Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

возникновения. Так, например, еще до открытия первых странных аттракторов удалось заставить лазеры работать в беспичковом регулярном режиме. Удалось обеспечить крайне высокую стабильность периода колебаний кварцевых генераторов, самые простые из которых работают в кварцевых часах. Погрешность хода таких часов обычно не превосходит одной секунды в сутки и вызывается не возникновением странного аттрактора, а влиянием изменений внешней температуры на сложную электронную микросхему этих часов.

Но есть области, где воспрепятствовать рождению странных аттракторов невозможно. Эти области — атмосфера и океан. Здесь не хватает не только знаний, но и энергии. Запасы энергии в атмосфере и в океанах столь велики, что управлять ими, особенно не владея их секретами, невозможно. Максимум, что пока удается сделать, — это вызывать локальные дожди и предотвращать град, временно рассеивать небольшие участки облачности и… хотелось написать — и предсказывать погоду, но… несмотря на помощь метеорологических спутников и самых больших ЭВМ, прогнозы погоды оставляют желать лучшего.

Метеорологи справедливо предъявляют претензии к физикам. В атмосфере и в океане всегда существует турбулентность, постоянно возникает и исчезает множество небольших и малых вихрей, а спутники обнаруживают большие и даже гигантские вихри — циклоны, резко выделяющиеся своей более или менее спиралевидной облачностью. Крупные циклоны и антициклоны живут достаточно долго и перемещаются сравнительно плавно. Поэтому для областей, расположенных внутри циклона или антициклона, метеорологи могут предсказывать погоду столь же надежно, как это делали наши деды, опиравшиеся не на науку, а на опыт. Завтра, говорили они, почти наверняка будет такая же погода, как сегодня. Деды не знали о циклонах и антициклонах, поэтому ошибались, когда оказывались там, где соприкасается зона циклона с зоной антициклона. В этих пограничных зонах — метеорологи называют их атмосферными фронтами — прогноз погоды особенно ненадежен. Бессильны и деды. Как им знать, развеет ли сильный ветер густую облачность или принесет грозовые облака зимой снегопад или снег с дождем, вызывающим сильны оледенения? В этих случаях ошибаются и опытные метеорологи. Здесь бессильны ЭВМ. В пограничных областях всегда дуют сильные ветры и существует сильная турбулентность, хаотические неупорядоченные атмосферные течения. Совершенно бессильны метеорологи и тогда, когда в таких турбулентных зонах внезапно возникают разрушительные смерчи, сравнительно небольшие по размерам — диаметром в десятки и сотни метров — бешено вращающиеся вихри, втягивающие и поднимающие воду и почву, людей и животных, автомобили и дома, ломающие деревья и опоры линий электропередач. Наибольшее, что доступно метеорологам, — это дать общее предупреждение: здесь возможно возникновение смерчей. Но они не могут указать, где и когда те возникнут и куда двинутся. Остается лишь радоваться, когда предупреждение не сбывается.

Современные физики и метеорологи опасаются того, что загадка атмосферной турбулентности перейдет в наследство тем, кто еще сидит на школьной парте или играет в детских яслях.

Солитоны

Нелинейная теория сражается и с другой загадкой. Речь идет о поразительно устойчивых образованиях, иногда возникающих и длительно существующих в средах, обладающих нелинейными свойствами, например в плазме. В 1958 году советский физик Р. 3. Сагдеев усмотрел аналогию между некоторыми типами волн в плазме и волнами на мелкой воде. Он установил, что в плазме могут возникать и распространяться особые одиночные (уединенные) волны. Он разъяснил, что это является действием того, что плазма обладает нелинейными свойствами. Теперь с этим хорошо знакомы физики и конструкторы, проектирующие современные модели плазменных установок, таких, как «Токамак».

В 1965 году два американских физика, Н. Забуски и М Крускал, изучали нелинейные волны в плазме, моделируя их сложное поведение при помощи ЭВМ. Они знали о наблюдавшихся ранее в плазме необычных волнах. Их особенностью была способность существовать в одиночестве, при отсутствии других волн, и не изменять свою форму на протяжении длительного пути.

Ранее никто не интересовался тем, как две таких волны взаимодействуют одна с другой при их встрече. Такая встреча возможна не только при движении двух уединенных волн в противоположных направлениях, но и если одна из волн догоняет другую. Такой обгон возможен потому, что скорость уединенной волны, переносящей большую энергию, превосходит скорость меньшей волны.

ЭВМ показала Крускалу и Забуски, что уединенные волны при столкновении ведут себя подобно частицам. Поэтому они сочли, что название «уединенная волна» может повлечь к недоразумениям, и решили изъять из названия слово «волна».

Оставить в наименовании одно слово «уединенная» без подлежащего казалось неприемлемым. Тогда они решили вместо названия ввести термин, в котором объединились бы особенности объекта: его уединенность и его сходство с частицей. Так родился термин «солитрон». Начало его определяло свойство уединенности (петь соло, концерт для скрипки соло и т. п.). Вторая часть следовала принятым названиям микрочастиц. Например, электрон. Однако при написании статьи им стало известно, что слово «солитрон» занято. Такое название принадлежало одной из фирм. Чтобы избежать тяжбы о незаконном использовании «торговой марки», они в последний момент убрали из своего термина букву «р». Так родилось понятие «солитон»— уединенное образование, совмещающее свойства частицы со свойствами необычной волны.

Как это часто бывает в науке, оказалось, что С. Рассел, наблюдая в 1834 году волны при движении барж в одном из английских каналов, обнаружил удивительные уединенные волны, бегущие с постоянной скоростью и не изменяющие своей формы на больших расстояниях. Это была загадка, которую так и не удалось разгадать. Крупные ученые, пользовавшиеся всеобщим уважением, астроном Дж. Эри и специалист в области гидродинамики Д. Стоке отрицали возможность существования уединенных волн. Постепенно об этой загадке забыли. Лишь в 1895 году голландский ученый Д. И. Кортевег и его ученик Где Фриз, ставший позже школьным учителем и прекративший научную работу, получили уравнение, описывающее процессы, в которых участвуют уединенные волны, обнаруженные Расселом. Это уравнение постигла участь уединенных волн: о нем забыли. А лишь через семьдесят лет физики возвратили это уравнение и эти волны в арсенал науки.

Курьезом в науке оказалось и явление, которое каждый может увидеть, присмотревшись к поверхности очень горячего черного кофе. При этом чашку с кофе следует оберегать от толчков и потоков воздуха: они не играют роли в этом явлении, но могут помешать его появлению. На поверхности кофе через некоторое время установится подобие сетки, образованной большим количеством примыкающих один к другому шестиугольников. Надо заметить — дело не в кофе. Просто на черном фоне легче увидеть регулярное распределение зон, в которых из глубины на поверхность поднимается горячая жидкость, зон, над которыми образуется белесый пар.

Это один из вариантов ячеек Бенара, которые легче наблюдать в стоящем на электрической плитке неглубоком сосуде. Для того чтобы облегчить наблюдение, следует добавить в воду какой-либо