Дмитрий Соколов - Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма [litres]

Итак, мы интересуемся тем, что происходит при больших магнитных числах Рейнольдса. Эта область физики представляет собой особый, специфический мир, в котором все не так, как в том, что нам привычен и знаком по каждодневному жизненному опыту. Ситуация такая же, как, скажем, с теорией относительности. Когда мы думаем о бытовых проблемах, нам кажется диким абсурдом мысль о том, что возраст человека существенно зависит от того, с какой скоростью он ездит с работы и на работу на машине. В релятивистской же физике это известный эффект, который хорошо работает для элементарных частиц. Среди космических лучей, достигающих поверхности Земли, есть частицы, которые образовались в верхних слоях атмосферы и которые так быстро распадаются, что никак не могли бы достичь поверхности Земли, если бы не релятивистское замедление времени.

Получается, что физика предлагает не одну точную, полную и непротиворечивую картину окружающего нас мира, а целый набор частных картин, а лучше сказать – моделей, которые описывают определенные фрагменты мира. На границах этих картин описания не совсем согласуются друг с другом. Например, мы описываем распространение тепла с помощью уравнения теплопроводности. Это уравнение формально говорит, что тепло может распространяться с бесконечно большой скоростью. Правда, в таком случае речь идет о ничтожно малом количестве тепла, но все равно это, строго говоря, несовместимо с представлениями специальной теории относительности, которая утверждает, скорость света – максимальная скорость распространения.

Разумеется, можно немножко подправить уравнение теплопроводности, чтобы исключить этот нефизический эффект. Цена за это будет высокая: уравнения станут гораздо сложнее, в них появятся величины, которые непонятно чему равны. Не то чтобы этого вообще не нужно было делать, но уж определенно не при первоначальном анализе проблемы.

Приходится мириться с тем, что физика совсем не такая точная, выверенная и последовательная наука, какой мы ее хотели бы видеть. Об этом студентам ненавязчиво рассказывают на лекциях по уравнениям математической физики.

Физика осознала ограниченность своих возможностей не очень давно. Когда читаешь первые попытки построить физическую картину мира в трудах Аристотеля, то очень ясно видно, что ему не хватает понимания именно этой стороны вопроса. Он прекрасно владеет логикой, хорошо видит все темные места рассуждений. Из-за этого мысль буксует и не может двигаться дальше.

Видимо, такая ограниченность свойственна не только физике. Например, литературоведы говорят о художественном мире. Писатель не может буквально и во всех деталях описывать реальность и описывает вместо этого ее модель – художественный мир. Писатель отличается от графомана прежде всего тем, что у него есть интересный для читателя художественный мир, а у графомана он бедный и неинтересный, а может быть, его нет вовсе. Про художественный мир ярко и образно рассказано в замечательной книге «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких, которым удалось нарисовать удивительно правдивую картину науки времен моей молодости.

Физики, как правило, сильно недолюбливают философов. Прежде всего за то, что, оперируя образами повседневной жизни, философы (безусловно, не все – некоторые счастливо избегают этих тем) любят рассуждать о недостатках физических теорий. Про это много и убедительно говорил в знаменитых «Фейнмановских лекциях по физике» Ричард Фейнман [8] Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. В 9 т. – М.: Мир, 1966. . Однако был философ, который проанализировал эту проблему и разъяснил ее интересующимся. Это, конечно, Иммануил Кант [9] Кант И. Критика чистого разума. – М.: Мысль, 1994 (Философское наследие. Т. 118). .

Сейчас трудно себе представить потрясение, которое испытало мыслящее сообщество от идей Канта. Первыми его, естественно, прочитали соотечественники. Великий немецкий драматург Генрих фон Клейст (а не его родственник Эвальд, о котором писал Мандельштам), прочитав Канта, заполнил обсуждением его идей все письма к своей невесте Вильгельмине фон Ценге. Помолвка, понятно, распалась. Наверное, к счастью для Вильгельмины, поскольку ее жених в конце концов застрелился вместе со своей новой невестой. Почитайте, это шедевр немецкой прозы. Заодно и немецкий язык выучите. Если поедете в Потсдам, осмотрите и место самоубийства. Очень романтическая история.

Теперь мы уже привыкли к идеям Канта, так что нам не до самоубийств, но на практике каждый раз создание картины, описывающей мир с новой стороны (в нашем случае – мир больших магнитных чисел Рейнольдса), – это настоящее потрясение.

Нам предстоит разобраться в очень сложной задаче. Давайте начнем с ее самой простой и понятной части – обсудим, почему люди могут пользоваться духами. Мне кажется, что многие из вас в жизни сталкивались с духами. Если сами не пользовались парфюмерией, то уж ваши подруги и знакомые – точно.

Духи – вещь достаточно дорогая. Существенно дороже спирта или водки. Есть у духов и гигиеническое действие, но проще и гораздо дешевле использовать для этой цели просто спирт, например в форме водки. Видимо, все-таки главное в духах – их эстетическая функция. По преданию, Наполеон писал Жозефине Богарне: «Милая, приеду через месяц, не мойся!» – естественно, чтобы ничто из многочисленных ароматов от всевозможных благовоний не пропало.

Но как же потенциальные потребители запахов могут их почувствовать? Для этого ароматические составляющие духов как-то должны достичь носа. Коэффициент диффузии паров спирта в воздухе указан в справочниках, размеры комнат известны из повседневного опыта, тому, как решать уравнение теплопроводности, которое заодно является и уравнением распространения примеси, учат на лекциях по методам математической физики. Несложный подсчет (там нужны все-таки кое-какие формулы) показывает, что результаты относительно времени получаются ошарашивающие. Прекрасной даме нужно ждать чуть ли не неделю, пока запах ее духов распространится по комнате. А если оценить, сколько нужно ждать, пока вскипит вода в чайнике на плите, то станет ясно, что от горячего чая придется отказаться.

Очевидно, в этих расчетах что-то не так. Мы не учли какой-то физический процесс, который и определяет перенос примесей и температуры в газах и жидкостях, – и, конечно, это адвекция. Если не прилагать специальных усилий, то в самой спокойной комнате воздух не находится в полном покое. Когда прекрасная дама входит в комнату, то возникают потоки воздуха, которые и переносят примеси, а с ними и запахи.