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

Когда пытаешься смотреть по телевизору бездарные псевдохудожественные сериалы о жизни научных работников, то спрашиваешь себя, почему бы им не снять кино об этой драматической истории. Ведь вырос же великий фильм «Девять дней одного года» на базе, в общем, не очень существенного и недолгого заблуждения авторов одного из экспериментов в ядерной физике!

Мне кажется, что решающим в успехе рижского эксперимента стала удачная идея Макса Штеенбека, выбравшего правильный путь к реализуемой схеме. Он справедливо решил, что нужно воспроизводить не непосредственно принадлежавшие ему идеи, а то, что попроще.

Мы уже говорили, что примерно в те же годы под Москвой в ИЗМИРАНе Пономаренко решил задачу по математической физике о поведении магнитного поля во вращающейся струе проводящей жидкости. В такой струе опять можно выделить два символических контура, которые своей взаимной индукцией дают самовозбуждение магнитного поля. Один контур представляет собой компоненту магнитного поля, перпендикулярную к оси струи. Угловая скорость в жидкой струе, естественно, меняется с радиусом. Пономаренко для простоты предполагал, что она меняется скачком. Из-за этого вмороженное в поток радиальное магнитное поле порождает компоненту магнитного поля, направленного по азимуту струи. Это примерно то же явление, что и порождение тороидального магнитного поля полоидальным в моделях, которые строил Штеенбек.

Для того чтобы динамо заработало, нужно как-то восстановить радиальное магнитное поле из азимутального. Ключевое наблюдение Пономаренко состоит в том, что диффузия магнитного поля все-таки не совсем то же самое, что и диффузия температуры. Они описываются похожими уравнениями только в декартовой системе координат, а в цилиндрических координатах в уравнении для радиального магнитного поля появляется член, связывающий ее с азимутальной компонентой. Вот что значит исправно ходить на лекции по математике в студенческие годы – там об этом факте рассказывают.

На этом и построено решение Пономаренко, которое Штеенбек предложил использовать. У динамо Пономаренко есть много чисто технических преимуществ, которые делают его гораздо более легким для реализации, чем более естественные с точки зрения астрофизики идеи, приходившие в голову Паркеру и Штеенбеку.

Все существующие сейчас лабораторные эксперименты по динамо в той или иной степени опираются на идеи Пономаренко, хотя их авторы по мере сил стремятся приблизить их к астрофизическим проблемам. Выдающихся результатов на этом пути достигли французские физики из Лиона под руководством Жана-Франсуа Пинтона. Не буду рассказывать в деталях, чем их установка отличалась от рижской установки, – это сейчас не очень важно. Важно то, что собранная установка вначале не давала динамо. Это, в общем, дело обычное. Редко кому удается сразу же добиться успеха.

Авторы эксперимента стали пробовать разные способы его улучшения. Пробовали, естественно, все, что приходило в голову и казалось реализуемым. Например, засунуть в установку кусок материала, известного под названием soft iron (буквально «мягкое железо», но не уверен, что по-русски нужно говорить именно так). У этого материала большая магнитная проницаемость. Это помогает дополнительно увеличить индукционные эффекты, так что предложение выглядело разумным.

Эффект превзошел все ожидания. Установка заработала, причем получилось не просто экспоненциально быстро растущее магнитное поле. Фаза роста, естественно, быстро сменялась нелинейной фазой с более или менее стационарным поведением магнитного поля.

Чрезвычайно важно, что, меняя не очень драматическим образом параметры установки, система смогла воспроизвести все основные режимы поведения магнитного поля в нелинейном динамо, которые известны по наблюдениям магнитного поля в различных небесных телах. Это, во-первых, стационарные колебания магнитного поля, как в солнечном цикле. Во-вторых, начальный рост, выходящий на стационарное значение магнитного поля, как в галактиках. Наконец, это длительные промежутки практически стационарного магнитного поля, которые сменяются очень быстрыми инверсиями его направления. Последовательность моментов этих инверсий удивительно напоминает (разумеется, в другом масштабе времени) последовательность инверсий геомагнитного поля, известную как шкала геомагнитной полярности.

Это значит, что все те режимы, о которых астрофизики догадывались на основании очень сложных наблюдений, – это не просто смелые фантазии. Такое подтверждение со стороны экспериментальной физики дорогого стоит, хотя, безусловно, никто не воспринимает установку в Лионе как действующую модель Солнца, Земли и Млечного Пути.

2. Явление перемежаемости

Несколько лет назад на всех заседаниях, на которых начальство рассказывало нам о текущей работе, успехах, недостатках и перспективах тех институтов и университетов, где мы работаем, возникала одна и та же картина. Докладчик говорит: «Средняя зарплата в нашей организации составляет столько-то». Люди в зале недоуменно переглядываются и перешептываются: «Где он видел людей с такими огромными зарплатами?» Переводя этот диалог в плоскость теоретической физики, приходишь к выводу, что среднее значение какой-то характеристики оказывается намного больше ее типичного значения. С точки зрения преподаваемых в школе основ статистической физики (они там известны как молекулярно-кинетическая теория газов) это полная дикость. Этого, как говорил классик, не может быть, потому что этого не может быть никогда.

Однако, как говорят герои мультфильма «Приключения капитана Врунгеля», «порой не верится, друзья, и все-таки бывает». Все дело в том, что в школе нам рассказывают о системах, находящихся в равновесии или близком к нему состоянии. Там действительно среднее значение случайной величины дает представление о типичных значениях, а среднеквадратичное отклонение – о том, насколько эти значения отклоняются от среднего.

Динамо занимается системами, очень далекими от равновесия. В них магнитное поле растет экспоненциально, подобно взрыву. При их изучении систематически возникают ситуации, когда средние, среднеквадратические и типичные значения всяких входящих в теорию величин начинают вести себя совсем по-разному.

Такое явление называется перемежаемостью. Слово пришло из медицины, где оно означает состояние, в котором пациент скорее жив, чем мертв. Печальная аналогия, но слово прижилось.

Явление перемежаемости встречается при развитии неустойчивостей в самых разнообразных системах с флуктуирующими, случайными параметрами, но динамо было одним из тех явлений, в котором сформировалось представление о перемежаемости.

3. Несколько слов о современных радиотелескопах

В популярных книгах любят рассказывать о том, как прогресс теории вызывает к жизни новые возможности наблюдений и эксперимента, а они, в свою очередь, помогают развивать теорию. Поговорим и об этом.

Для понимания магнитных полей галактик было бы очень интересно наблюдать магнитные поля не только ближайших, но и более удаленных галактик. Дело в том, что свет распространяется с конечной скоростью, поэтому, наблюдая все более удаленные галактики, мы видим их магнитные поля на все более ранней стадии эволюции галактик. Так можно составить представление не только о мгновенном состоянии магнитных полей галактик, но и об их динамике. Дело в том, что характерное время эволюции магнитных полей галактик меньше, но все же сопоставимо с их возрастом. Поэтому, наблюдая достаточно удаленные галактики, мы должны бы увидеть в них гораздо более слабые магнитные поля, чем сегодня. Интересно проверить это важное предсказание теории.