят в формулы СТО. Некоторые сомнения в справедливости ОТО действительно имеются у некоторых ученых. Есть и альтернативные теории – например, разрабатываемая академиком А.А.Логуновым релятивистская теория гравитации (РТГ). Но для слабых гравитационных полей и малых ускорений, доступных в современных экспериментах, выводы ОТО и РТГ сходятся (в «Науке и жизни» были статьи по этому поводу). Подготовка экспериментальной проверки конкурирующих теорий – дело будущего.

Скорость распространения электрического поля не является ограничителем для работы ускорителя ввиду Лоренц-инвариантности (в соответствии с классической электродинамикой). Принципиально важно другое обстоятельство: импульсы напряжения на ускоряющие зазоры должны следовать с той же периодичностью, что пролет частицы через эти зазоры. Иначе не получится резонанса. Процесс можно сравнить с раскачиванием качелей: если толкать качели не в такт с их собственной частотой, раскачать их не удастся. Так что скорость частицы в ускорителе определяется однозначно. Собственно, именно необходимость учета релятивистских эффектов при росте энергии заставила перейти от сравнительно простых циклотронов к синхрофазотронам и синхротронам.

Пучки заряженных частиц в космосе могут распространяться на сравнительно небольшие расстояния. При большой начальной плотности пучка электроны будут расходиться из-за кулоновского отталкивания, а магнитные поля (земное и межпланетное) будут искривлять траектории. В рамках военных разработок в США (стратегическая оборонная инициатива) велись работы над пучковым оружием. Но там речь шла о сравнительно небольших расстояниях, никак не о световых минутах. А экспериментов по проверке СТО (да и ОТО) довольно много. Начиная с опыта Майкельсона-Морли, который повторялся многократно на всё более совершенной аппаратуре. Да и зависимость кинетической энергии от скорости прекрасно проверена экспериментально и согласуется с СТО.

В ОТО собственное время объекта представляет собой интеграл, взятый по соответствующей пространственно-временной траектории, зависящий от метрического тензора. В частном случае неискривленного пространства Минковского выражение из ОТО переходит в обычную формулу Лоренца.

Для покоящегося объекта такая траектория является геодезической линией. По определению (из ОТО) при интегрировании по геодезической линии собственное время максимально. Этот результат можно получить и явным образом. В частном случае равноускоренной неинерциальной системы отсчета применяются преобразования Мёллера [см. А.Л.Зельманов, В.Г.Агаков «Элементы общей теории относительности», М., 1989, стр.91].

Рассмотрим предложенную в вопросе ситуацию. Полет можно разбить на 6 участков:
1) Корабль ускоряется до заданной скорости.
2) Полет по инерции.
3) Торможение.
4) Ускорение в обратном направлении.
5) Обратный полет по инерции.
6) Торможение около Земли.

При этом время ускорения действительно может быть мало по сравнению со временем инерционного полета (но не равно нулю!). Если рассчитывать разницу в показаниях земных и корабельных часов в земной инерциальной системе отсчета, то стадиями ускорения и торможения действительно можно пренебречь. Разница в показаниях земных и корабельных часов определяется формулой Лоренца и строго больше нуля. Но при переходе в корабельную неинерциальную систему отсчета на участках ускорения возникает дополнительный гравитационный потенциал, зависящий от расстояния. Чем больше инерциальный участок полета, тем больше расстояние от корабля до Земли, и, соответственно, больше гравитационная задержка часов, приводящая к расхождению в показаниях. С точки зрения бортового наблюдателя корабль на участках ускорения как бы проваливается в гравитационную яму. В работе [К.Мёллер «Теория относительности», М., 1975, стр.208] приведено точное решение, показывающее равенство расхождений в показаниях часов независимо от привязки системы отсчета. Другое решение (но с тем же результатом) опубликовано в книге А.А.Логунова [А.А.Логунов, «Лекции по теории относительности и гравитации. Современный анализ проблемы», М., 1987].

Относительно экспериментов с быстрыми частицами. Скорость можно определить независимо от времени жизни. Большинство современных ускорителей (включая широко известный БАК) циклические. Частица проходит по замкнутой траектории, периодически попадая в ускоряющие зазоры, куда подается высокочастотное напряжение. Частота согласуется со временем прохождения частиц, иначе ускоритель просто не будет работать. Поэтому время жизни при регистрации трека легко определяется. Кроме того, преобразования Лоренца применяются не только к координатам и времени, но и к энергии-импульсу частицы. Зависимость кинетической энергии от скорости в релятивистской механике также вытекает из преобразований Лоренца и достаточно сильно отличается от ньютоновской. Кинетическую энергию частицы можно измерить с помощью ионизационного калориметра. В таком приборе происходит взаимодействие первичной частицы с веществом, размножение и поглощение продуктов этого взаимодействия. Суммарный сигнал в ионизационном калориметре определяется именно кинетической энергией первичного протона, электрона или какой-либо другой частицы. Скорость в ускорителе, как упоминалось выше, известна. Поэтому релятивистская зависимость кинетической энергии от скорости легко проверяется. Вообще-то более актуальна проверка эффектов не СТО, а ОТО. Доступные гравитационные поля очень слабы, поэтому идет усиленный поиск гравитационных волн и соответствующих эффектов в астрономических наблюдениях.

Локально выбор системы отсчета – лишь вопрос удобства при расчете. Предположим, моделируется эксперимент по регистрации космических лучей. Можно вести расчет сразу в системе покоя прибора, а можно сначала рассчитать взаимодействие налетающей частицы и атома из установки в системе равных скоростей и потом перевести результат в систему покоя прибора. Итоги расчетов в обоих случаях сходятся.

Практически переход из одной системы отсчета в другую позволяет сопоставлять данные из экспериментов в космических лучах с результатами, полученными на коллайдерах. Например, на БАК после выхода на расчетные характеристики планируется сталкивать протонные пучки с энергиями 7 ТэВ (7*1012 эВ). При пересчете по формулам Лоренца это соответствует столкновению с покоящейся мишенью протона с энергией ~1017 эВ. Такие частицы регистрируются в космических лучах, и данные с коллайдера позволят протестировать модели взаимодействия, улучшить качество обработки экспериментов.

«Парадокс близнецов» возникает лишь при рассмотрении нелокального случая: корабль улетает с Земли, потом возвращается. Но здесь симметрия только кажущаяся – хотя бы часть времени корабль должен двигаться ускоренно, соответствующая система отсчета неинерциальна, и при пересчете требуется использовать не формулы Лоренца, а общую теорию относительности. Так что нет «привилегированной системы отсчета», но есть разница между инерциальными и неинерциальными системами.

Теория относительности на данный момент очень хорошо подтверждается экспериментальной практикой (особенно СТО). И нет смысла искусственно противопоставлять «практиков», т.е. экспериментаторов и теоретиков.