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

К среде «приклеены» оба конца стрелки вектора, а при течении среды расстояние между ее частицами может меняться. Соответственно, может меняться и длина вектора магнитного поля, то есть напряженность магнитного поля. Разумеется, вектор может поворачиваться.

Так на языке представлений о вмороженности описывается явление электромагнитной индукции, которое открыл Фарадей и про которое рассказывают в школе, но на совсем другом языке. Еще одно различие между магнитным полем и температурой в том, как работает хоть и малая, но конечная диффузия. Не турбулентная, а нормальная – молекулярная. Что будет, если в распределении переносимых полей (температуры или магнитного поля) возникнет небольшая по размерам неоднородность, для которой диффузию уже нужно учитывать? С температурой – ничего особенного. Диффузия просто сгладит неоднородность и нивелирует все проблемы. С магнитным полем может произойти так: встретятся два пучка магнитных линий противоположной направленности. Если их магнитные потоки (произведение напряженности магнитного поля на поперечное сечение) одинаковы, то они просто взаимно уничтожатся, а магнитная энергия перейдет в тепло. Среда может быстро нагреться. (Примерно так – если провести аналогию – на Солнце возникают вспышки.) И магнитное поле в этом месте быстро затухнет.

4. Динамо, и зачем оно нужно

Итак, мы хотели бы найти какой-то механизм, который позволил бы сначала создать, а потом поддерживать магнитное поле и объяснял бы происхождение таких явлений, как 11-летний цикл солнечной активности. Обсудим этот механизм конкретно на примере Солнца, а потом поговорим о том, чем отличается его работа в других телах от того, что происходит на Солнце. Разговор пойдет в контексте исторического развития этой области науки.

Сначала несколько общих соображений. Уравнения Максвелла, которые описывают электромагнитное поле, линейные. Это значит, что для них справедлив принцип суперпозиции. Такие уравнения хорошо изучены математиками. Если мы не хотим поддерживать магнитное поле внешними источниками, но нужно, чтобы оно существовало долго – на протяжении времени, сравнимого с возрастом Солнца, то, пока это магнитное поле еще слабое, оно должно расти экспоненциально быстро. Это общее свойство всех линейных уравнений. Ему подчиняется, например, и развитие эпидемий – хотя бы коронавирусной. Такие процессы называются неустойчивостями. Когда магнитное поле станет большим и сможет вмешаться в динамику солнечной среды, то экспоненциальный рост замедлится, наступит фаза насыщения. Колебания магнитного поля – читай: солнечный цикл – при этом могут сохраниться.

На этой линейной стадии развития неустойчивости скорость роста и частота колебаний магнитного поля составляют единую комплексную величину, которая называется собственным числом задачи.

Важно при этом избежать существенных скоплений электрических зарядов. Среда должна оставаться практически электронейтральной. Дело в том, что электрические силы гораздо больше магнитных, и, если где-то электронейтральность хоть чуть-чуть нарушается, она очень быстро восстанавливается.

Нужно, конечно, чтобы этот механизм работал в сфере обычной, классической физики из школьного учебника, а не использовал бы тонкие эффекты теории относительности или квантовой механики – с чего им взяться в нашей задаче? В классической физике есть только одно явление, которое хоть как-то вписывается в эти требования. Это явление электромагнитной индукции. При движении металлической рамки в первоначально слабом магнитном поле в ней возникает электрический ток, а с ним и магнитное поле, которое добавляется к исходному – затравочному магнитному полю.

Все это уже в 1919 г. выяснил английский физик Джозеф Лармор, который понятно изложил свои соображения в докладе на научном заседании. Текст этого короткого доклада вскоре напечатали, а сам механизм вошел в науку под названием «динамо». Этим словом тогда было принято называть одну из частей двигателя автомобиля, которая производила электрический ток, а заодно и магнитное поле. В то время автомобиль был чем-то вроде Большого адронного коллайдера: непонятно, но очень привлекательно. Поэтому название прижилось. Заодно обрели имена футбольный клуб и станция метро – и совершенно неважно, насколько стадион похож на соответствующую деталь мотора.

Подчеркнем, что само по себе слово «динамо» значит очень немного – то, что магнитные поля создаются движениями среды. Можно сказать, кинетическая энергия переходит в магнитную. В этом смысле заменить динамо нечем.

Современники Лармора много раз пробовали придумать альтернативу динамо. Предлагалось, в частности, считать, что есть новое фундаментальное взаимодействие, которое прямо связывает вращение и магнитное поле. Такое явление действительно есть в микромире. Оно связано со спином[11] – про него можно написать поэму, получится современно и непонятно. Но спин сейчас нам не нужен: в макрофизике такое явление упорно искали, но не нашли. Придется ограничиться тем, что есть в природе.

Скажу на всякий случай, что условие электронейтральности выполнено не абсолютно точно. У Земли, например, есть небольшой электрический заряд. Его интересно наблюдать, изучать его происхождение, но его решительно не хватает для создания геомагнитного поля. В этом люди убедились еще при жизни Лармора, но до сих пор приходится писать отрицательные рецензии на рукописи авторов, которые еще не ознакомились с этими работами.

На пути реализации идеи Лармора возникает серьезная трудность. Она называется правилом Ленца. Его изучают в школе. В соответствии с правилом Ленца новое магнитное поле направлено противоположно затравочному и не усиливает, а ослабляет его.

Казалось бы, это полный крах всех надежд. Но физики очень преуспели в выдумывании сложных схем всяких процессов. К 1950-м гг. сформировалась мысль: предполагалось взять два электрических контура так, чтобы первый контур создавал магнитное поле во втором, а второй – в первом, причем в целом это приводило бы не к ослаблению, а к усилению магнитного поля.

Несколько остроумных специалистов воплотили эту идею в конкретной картине течений. (Эти поиски заняли как минимум лет двадцать.) Полученные виды динамо очень интересны как красивые задачи математической физики. Одна из них, названная «динамо Пономаренко», позже служила ключевой идеей при лабораторных исследованиях динамо.

Ю. Б. Пономаренко был отечественным физиком и жил сравнительно недавно. Удается даже встретить людей, которые помнили его в молодости. Однако о жизни автора всемирно известной работы мы практически ничего не знаем. Его знакомые говорят примерно так: «Да, был такой сотрудник, но кто же мог себе представить, что он написал важную работу?» Наука очень неблагодарна по отношению к своим творцам.

Все это – хорошие и интересные соображения, но совершенно не похоже на то, что в принципе могло бы происходить на Солнце. Ключевая идея пришла в 1955 г. к американскому астрофизику Юджину Паркеру.

Юджин – американский эквивалент имени Евгений. Переводчики «Евгения Онегина» в один голос говорят, что именно так звучит на английском имя героя романа, но этот вариант вызывает у читателя ассоциации не с лондонским денди, а с американскими ковбоями. Однако Паркер этим ассоциациям в полной мере соответствовал – и свои задачи он решал по-ковбойски лихо.