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

Казалось бы, в чем проблема? Перелицовка старых работ не кажется таким уж трудным занятием. И в самом деле, на эту тему уже написано довольно много работ, но вопрос все-таки еще далеко не так ясен, как для галактик. Не будем говорить обо всех возникающих в этом разделе теории динамо проблемах, достаточно двух примеров.

Спиральные галактики, по крайней мере ближайшие из них, хорошо видны в достаточно большой телескоп как протяженные объекты. Некоторые из них, например известная всем людям моего поколения по знаменитому когда-то роману И. А. Ефремова туманность Андромеды, видны на небе невооруженным глазом. Очень многие их характеристики, важные для понимания работы динамо, можно непосредственно наблюдать. А аккреционные диски слишком малы для таких наблюдений. Об их строении приходится судить по косвенным признакам. Опыт картирования поверхности звезд показывает, что такое изучение возможно, но от возможности до реальности путь неблизкий.

Другая проблема заключается вот в чем: очевидно, что магнитное поле не падает на ту же туманность Андромеды из внешних источников – просто неоткуда. Для аккреционных дисков в двойных системах это совсем не так очевидно – на звездах двойной системы вполне могут быть свои магнитные поля. Это внешнее магнитное поле, разумеется, ничем не хуже того, которое производится механизмом динамо в самом диске. Задачами о падении и втягивании этого внешнего магнитного поля в аккреционный диск тоже занимаются специалисты, в частности в Челябинске. Но еще до конца не ясно, как сосуществуют оба этих источника магнитного поля в аккреционных дисках.

В общем, пространство для исследований широкое.

Динамо, строго говоря, не создает магнитное поле из ничего, оно лишь экспоненциально быстро усиливает начальное очень слабое магнитное поле.

Отвлекусь немного и поясню смысл ключевого слова предыдущей фразы – «экспоненциально». Когда на первом курсе мы учим студентов основам математического анализа, одна из наших основных задач состоит в том, чтобы они хорошо усвоили шкалу скоростей роста основных элементарных функций. И степенная функция, и логарифм, и показательная функция стремятся к бесконечности (конечно, если основание больше единицы). Но скорости этого роста качественно различаются. Как, по словам Гегеля, любил говаривать Гераклит Эфесский, «прекраснейшая из обезьян безобразна, если ее сравнить с родом человеческим». Философам виднее, а мне самому не приходилось сравнивать. Но идеям математического анализа эта мысль соответствует: чуть основание показательной функции перевалило за единицу – и она растет несоизмеримо быстрее степенной функции. В физике принято стандартизировать запись показательной функции и все их преобразовывать к единому виду с основанием в виде числа Эйлера e – так удобнее дифференцировать и интегрировать. Уклоняющихся от этого правила заводят в темный чулан и там запирают навсегда. Показательная функция с таким основанием и называется экспонентой.

Эта мысль принадлежит вовсе не мне. Рассказывают, как еще молодой, но уже знаменитый Ландау приехал в Ленинград и втолковывал юным ленинградским физикам, что задача теоретиков – выявлять экспоненциальный рост и не обращать внимания на мелочи в виде степеней. Потом юного Зельдовича послали проводить мэтра в кассу, где последнему выдали небольшой полагавшийся ему гонорар. Будущий академик и трижды герой труда застыл в изумлении: мэтр аккуратно пересчитал выданную ему мелочь. «Дау! – воскликнул Зельдович. – Вы же только что объясняли нам, что нужно пренебрегать мелочами. Зачем же вы считали мелочь – ясно же, то кассир не мог ошибиться в десять раз!» На что Ландау ответил фразой, ставшей со временем крылатой: «Деньги стоят в экспоненте!»

Человек, намеревающийся стать физиком, обязан понимать смысл этого исторического анекдота. Поэтому про начальное – затравочное – магнитное поле можно на первых порах сказать, что уж какое-нибудь найдется, а дальше экспонента его подхватит и «выведет в люди».

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] Parker, E. N. Hydromagnetic dynamo models. Astrophysical Journal 1955, 122, 293. .

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.