Читать книгу "Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов"

Это не относится прямо к теме нашего разговора, но сотрудники лаборатории заодно сделали много такого, что очень полезно для уральских, да и не только уральских, заводов. Одни магнитные перемешиватели дорогого стоят. При плавлении некоторых металлов, магния например, металл нужно постоянно перемешивать. А как, собственно, это делать? Металл-то очень горячий. Оказывается, перемешивать можно магнитным полем. Не то чтобы люди раньше не видели такой возможности, но перемешиватели получились хорошие и работают на реальных заводах.

Хорошо, что все так хорошо кончилось, но лучше было бы подумать об этом заранее, тем более что далеко не все раны еще удалось залечить. Можно сказать, что трудно было предвидеть подобное развитие событий. По собственному опыту не могу с этим согласиться. Я уже рассказывал, что у меня жена из соседней с Латвией Литвы. Когда 50 лет назад мы оформили наш брак в маленьком литовском городке и я вернулся в Москву, мой дедушка спросил, что мы собираемся делать, когда Советский Союз распадется и Литва восстановит независимость. В тот момент такой вопрос казался совершенно неактуальным, но мы потратили необходимое время на его обдумывание. Следующие 50 лет у нас не было проблем ни по ту, ни по другую сторону границы.

Но мы немного отвлеклись. В целом в лучших современных лабораториях удается получить потоки жидких металлов, для которых магнитное число Рейнольдса составляет несколько десятков. Это намного меньше, чем на Солнце. Про другие небесные тела мы поговорим позднее.

Говоря о магнитном числе Рейнольдса, я все время оперирую приблизительными цифрами. Трудно точно объяснить, что такое характерная скорость и размер. Если рассматривать конкретное течение, можно точно фиксировать, как именно вычисляются эти величины, но трудно сформулировать точное правило, применимое на все случаи жизни. Поэтому приходится оперировать приблизительными цифрами – речь ведь сейчас идет о самых грубых оценках, которые потом придется уточнять.

Еще одно сравнение. Кроме магнитного числа Рейнольдса, вводят, естественно, и обычное число Рейнольдса, которое, кстати, даже гораздо известнее. Число Рейнольдса нужно для того, чтобы сравнить по величине эффекты адвекции и вязкости в потоке жидкости. Так вот, в самых простых гидродинамических экспериментах число Рейнольдса достигает тысяч. Именно в этой области чисел Рейнольдса возникают нерегулярные турбулентные течения воды, которые каждый может наблюдать, скажем, в потоке за плотиной. Когда мне случалось работать в университете Оулу на севере Финляндии, то путь из дома до работы (совсем рядом, километров пять, не больше) проходил по такой плотине, откуда открывался прекрасный вид на характерное в подобных случаях явление, которое называется дорожкой Кармана. Гидродинамика, пожалуй, самая трудная часть современной физики. С точки зрения теоретической физики трудность раздела определяется тем, насколько велики возникающие в них характерные числа. Для сравнения, в квантовой электродинамике характерное число составляет 1/137, его нужно сравнивать с тысячами. В квантовой хромодинамике характерные числа сравнимы с единицей, что уже гораздо труднее, но все-таки это не тысячи.

2. Пожалуй, самое трудное

Итак, мы интересуемся тем, что происходит при больших магнитных числах Рейнольдса. Эта область физики представляет собой особый, специфический мир, в котором все не так, как в том, что нам привычен и знаком по каждодневному жизненному опыту. Ситуация такая же, как, скажем, с теорией относительности. Когда мы думаем о бытовых проблемах, нам кажется диким абсурдом мысль о том, что возраст человека существенно зависит от того, с какой скоростью он ездит с работы и на работу на машине. В релятивистской же физике это известный эффект, который хорошо работает для элементарных частиц. Среди космических лучей, достигающих поверхности Земли, есть частицы, которые образовались в верхних слоях атмосферы и которые так быстро распадаются, что никак не могли бы достичь поверхности Земли, если бы не релятивистское замедление времени.

Получается, что физика предлагает не одну точную, полную и непротиворечивую картину окружающего нас мира, а целый набор частных картин, а лучше сказать – моделей, которые описывают определенные фрагменты мира. На границах этих картин описания не совсем согласуются друг с другом. Например, мы описываем распространение тепла с помощью уравнения теплопроводности. Это уравнение формально говорит, что тепло может распространяться с бесконечно большой скоростью. Правда, в таком случае речь идет о ничтожно малом количестве тепла, но все равно это, строго говоря, несовместимо с представлениями специальной теории относительности, которая утверждает, скорость света – максимальная скорость распространения.

Разумеется, можно немножко подправить уравнение теплопроводности, чтобы исключить этот нефизический эффект. Цена за это будет высокая: уравнения станут гораздо сложнее, в них появятся величины, которые непонятно чему равны. Не то чтобы этого вообще не нужно было делать, но уж определенно не при первоначальном анализе проблемы.

Приходится мириться с тем, что физика совсем не такая точная, выверенная и последовательная наука, какой мы ее хотели бы видеть. Об этом студентам ненавязчиво рассказывают на лекциях по уравнениям математической физики.

Физика осознала ограниченность своих возможностей не очень давно. Когда читаешь первые попытки построить физическую картину мира в трудах Аристотеля, то очень ясно видно, что ему не хватает понимания именно этой стороны вопроса. Он прекрасно владеет логикой, хорошо видит все темные места рассуждений. Из-за этого мысль буксует и не может двигаться дальше.

Видимо, такая ограниченность свойственна не только физике. Например, литературоведы говорят о художественном мире. Писатель не может буквально и во всех деталях описывать реальность и описывает вместо этого ее модель – художественный мир. Писатель отличается от графомана прежде всего тем, что у него есть интересный для читателя художественный мир, а у графомана он бедный и неинтересный, а может быть, его нет вовсе. Про художественный мир ярко и образно рассказано в замечательной книге «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких, которым удалось нарисовать удивительно правдивую картину науки времен моей молодости.

Физики, как правило, сильно недолюбливают философов. Прежде всего за то, что, оперируя образами повседневной жизни, философы (безусловно, не все – некоторые счастливо избегают этих тем) любят рассуждать о недостатках физических теорий. Про это много и убедительно говорил в знаменитых «Фейнмановских лекциях по физике» Ричард Фейнман[8]. Однако был философ, который проанализировал эту проблему и разъяснил ее интересующимся. Это, конечно, Иммануил Кант[9].

Сейчас трудно себе представить потрясение, которое испытало мыслящее сообщество от идей Канта. Первыми его, естественно, прочитали соотечественники. Великий немецкий драматург Генрих фон Клейст (а не его родственник Эвальд, о котором писал Мандельштам), прочитав Канта, заполнил обсуждением его идей все письма к своей невесте Вильгельмине фон Ценге. Помолвка, понятно, распалась. Наверное, к счастью для Вильгельмины, поскольку ее жених в конце концов застрелился вместе со своей новой невестой. Почитайте, это шедевр немецкой прозы. Заодно и немецкий язык выучите. Если поедете в Потсдам, осмотрите и место самоубийства. Очень романтическая история.