Джеймс Глик - Хаос. Создание новой науки

Либхабер, чья незаурядность никогда не подвергалась сомнению, быстро достиг успехов в мире французской академической науки. Иногда коллеги считали его немного сумасшедшим: еврей-мистик в стане рационалистов, сторонник де Голля, затесавшийся в ряды прокоммунистически настроенного большинства. Его вера в теорию о решающей роли выдающейся личности в истории, одержимость творчеством Гёте и страсть к старым фолиантам не раз служили предметом для шуток. Коллекция Либхабера включала сотни оригинальных научных изданий, причем некоторые из них датировались XVII веком. Для ученого это не были исторические диковинки – из своего собрания он черпал свежие идеи о природе реальности, той, которую он исследовал с помощью лазеров и высокотехнологичных криогенных установок. В своем ассистенте, французском инженере Жане Море, который принимался за работу, только если она ему нравилась, ученый обрел родственную душу. Либхабер полагал, что помощник находит его проект занятным (этот эвфемизм нередко заменяет ироничным галлам определения «интригующий», «захватывающий» или «глубокий»). В 1977 году они приступили к опыту, призванному, по замыслу исследователей, разъяснить природу порога турбулентности.

Как экспериментатор Либхабер был известен своей приверженностью к традициям XIX века: острый ум, ловкие руки, торжество изобретательности над грубой силой. Ему не нравились громоздкое лабораторное оборудование и чересчур сложные вычисления. Его представление о качественном опыте походило на идею хорошего доказательства в математике: изящество ценилось столь же высоко, как и суть полученного результата. Но все же, по мнению некоторых коллег, в своем эксперименте с порогом турбулентности ученый зашел слишком далеко: плод его трудов оказался настолько крошечным, что свободно помещался в спичечном коробке, в котором его и таскал иногда Либхабер, словно шедевр концептуального искусства. Он называл его «гелием в маленькой коробочке» [254]. Главная деталь экспериментальной установки – ячейка из нержавеющей стали с отточенными краями и тончайшими стенками – была и того меньше, размером с лимонное зернышко. В нее подавался жидкий гелий, охлажденный до температуры примерно в четыре градуса выше абсолютного нуля – теплый по сравнению с прошлыми экспериментами со сверхтекучестью.

Лаборатория Либхабера занимала второй этаж здания физического факультета Высшей нормальной школы в Париже [255]. Всего несколько сотен футов отделяло ее от того места, где когда-то работал Луи Пастер. Как и во всякой хорошей физической лаборатории, где можно провести практически любой эксперимент, там царил вечный кавардак: на полу и на столах громоздились банки с краской, повсюду валялись инструменты, куски металла и пластика необычной формы и непонятного назначения. Но даже среди этого беспорядка прибор с крохотной жидкостной камерой выглядел весьма впечатляюще: внизу, под ячейкой из нержавеющей стали, лежала пластина чистейшей меди, сверху – другая, сапфировая. Эти материалы были выбраны ученым в силу их теплопроводности. В опыте задействовались миниатюрные электронагревательные спирали и тефлоновые прокладки. Жидкий гелий тек вниз из резервуара, представлявшего собой куб со стороной в полдюйма. Все вместе располагалось в небольшом контейнере, внутри которого поддерживался высочайший вакуум. Сам контейнер, в свою очередь, был погружен в емкость с жидким азотом, что помогало стабилизировать температуру.

Либхабера всегда беспокоили вибрации. В ход эксперимента, как и в поведение реальных нелинейных систем, постоянно вмешивались шумы, которые затрудняли измерения и искажали данные. В чувствительном потоке – а ученый постарался сделать его максимально восприимчивым – помехи быстро создавали возмущения в нелинейном течении, вызывая переход от одного типа поведения к другому. Но нелинейность способна как стабилизировать систему, так и расстроить ее; нелинейная «обратная связь» регулирует движение, делая его более устойчивым, а в линейной системе эффект возмущений фиксирован. В условиях нелинейности возмущения могут подпитывать сами себя до тех пор, пока не затухнут и система автоматически не возвратится в устойчивое состояние. Либхабер считал, что нелинейность используется биологическими системами для защиты от помех: переносящие энергию белки, волновые электрические импульсы в сердце, нервная система – все они сохраняют гибкость в мире шумов. Ученый надеялся, что, какая бы структура ни скрывалась внутри потока жидкости, она окажется достаточно стойкой, чтобы ее можно было заметить в ходе эксперимента.

Либхабер задумал возбудить конвекцию в жидком гелии: сделать так, чтобы нижняя пластина оказалась теплее верхней. Эксперимент в точности повторял опыт, описанный в свое время Эдвардом Лоренцем, – классическую схему, известную как модель конвекции Рэлея – Бенара. Но Либхабер тогда еще не знал о Лоренце. Не имел он понятия и о теории Митчелла Фейгенбаума. В 1977 году Фейгенбаум отправился в лекционное турне, и его открытие заставляло говорить о нем повсюду, где ученые знали, как его интерпретировать. Однако, насколько могло судить большинство физиков, опыты Фейгенбаума и открытые им закономерности не обнаруживали очевидной связи с реальными системами. Эти открытия были сделаны с помощью вычислительной машины. Физические же системы были бесконечно сложнее. В отсутствие дополнительных доказательств самое большее, что можно было сказать, – это что Фейгенбаум открыл математическую аналогию, похожую на зарождение турбулентности.

Либхабер знал про опыты американских и французских ученых, которые существенно ослабили позиции теории Ландау о пороге турбулентности, продемонстрировав, что та возникает не в результате непрерывного наложения различных частот, а при внезапном переходе. Джерри Голлаб, Гарри Суинни и другие исследователи, проведя эксперименты с потоком жидкости во вращающемся цилиндре, выявили необходимость в новой теории, однако им не удалось разглядеть переход к хаосу во всех деталях. Либхабер понимал, что в лабораторных условиях четкий образ порога турбулентности еще не был получен, и надеялся, что частичка жидкости в сконструированной им ячейке даст более ясную картину этого явления.

«Гелий в маленькой коробочке». Искусный эксперимент Альберта Либхабера: в самом сердце системы располагалась тщательно сконструированная прямоугольная ячейка с жидким гелием внутри; крошечные сапфировые болометры измеряли температуру жидкости. Миниатюрная ячейка была помещена в контейнер, призванный защитить ее от посторонних шумов и вибраций и обеспечить точность замеров при нагревании.