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

Идея Паркера в следующем: на течения жидкостей в небесных телах действует сила Кориолиса[12]. Когда вихрь жидкости поднимается от центра Солнца на поверхность, то его плотность падает, вихрь расширяется и возникает компонента скорости, направленная от оси вращения. На вихрь действует сила Кориолиса, которая закручивает его. В одном полушарии – вправо, в другом – влево.

Когда вихрь опускается, плотность растет и вихрь сжимается. Опять возникает скорость, теперь направленная к оси вращения. На вихрь опять действует сила Кориолиса, которая замечательным образом закручивает его в ту же сторону, что и восходящий вихрь. Когда вихрь болтается вверх-вниз в той оболочке Солнца, где есть конвекция, сила Кориолиса постепенно закручивает его. В результате в одном полушарии Солнца больше вихрей, закрученных вправо по ходу движения, а в другом – влево.

Подобный же эффект возникает и на Земле, где сила Кориолиса действует на течение реки на ее изгибах, так что в северном полушарии река больше подмывает один берег реки, а в южном – противоположный. Это явление известно в географии как закон Бэра – естествоиспытатель наблюдал его во время путешествий по Прикаспийской низменности. Физикам редко приходится ссылаться на работы, выполненные в таких путешествиях, но закон Бэра – классика науки.

Паркер обратил внимание на то, что превышение числа, скажем, левых вихрей над правыми нарушает зеркальную симметрию задачи. Если на Землю прилетит любознательный инопланетянин, то он должен будет либо спросить какого-нибудь человека, какая рука у того правая, либо зайти в ближайшее сельпо и узнать, какие им завезли штопоры. Объективно решить, какое направление закрутки правое, а какое левое, нельзя. Степень нарушения зеркальной симметрии измеряется некоторым псевдоскаляром, то есть числом, которое при отражении в зеркале меняет знак.

Астрофизик понял, что в зеркально-асимметричной среде может нарушаться известное правило школьной физики: магнитное поле не обязательно перпендикулярно электрическому току или электродвижущей силе. В самом деле, электрический ток – настоящий вектор. Его направление не зависит от выбора системы координат. А магнитное поле – псевдовектор. Для определения его направления снова нужно идти в сельпо. Вектор не может быть равен псевдовектору – у них разные законы преобразования. А если среда зеркально асимметрична, то магнитное поле можно умножить на степень асимметрии, и возникнет комбинация с правильным законом преобразования.

Паркер догадался, как можно построить схему динамо, работоспособную в солнечной физике. Один электрический контур в его схеме связан с вращением Солнца. Магнитные линии этого контура устроены так же, как у обычного магнита с двумя полюсами – магнитного диполя. Они, естественно, вморожены в среду. Но среда вращается не как твердое тело: разные части Солнца вращаются дифференциально, с разными угловыми скоростями. Поэтому из полоидального магнитного поля получается тороидальное.

Для того чтобы заработало динамо, этого мало. Если ограничиться просто дифференциальным вращением, то оно постепенно превратит все полоидальное магнитное поле в очень туго закрученные спирали тороидального магнитного поля, в которых витки с противоположно направленным магнитным полем все больше и больше будут сближаться друг с другом. Со временем они подойдут друг к другу так близко, что магнитные потоки противоположной направленности взаимно уничтожатся, и магнитное поле быстро затухнет. Чтобы этого не произошло, как раз и нужна зеркальная асимметрия. Она позволяет восстановить полоидальное магнитное поле из тороидального.

Паркер просто ввел эмпирический коэффициент, который описывает это восстановление. Дальше – дело техники. Нужно решить выписанную таким образом систему уравнений и убедиться, что у нее есть экспоненциально и с осцилляциями растущее решение.

Это уже стандартная задача математической физики, с которой Паркер легко справился: оказалось, что такое решение действительно есть. Тут придется поверить Паркеру на слово или проучиться на первых трех курсах физфака, где учат решать подобные задачи. Всего лишь несколько сотен задач, постепенно развивающих такое умение, – и нет проблем. Поверьте, это гораздо проще, чем, например, научиться определять растения на соседней лужайке: тут нужно освоить толстенную книгу – определитель.

Паркер написал свои уравнения на основании опыта и физической интуиции. Со временем выяснилось, что эти уравнения совершенно правильные – в рамках сделанных предположений, конечно.

Однако так, с помощью физической интуиции, далеко не уйти. Не все люди такие титаны мысли, как Паркер, а к тому же чем сложнее задача, тем труднее опираться лишь на интуицию. Нужен регулярный метод.

Такой метод появился совершенно независимо от Паркера через 10 лет после его работы: в 1965 г. он был описан в статье физиков из ГДР – Макса Штеенбека, Фрица Краузе и Карла-Хайнца Рэдлера. Статья на немецком была опубликована в малоизвестном журнале[13]. Более того, в заголовке статьи фигурирует довольно сложная формула, набранная для удобства готическим шрифтом. Такую работу не только трудно прочитать – трудно даже ссылку набрать в стандартном редакторе LaTex, в котором нужно набирать статьи по физике, так как готический шрифт приходится заменять обычной латиницей. Казалось бы, авторы сделали все для того, чтобы их статья не дошла до читателя. Тем не менее вскоре ее прочли и немедленно перевели на английский. Отчасти помогло то, что в это время в США работал немецкий физик Майкл Стикс, который легко справился с переводом. Но главное – тема была уж очень востребована.

Авторы знаменитой статьи были колоритными людьми, о которых стоит рассказать подробнее.

До Второй мировой войны Макс Штеенбек был ведущим физиком компании Siemens. Мы сейчас знаем этот бренд, например, по электрическим чайникам, а перед войной под ним все больше производили разную военную технику. Штеенбек, в частности, изобрел магнитную торпеду. Обычная торпеда взрывается в момент соприкосновения ее носа с корпусом корабля, то есть взрыв происходит вне корпуса. Поэтому повреждения бывают невелики. Взрыватель магнитной торпеды реагирует не на удар, а на электрический ток, который возникает из-за электромагнитной индукции при прохождении торпеды через борт корабля. Поэтому взрыв происходит уже внутри корабля, и разрушений гораздо больше.

Изобретение было реализовано и замечательно зарекомендовало себя на практике. Странным образом далеко не все, в особенности в Англии, обрадовались такому научному достижению. Поэтому после 1945 г. Штеенбеку пришлось провести 10 лет в специальном институте, который у нас принято называть шарашкой. Там он тоже, видимо, занимался, скажем так, не чистой наукой.