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

Этот ответ со временем перестает удовлетворять физиков. Скажу по секрету, сдачу в магазине люди тоже обычно пересчитывают, по крайней мере приблизительно. Истории о великих ученых вообще не стоит понимать слишком буквально.

Так откуда же все-таки берется это затравочное магнитное поле? Просматриваются два возможных ответа. Во-первых, условие электронейтральности все-таки не нужно понимать с унылой серьезностью как выполненное абсолютно точно. Небольшие нескомпенсированные заряды, безусловно, существуют. В проводящей среде возникает и что-то подобное электрическим батареям, течет очень слабый электрический ток, который создает слабое электрическое поле. Всего этого, кажется, хватает для создания начального магнитного поля. Оно растет со временем только степенным образом. Экспоненту так не сделаешь, но с этим справится уже динамо. Это более или менее очевидная и поэтому не такая привлекательная возможность.

Есть и другая возможность. Она, как говорил один мой однокурсник, ставший со временем известным физиком, увлекательно-завлекательная. Правда, обычно он так говорил, когда в жизни случалась какая-нибудь очередная гадость.

Так вот, почему бы этому начальному полю не появиться уже вместе с самой Вселенной? Такая космологическая природа магнитного поля – интересная возможность. И конечно, теоретики не упустили ее из виду. Действительно, в самой ранней Вселенной образуются самые разнообразные элементарные частицы, из которых потом строятся все остальные тела. С точки зрения физики элементарных частиц магнитное поле можно – с некоторым напряжением – рассматривать как особую частицу. Так что рождается и она.

Не стоит говорить обо всех перипетиях истории магнитного поля в ранней Вселенной. Расскажем только про один эпизод. Оказывается, в мире элементарных частиц само собой происходит нарушение зеркальной симметрии. Частицы бывают правые и левые, то есть у них ненулевая спиральность. Некоторые реакции с частицами идут по-разному в зависимости от спиральности. Этот факт в 50-е гг. прошлого века был обнаружен экспериментально на ускорителях элементарных частиц. Это была совершенно невероятная сенсация.

Много лет никто особенно не обращал внимания на то, что спиральность в мире элементарных частиц очень похожа на те спиральные, циклонические потоки, о которых в это же самое время в первых работах о солнечном динамо говорил Юджин Паркер[19].

Сейчас специалисты по теории динамо с удовольствием разрабатывают этот параллелизм, сравнивая происходящее в микромире и в астрофизике. Не буду настаивать, что именно это обстоятельство является ключом к пониманию природы затравочного магнитного поля, но сама картина получается красивая.

Еще одной областью, где эти идеи могут найти применение, является вопрос о магнитных полях нейтронных звезд. Эти звезды до какой-то степени можно рассматривать как исполинские атомные ядра, в которых практически все протоны соединились с электронами в нейтроны. Наблюдатели настаивают, что в таких звездах встречаются магнитные поля тоже исполинской напряженности. Динамо, основанное на зеркальной асимметрии, происходящей из мира элементарных частиц, позволяет понять природу таких магнитных полей.

Пока я сижу в самоизоляции, я не только пишу эту книгу, но и прочитал корректуру статьи на эту тему, которую написал со своими друзьями-соавторами (в частности, с В. Б. Семикозом) и которая публикуется в американском журнале Physical Review[20].

Глава 5

От космического магнетизма к другим областям физики

Космический магнетизм интересен и сам по себе, но от него перекидываются мостики к другим самым различным областям современной физики. Было бы обидно не поговорить и о них.

1. Динамо-эксперименты

Во времена моего студенчества важнейшей частью нашей жизни был праздник Архимеда. До наших дней он дошел как День физика и в той или иной степени инкорпорировался в череду различных профессиональных праздников – от Дня рыбака до Дня геолога. В этом, наверное, есть своя логика, но что-то дорогое для моего поколения при этом потерялось. Мне, например, трудно себе представить, чтобы на день Архимеда строительные рабочие собирали специальную сцену. Но у каждого времени свои праздники.

Так вот, на одном из «архимедов» в художественной форме обсуждался вопрос о том, что такое физика – наука теоретическая или экспериментальная? В проекции на астрофизику к этому противопоставлению добавляется еще наука наблюдательная. За разными шутками на эту тему, которые тогда казались нам безумно смелыми и смешными, встает действительно важный вопрос: может ли область физики развиваться вообще без всякого эксперимента? Если бы не известная любовь физиков к философским вопросам, я бы даже взял на себя смелость так его и назвать.

Оставим поиски общих ответов более продвинутым людям, а вот специалистам в области динамо всегда казалось очевидным, что очень неплохо было бы поддержать теорию не только наблюдениями, но и экспериментом. Раньше я считал, что в силу очевидности специально аргументировать это не нужно. Однако недавно один из рецензентов на статью, в которой выводы теории сравнивались с экспериментом, написал-таки, что не понимает, кому и зачем нужны динамо-эксперименты.

Придется ответить. Конечно, ни один вменяемый человек не собирается строить действующую модель Солнца или спиральной галактики – это не нужно и невозможно. Но воспроизвести в лаборатории ключевые моменты динамо очень желательно – уж очень отличается мир динамо от мира повседневной жизни, и нельзя полагаться только на теорию.

Пожалуй, первым в практической плоскости поставил задачу о лабораторном динамо Макс Штеенбек, который в середине 60-х гг. прошлого века стал договариваться с рижскими физиками о проведении в Саласпилсе под Ригой совместного эксперимента. Эта идея потребовала для своей реализации 35 лет. За это время сменились как минимум два поколения команды экспериментаторов. Лидерами эксперимента последовательно были Ольгертс Лиелаусис и Агрис Гайлитис. (По аналогии с литовским языком и по сообщению известного балетмейстера Андриса Лепы, фамилия которого значит «липа» и которого по-русски принято называть Лиепой, думаю, что и в первой фамилии дифтонг ie правильнее передавать по-русски как е, но точно не знаю.) Рижские физики сначала работали в тесном контакте с физиками ГДР, потом больше отдельно, потом распался СССР, и физики независимой Латвии стали работать вместе с физиками объединенной Германии (когда пишешь об этой истории, приходится выбирать выражения). Так или иначе, в последнем ноябре прошлого тысячелетия в Саласпилсе удалось получить самовозбуждение магнитного поля в динамо-эксперименте. Через две недели самовозбуждение получили конкуренты из чисто немецкой команды в городе Карлсруэ. Обе команды были связаны многолетними контактами, которые совершенно не относились к области простых отношений дружбы или конкуренции.