探访前苏联地下已经荒废的“核物理研究所”

摘要：一个多世纪前，更确切地说是在1912年，奥地利裔美国物理学家维克托·弗朗茨·赫斯（Victor Franz Hess）携带用于测量空气电离的设备（电离仪）升到5000米的高空，记录到空气电离水平提升了数倍。这一事件为何如此重要？在此之前，人们认为空气的电离主要

今天的内容对于本人来讲有一些高，因为根本没接触过，等于完全小白状态，更不懂其中的理论与含义。

一个多世纪前，更确切地说是在1912年，奥地利裔美国物理学家维克托·弗朗茨·赫斯（Victor Franz Hess）携带用于测量空气电离的设备（电离仪）升到5000米的高空，记录到空气电离水平提升了数倍。这一事件为何如此重要？在此之前，人们认为空气的电离主要是由于地表产生的伽马射线，因此高度越高，电离水平应该越低。然而，赫斯的实验表明存在其他来源的辐射，这些辐射启动了空气电离的过程。由此，一种此前未知的穿透性射线被发现。

1911-1912年，维克托·弗朗茨·赫斯（坐在热气球篮子中）

在1913年至1914年，德国物理学家沃纳·海因里希·尤利乌斯·科尔霍斯特（Werner Heinrich Julius Kolhörster）证实了赫斯的实验结果，他进一步证明了这种辐射是从上至下的定向辐射。

赫斯的研究吸引了美国物理学家、诺贝尔奖得主罗伯特·安德鲁斯·密立根（Robert Andrews Millikan）的注意。在20世纪20年代，密立根继续研究这种未知的辐射。正是由于密立根的研究，这种由赫斯发现的辐射被命名为“宇宙射线”。他还发现这些射线由多种粒子组成。密立根在推广这一发现方面发挥了重要作用，这不仅促成了赫斯和卡尔·安德森（Carl Anderson）在1936年获得诺贝尔物理学奖，也吸引了全世界，包括苏联物理学家的关注。

密立根的工作可能对苏联物理学家德米特里·弗拉基米罗维奇·斯科别利岑（Dmitry Vladimirovich Skobeltsyn）产生了影响，后者也为宇宙射线的研究作出了贡献。1927年，斯科别利岑发现并观察到了宇宙射线的簇射现象。一年后，在伦敦的一次会议上，他提出了现代意义上的宇宙射线定义：高能宇宙起源粒子。他的研究奠定了高能物理的基础，并在正电子、μ子和奇异粒子的发现中起到了重要作用。

左侧为罗伯特·安德鲁斯·密立根（Robert Andrews Millikan，1868-1953），右侧为德米特里·弗拉基米罗维奇·斯科别利岑（Dmitry Vladimirovich Skobeltsyn，1892-1990）。

关于宇宙射线簇射的几点说明：簇射是由于宇宙粒子撞击空气中原子核而产生的，这一过程引发了级联反应。而最初的宇宙粒子则来源于超新星爆发的过程。

下方的图示直观地展示了斯科别利岑所发现现象的规模与意义。

广延大气簇射（ШАЛ）

提到苏联核物理学家斯科别利岑，不仅因为他在高能物理学的发展中所作的贡献，还因为他与我们要谈及的地下实验室直接相关。

1949年，苏联政府决定在莫斯科国立大学（МГУ）修建新建筑。在德米特里·斯科别利岑的直接影响下，追加了一项关于修建加速器综合体建筑和宇宙射线研究实验室建筑的决议。不难猜测，在其中一栋建筑下方，大约在20世纪50年代中期，地铁建设者们建造了这座地下实验室，它成为研究莫斯科国立大学广延大气簇射（ШАЛ МГУ）的一部分。

莫斯科国立大学核物理研究所大楼的照片，出自丹佛大学的摄影收藏。这张照片由苏联新闻摄影师谢苗·弗里德兰德拍摄，不晚于60年代初。

莫斯科国立大学广延大气簇射（ШАЛ МГУ）新装置的开发任务交给了格奥尔基·鲍里索维奇·赫里斯蒂安森（Георгий Борисович Христиансен）。到50年代末，建成的装置在当时独树一帜，可以同时记录电子-光子、缪子和强子等宇宙射线的组成部分，即与宇宙粒子碰撞后产生的所有二级粒子。

这一装置不仅得到了苏联专家的高度评价，也赢得了杰出的国际科学家的赞誉。这些科学家包括物理学领域的诺贝尔奖得主，例如汤川秀树、海森堡、尼尔斯·玻尔等，他们应邀访问苏联，参观研究所并加强科学合作。

因此，广延大气簇射（ШАЛ МГУ）装置迟早会带来某些重要的发现。而这确实在60年代得以实现，研究者发现了所谓的“折点”——即在约 3 \times 10^{15} 电子伏特的能量范围内，宇宙射线一次能谱的指数在半个数量级范围内发生快速变化。这个发现基于对广延大气簇射粒子数量的微分能谱数据以及缪子数量平均值与簇射粒子数量的相关性数据的研究。据维基百科所述，这一结果对宇宙射线物理学和天体物理学具有基础性意义。

现在，广延大气簇射（ШАЛ МГУ）装置的地下部分处于荒废状态，所有可以损坏的设备都已损坏，但从残留的结构可以推测出这里曾经安装的设备及其用途。

看起来，这个空间里可能安装了格里戈罗夫的离子化热量计。

这个并不小的仪器是由苏联科学家于1954年发明的，用于测定宇宙射线粒子的能量。该发明非常有用，并且在全世界得到了广泛应用，甚至在现代加速器中也有应用。

根据《大苏联百科全书》，离子化热量计的典型尺寸如下：高度1.5—2米，横截面积约1平方米，重量为10—20吨。

热量计的工作原理是：高能宇宙粒子与物质相互作用时，通过核反应产生大量二次粒子或光子，这些二次粒子又会形成新的粒子，以此类推。最终，产生一个带电粒子的雪崩，这些粒子在物质中运动、使原子离子化，并且在此过程中失去能量。如果吸收物质的厚度足够大，并且带电粒子的雪崩完全停留在其中，那么在物质中产生的离子数量与初级宇宙粒子的能量成正比。为了测量物质中离子的总数，密度较大的吸收材料（通常是铁或铅）被分解成几厘米厚的层，并在这些层之间放置离子化探测器。——《大苏联百科全书》

左侧图片是离子化热量计与核光学乳胶结合的示意图：1 - 目标，在此宇宙粒子与目标原子核相互作用，产生高能γ量子；2 - 铅层，其中γ辐射产生强大的带电粒子雪崩；3 - 核光学乳胶，记录这些雪崩；4 - 物质层（铁或铅），用于减速带电粒子的雪崩；5 - 脉冲离子化探测器。右侧图片是离子化热量计工作原理的直观示例。蓝色部分为密度较大的物质层，在我们的情况下是铅。

在这个实验室的热量计中，已经没有任何传感器，只有一些放置固体物质——铅的架子。

实验室里铅的数量非常多，地面覆盖物大多数是铅条构成的框架。

如果假设这个设备自实验室建设开始使用，那么它很可能是历史上最早的离子化热量计之一。因为第一个投入使用的此类仪器是1957年在高山上的帕米尔站（FIAN）安装的热量计，而在那时，实验室建设负责人G.B. 赫里斯蒂安森曾在该站工作过，担任学生和研究生。

但很可能，经过多年的时间，位于40米深的地下，除了木门之外，原始设备的任何痕迹都已经消失了，因为在70至80年代，ШАЛ МГУ【直译：莫斯科国立大学大范围大气降水实验室】的设备进行了现代化改造，其中很可能也包括了地下部分。

一些门通向科学楼的外部，可以看到管道形的拱顶，这暗示着地铁建筑公司参与了实验室的建设。

这种类型的建筑风格在苏联时期许多深埋的秘密设施中很常见。

如果愿意，可以再下到实验室下方更深的地方，但这里除了管道、锈迹和排水设备外什么也没有。泵还在正常工作，否则地下实验室早就变成水下设施了。

在实验室内部没有找到任何文件、时间表或其他指示实验室停止运营的资料，因此作者求助于互联网，最后一次提到该实验室的记录是在80年代中期到90年代初。当时，实验室进行了一个持续1372天的长期实验。虽然没有提到关于离子化 calorimeter（卡路里计）的信息，但实验室里有一个由1104个大型盖革计数器组成的μ子探测器，分布在37个箱子中。