Книга Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов

Прошло лет двадцать, и люди научились определять угловую скорость вращения внутри Солнца. Оказалось, что Солнце вращается сложным образом, так что знак дифференциального вращения вблизи экватора противоположен ожидаемому. Теоретики подумали еще лет десять – и объяснили, почему в формуле Краузе для Солнца нужно поменять знак, но не будем сейчас объяснять ход их мысли. Вновь стали говорить о триумфе теории.

По этому поводу опять хочется рассказать две истории.

Одно из первых объяснений неожиданного знака альфы на Солнце предложил украинский астроном В. Н. Криводубский. Меня пригласили быть оппонентом на его диссертации. По существующему положению защита проходила на украинском языке, хотя отзыв можно было писать по-русски. Все было в общих чертах понятно, хотя далеко не во всех деталях. Организаторы защиты места себе не находили и все время извинялись передо мной за то, что мне так приходится страдать из-за непонятного мне языка. Предлагали переводчика. Пришлось успокоить их и заверить, что в поездках с женой в Литву мне много раз доводилось слушать разговоры на малопонятном языке, а украинский язык намного ближе к русскому, чем литовский.

Вторая история – про известного отечественного физика Я. И. Френкеля. Однажды сотрудник в коридоре показал ему новый экспериментальный график. Френкель немедленно объяснил его вид, но выяснилось, что график второпях перевернули вверх ногами. Френкель подумал минуту и дал еще лучшее объяснение. Что-то знакомое, не правда ли?

Кроме направления распространения динамо-волн, хотелось бы объяснить и длину солнечного цикла. Она определяется, естественно, частотой колебаний магнитного поля. Самая простая оценка, сделанная на основании формулы Краузе, дала длину цикла примерно в один год вместо 11 лет. Хорошо это или плохо? С одной стороны, очень неплохо. Представим себе, что мы пойдем на ближайшую свалку невостребованных радиодеталей и подберем там резистор, конденсатор и катушку индуктивности без заводских маркировок. Соберем из них колебательный контур. Если нам на основании внешнего осмотра деталей и теоретических соображений удастся предсказать его частоту с точностью до десяти – это будет триумф теории (если, конечно, мы не эксперты во внешнем виде радиодеталей). С другой стороны, несколько десятилетий теоретикам никак не удавалось подогнать параметры модели солнечного динамо так, чтобы получилась правильная длительность цикла.

В итоге теории пришлось учесть много второстепенных эффектов, чтобы в моделях постепенно стали получаться реалистические длины циклов. Безусловно, это успех теории, хотя до полного счастья еще далеко.

В галактических дисках оказалось важным направление градиента угловой скорости. Наблюдения говорят нам, что угловая скорость изменяется с расстоянием от центра диска, а с расстоянием от центральной плоскости диска она практически не меняется. Оказывается, этим диски существенно отличаются от сферических оболочек. Кривизна оболочки существенна, но не является главным. Так вот, в дисках возбуждается монотонно растущее магнитное поле. Оно возбуждается лишь при одном знаке динамо-числа, причем именно при том, который предсказывается формулой Краузе. Так что здесь пока концы с концами сходятся.

Про геомагнитное поле мы поговорим немного позже, а пока обратим внимание на следующее: до сих пор мы рассуждали о том, как растет магнитное поле. Здравый смысл подсказывает, что такой рост не может продолжаться очень долго. Очевидно, что в Солнце рост магнитного поля уже давно остановился: совершенно не заметно, чтобы амплитуда каждого следующего цикла солнечной активности была больше амплитуды предыдущего. Вероятно, деятельность солнечного динамо подавлена какими-то физическими процессами, так что оно только поддерживает амплитуду цикла.

Значит, пришло время поговорить о нелинейных моделях динамо.

9. Нелинейное динамо

Конечно, все специалисты по динамо понимали, что кинематическая постановка задачи, в которой течения среды считаются заданными, – только первый шаг на пути исследований. Он позволяет говорить о том, что мы в самых общих чертах нащупали решение проблемы. Чтобы по-настоящему описать то, что происходит в конкретных небесных телах, нужно учитывать, как магнитная сила влияет на течения и как в результате этого останавливается экспоненциальный рост магнитного поля. Тогда можно будет говорить о напряженности магнитного поля, которая предсказывается теорией, о детальном сравнении теории и наблюдений и т. п.

Существует два пути для решения этой амбициозной задачи. Можно добавить магнитную силу в уравнения гидродинамики и как можно лучше решать самую полную систему уравнений, которая описывает движения среды и поведение в ней магнитного поля. В такой общей и прямолинейной постановке эта задача очень трудная и в полном объеме недоступная для решения. Трудности самые разные: например, движения среды в галактиках определяются не только хорошо знакомыми нам по лабораторной физике и повседневной жизни факторами, но и не очень понятной темной материей, о природе которой спорят астрофизики и специалисты по физике элементарных частиц. В перспективе просматривается и вопрос о темной энергии. Очень хотелось бы избежать необходимости объяснять не совсем понятное через совершенно неизвестное. Хватает проблем и в физике Солнца. Мы не так хорошо знаем, что именно происходит в его недрах.

Чисто вычислительные, компьютерные трудности решения подобных задач тоже поражают воображение. Тем не менее специалисты по вычислительной физике год от года отвоевывают все новые плацдармы в этой сложной области. Однако главная трудность такого подхода даже не в этом. Действуя таким прямолинейным, силовым методом, часто можно получить правдоподобный ответ, воспроизвести то, что известно из наблюдений. Гораздо труднее понять, почему получается то, что получается. В целом можно сказать, что на новом уровне сложности воспроизводится проблема, которая во второй половине XIX в. привела к разделению физики на экспериментальную и теоретическую. Только вместо лабораторного эксперимента приходится говорить о численном эксперименте.

Что же могут предложить специалисты по теоретической физике для задач нелинейного динамо? Первая мысль, которая приходит тут в голову: не описывать задачу во всех деталях, а опереться на какое-нибудь балансное соображение. Такие соображения берут за основу простые бытовые идеи. Например, я с удовольствием повторил бы достижения П. М. Третьякова и С. И. Щукина и занялся бы коллекционированием живописи. Возможно, у меня даже хватило бы для такого занятия художественного вкуса – чем я, в конце концов, хуже Сергея Ивановича? Останавливает одно обстоятельство: мои финансовые возможности несравненно меньше возможностей этих великих коллекционеров. Примерно та же логика в рассуждениях физиков-теоретиков, предлагающих механизмы подавления различных неустойчивостей.

Второе соображение, на которое опирается здесь теоретик, моему поколению преподавали в печальной памяти курсе истории КПСС. В нем подробно рассказывалось об одной дискуссии в этой партии: В. И. Ленин якобы объяснял Н. И. Бухарину, что нужно ухватиться за слабое звено в цепи и так решить занимавшую их (не помню точно какую) проблему. Избегая общей оценки этой дискуссии и выяснения того, кто из спорщиков был ближе к истине (допустим, как сказал один из них, оба были хуже), подтверждаю, что совет про слабое звено очень хороший.