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

Еще одной областью, где эти идеи могут найти применение, является вопрос о магнитных полях нейтронных звезд. Эти звезды до какой-то степени можно рассматривать как исполинские атомные ядра, в которых практически все протоны соединились с электронами в нейтроны. Наблюдатели настаивают, что в таких звездах встречаются магнитные поля тоже исполинской напряженности. Динамо, основанное на зеркальной асимметрии, происходящей из мира элементарных частиц, позволяет понять природу таких магнитных полей.

Пока я сижу в самоизоляции, я не только пишу эту книгу, но и прочитал корректуру статьи на эту тему, которую написал со своими друзьями-соавторами (в частности, с В. Б. Семикозом) и которая публикуется в американском журнале Physical Review [20] Dvornikov M., Semikoz V. B., Sokoloff D. D. Generation of strong magnetic fields in a nascent neutron star accounting for the chiral magnetic effect. Physical Review D 101, № 083009, 2020. .

Космический магнетизм интересен и сам по себе, но от него перекидываются мостики к другим самым различным областям современной физики. Было бы обидно не поговорить и о них.

Во времена моего студенчества важнейшей частью нашей жизни был праздник Архимеда. До наших дней он дошел как День физика и в той или иной степени инкорпорировался в череду различных профессиональных праздников – от Дня рыбака до Дня геолога. В этом, наверное, есть своя логика, но что-то дорогое для моего поколения при этом потерялось. Мне, например, трудно себе представить, чтобы на день Архимеда строительные рабочие собирали специальную сцену. Но у каждого времени свои праздники.

Так вот, на одном из «архимедов» в художественной форме обсуждался вопрос о том, что такое физика – наука теоретическая или экспериментальная? В проекции на астрофизику к этому противопоставлению добавляется еще наука наблюдательная. За разными шутками на эту тему, которые тогда казались нам безумно смелыми и смешными, встает действительно важный вопрос: может ли область физики развиваться вообще без всякого эксперимента? Если бы не известная любовь физиков к философским вопросам, я бы даже взял на себя смелость так его и назвать.

Оставим поиски общих ответов более продвинутым людям, а вот специалистам в области динамо всегда казалось очевидным, что очень неплохо было бы поддержать теорию не только наблюдениями, но и экспериментом. Раньше я считал, что в силу очевидности специально аргументировать это не нужно. Однако недавно один из рецензентов на статью, в которой выводы теории сравнивались с экспериментом, написал-таки, что не понимает, кому и зачем нужны динамо-эксперименты.

Придется ответить. Конечно, ни один вменяемый человек не собирается строить действующую модель Солнца или спиральной галактики – это не нужно и невозможно. Но воспроизвести в лаборатории ключевые моменты динамо очень желательно – уж очень отличается мир динамо от мира повседневной жизни, и нельзя полагаться только на теорию.

Пожалуй, первым в практической плоскости поставил задачу о лабораторном динамо Макс Штеенбек, который в середине 60-х гг. прошлого века стал договариваться с рижскими физиками о проведении в Саласпилсе под Ригой совместного эксперимента. Эта идея потребовала для своей реализации 35 лет. За это время сменились как минимум два поколения команды экспериментаторов. Лидерами эксперимента последовательно были Ольгертс Лиелаусис и Агрис Гайлитис. (По аналогии с литовским языком и по сообщению известного балетмейстера Андриса Лепы, фамилия которого значит «липа» и которого по-русски принято называть Лиепой, думаю, что и в первой фамилии дифтонг ie правильнее передавать по-русски как е , но точно не знаю.) Рижские физики сначала работали в тесном контакте с физиками ГДР, потом больше отдельно, потом распался СССР, и физики независимой Латвии стали работать вместе с физиками объединенной Германии (когда пишешь об этой истории, приходится выбирать выражения). Так или иначе, в последнем ноябре прошлого тысячелетия в Саласпилсе удалось получить самовозбуждение магнитного поля в динамо-эксперименте. Через две недели самовозбуждение получили конкуренты из чисто немецкой команды в городе Карлсруэ. Обе команды были связаны многолетними контактами, которые совершенно не относились к области простых отношений дружбы или конкуренции.

Когда пытаешься смотреть по телевизору бездарные псевдохудожественные сериалы о жизни научных работников, то спрашиваешь себя, почему бы им не снять кино об этой драматической истории. Ведь вырос же великий фильм «Девять дней одного года» на базе, в общем, не очень существенного и недолгого заблуждения авторов одного из экспериментов в ядерной физике!

Мне кажется, что решающим в успехе рижского эксперимента стала удачная идея Макса Штеенбека, выбравшего правильный путь к реализуемой схеме. Он справедливо решил, что нужно воспроизводить не непосредственно принадлежавшие ему идеи, а то, что попроще.

Мы уже говорили, что примерно в те же годы под Москвой в ИЗМИРАНе Пономаренко решил задачу по математической физике о поведении магнитного поля во вращающейся струе проводящей жидкости. В такой струе опять можно выделить два символических контура, которые своей взаимной индукцией дают самовозбуждение магнитного поля. Один контур представляет собой компоненту магнитного поля, перпендикулярную к оси струи. Угловая скорость в жидкой струе, естественно, меняется с радиусом. Пономаренко для простоты предполагал, что она меняется скачком. Из-за этого вмороженное в поток радиальное магнитное поле порождает компоненту магнитного поля, направленного по азимуту струи. Это примерно то же явление, что и порождение тороидального магнитного поля полоидальным в моделях, которые строил Штеенбек.

Для того чтобы динамо заработало, нужно как-то восстановить радиальное магнитное поле из азимутального. Ключевое наблюдение Пономаренко состоит в том, что диффузия магнитного поля все-таки не совсем то же самое, что и диффузия температуры. Они описываются похожими уравнениями только в декартовой системе координат, а в цилиндрических координатах в уравнении для радиального магнитного поля появляется член, связывающий ее с азимутальной компонентой. Вот что значит исправно ходить на лекции по математике в студенческие годы – там об этом факте рассказывают.

На этом и построено решение Пономаренко, которое Штеенбек предложил использовать. У динамо Пономаренко есть много чисто технических преимуществ, которые делают его гораздо более легким для реализации, чем более естественные с точки зрения астрофизики идеи, приходившие в голову Паркеру и Штеенбеку.