Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы
Почему авроральный овал то стягивается к магнитному полюсу, то, наоборот, растягивается, сползая в более низкие широты? Почему сияния в овале то слабые, малозаметные, то мощные и яркие? Довольно часто отдельные формы сияний плывут как целое по небу. Куда плывут они и почему? Ясно, что все зависит от космической обстановки. Что же определяет эту обстановку? Гипотеза Данжи дает на эти вопросы однозначный и неожиданный ответ.
Итак, представим себе, что мы имеем дело с текучим проводником (жидким или газообразным; и то и другое физики для краткости называют «жидким» проводником). Когда по такому проводнику идет ток, то движение его, равно как и распределение магнитного поля в нем, может оказаться очень сложным: ведь это движение проводника в магнитном поле, и наш проводник выступает одновременно и в роли электромотора, и в роли генератора тока. В земных установках (электромоторах и динамо–машинах) все гораздо проще. Мы заранее знаем, будет ли наше устройство работать как мотор или как генератор. Иными словами, всегда можем судить, что первично, что вторично: будет ли ток заставлять двигаться якорь с обмоткой или движение будет создавать ток.
Но плазма, наша «жидкость», — это сплошная аморфная масса, в которой одна часть «неучтенным» образом влияет на другую.
Казалось бы, разобраться в поведении такого проводника очень трудно. Однако дело сильно упрощается, если сопротивление проводника настолько мало, что проводник можно считать идеальным. Внутри такого проводника электродвижущая сила должна, очевидно, отсутствовать, иначе По проводнику шел бы бесконечно большой ток, чего в природе не бывает даже в сверхпроводниках. Из школьного курса физики мы знаем, что электродвижущая сила не возникает, когда нет движения проводника поперек магнитного поля. Это означает, что в идеальном проводнике движение и магнитное поле автоматически так согласуются друг с. другом, что в процессе движения нет перемещения вещества поперек магнитного поля: совершая свое даже сложное движение, проводящее вещество не пересекает его силовые линии. Если бы мы в некоторый момент подкрасили такой жидкий проводник вдоль какой–либо одной силовой линии, то потом, наблюдая, за течением, мы бы увидели, что подкрашенная линия в потоке движется и изгибается. Но стоит поместить маленькую магнитную стрелку в любую точку подкрашенной жидкости, как эта магнитная стрелочка тут же повернется и встанет в направлении подкрашенной линии. Наша подкрашенная линия, как бы ее ни изогнул поток, продолжает оставаться силовой линией! (Конечно, в реальном жидком хорошем проводнике стрелочка, помещенная на подкрашенную линию, уже не будет указывать точно ее направление, отклонение от него будет тем значительнее, чем меньше взятый нами проводник похож на идеальный.) Таким образом, силовые линии остаются как бы вклеенными в идеальный проводник и движутся вместе с ним подобно ниткам, попавшим в густой текучий клейстер. Физики называют эту согласованность с движением «вмороженностью» силовых линий, хотя сказать «вклеенность» было бы точнее. Опираясь на это свойство идеальных проводников (его можно выявить и на основе точных уравнений физики), удается просто и наглядно расшифровать по движению вещества характер магнитного поля в нем и, наоборот, по виду силовых линий магнитного поля в жидком проводнике сказать, каким будет движение этого проводника.
Концепция Данжи и есть такая расшифровка явлений в околоземном пространстве.
Рецепт расшифровки несложен. Но это простота использования. Просто включить домашний холодильник, но так ли уж многие из включающих знают принцип его устройства? Вертит человек в руках кубик Рубика. Сделать его грани одноцветными — это одна задача, задача использования; сообразить, как он устроен, — другая; придумать такое — третья. Степень сложности разная. Мы скажем здесь об идейных корнях концепции Данжи. Они касаются одной из самых серьезных философских проблем современной физики — проблемы дуализма полей и частиц. Здесь ясности я обещать не могу. Но, остановившись на этом, мы вернемся потом к нашей «ясной» проблеме использования — расшифровке.
В 1873 году вышел в свет знаменитый труд Дж. Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». Он обобщал все известные факты электродинамики. Наблюдения заряженных тел, токов, соображения о реальности электрических и магнитных полей, их изменения в пространстве и во времени — все это огромное и разнообразное Нечто свелось в Ничто — несколько простых по форме математических уравнений. Исследование этих уравнений открывало незамеченные еще свойства реальных явлений.
Из уравнений Максвелла следует, что в магнитном поле есть внутренние натяжения: его силовые линии ведут себя подобно натянутым резиновым нитям, они стремятся уменьшить свою длину, а пучок их — стать толще, расправиться. Правда, у пучка резинок есть какая–то естественная для него длина и толщина, у пучка магнитных силовых линий этого нет: он всегда стремится уменьшить свою длину и увеличить толщину. Если же магнитное поле не меняется со временем, то это потому только, что его силовые линии не дают друг другу вести себя, «как им хочется».
Наличие такой проблемы — дуализма полей и частиц — видно уже вот откуда. В школе всем показывали опыт: на два проводника с токами, текущими в одну сторону, действует сила, сближающая их. Если мы обратим внимание на магнитные поля, окружающие эту пару токов, то заметим, что при сближении проводников поле между ними становится слабее, а поле снаружи от них — сильнее. Так отчего сближаются проводники? Токи — движущиеся частицы — притягиваются или наружное магнитное поле, стремясь расправить пучки своих силовых линий (мы помним, что силовые линии надо проводить тем гуще, чем сильнее поле), сближает проводники? Желающие могут специально поломать голову над этим или обратиться к литературе по философии физики. Для нас же сейчас важно, что результат — сближение проводников, как его ни понимай, — оказывается всегда одним и тем же и совпадает с показанным нам в школе опытом.
Итак, силовые линии расталкиваются, когда их «слишком много», и стараются сократиться.
Мы уже говорили, что в идеально проводящей плазме магнитные силовые линии «вморожены» в вещество. Очевидно, об этом же самом свойстве можно сказать и так: вещество приклеено к силовым линиям магнитного поля. Еще мы говорили, что силовая линия всегда, когда есть возможность, стремится сократить свою длину. Вместе эти два утверждения означают, что в ситуациях, когда «вмороженная» силовая линия магнитного поля может сокращаться, она заставит вещество двигаться подобно стреле, которую толкает только что спущенная тетива лука.
Но мы уже отмечали, что абсолютная «вмороженность» силовых линий — это свойство идеальных проводников, реальные проводники если и похожи на идеальные, то лишь приближенно: силовые линии в них не наглухо скреплены с веществом. Такой реальный хороший проводник в общем движется вместе с силовыми линиями, но силовые линии постепенно смещаются относительно вещества.
Можно представить себе случай, когда, как в жизни, идеальность и слабая неидеальность работают друг на друга.
Тогда можно ожидать чудес.
Итак, раз!
Благодаря идеальности силовые линии движутся вместе с веществом, и может случиться так, что в некоторой области соприкоснутся семейства противоположно направленных силовых линий (рис. 4, а) Образовать, например, что–то вроде рукописной буквы X из магнитных силовых линий (в физике эта область соприкосновения так и называется: «точка икс»). Допустим, левая часть этой буквы — силовая линия, направленная вверх, правая — вниз, а сама буква — высокая и узкая.
Рис. 4. Пересоединение противоположно направленных магнитных силовых линий: а — пересоединение не началось, б — пересоединение происходит
Два!
Поскольку силовые линии неидеальны, они могут пересоединиться: объединятся между собой «куски» силовых линий, составляющих верхнюю часть буквы X, и отдельно «куски», составляющие ее нижнюю часть (рис. 4, б). Согласитесь, что для этого немного нужно: изменения могут даже не затрагивать весь поток, достаточно лишь, если в «талии» буквы X линии слегка сдвинутся относительно вещества. Теперь верхняя и нижняя половины буквы X будут как две оттянутые тетивы луков.
Три!
Линии–тетивы стремятся сократиться и (снова благодаря идеальности) выбросить плазму вверх и вниз. Когда это произойдет, мы получим дополнительный, обусловленный энергией магнитного поля, поток вещества из Х=точки.
Вот и все чудо.
То, что оно состоялось, видно из контрольной ситуации: возникло положение «раз», но левая и правая поло–вины X теперь образованы одинаково направленными силовыми линиями. Допустим, обе линии направлены вверх (рис. 5). Верхняя и нижняя половины X теперь состоят из противоположно направленных кусков силовых линий, и никакая неидеальность не поможет противоположно направленным кускам стать одной силовой линией: вдоль силовой линии магнитное поле всегда направлено в одну сторону. Обязано! Так что к пункту «два» в этом случае перейти нельзя.
