Александр Филиппов - Многоликий солитон

Нервный импульс мало похож на частицу. Этим он, конечно, сильно отличается от солитона Рассела. На частицы гораздо более похожи вихри, и особенно вихревые кольца, удивительные свойства которых были открыты Гельмгольцем в 1858 г. С вихрями, как и с волнами, знаком всякий. В воде они возбуждаются так же легко, как волны, достаточно провести рукой по поверхности воды в ванне или закрутить ложкой чай в стакане. Каждый видел вихри, оставляемые веслами, и кольца табачного дыма. Возможно, кому-то встречались мощные атмосферные вихри — смерчи. В общем, что такое вихрь — объяснять не надо.

Наблюдения над вихрями и размышления об их удивительных свойствах, вероятно, побудили знаменитого французского философа и математика Рене Декарта (1596—1650) положить вихревое движение в основу объяснения всего наблюдаемого мира. В «Началах философии» он нарисовал картину Вселенной, пронизанной вихрями: «...предположим, что вся материя... разделена на части... что все они стали двигаться... двумя различными способами, а именно: каждая вокруг собственного средоточия, образовав жидкое тело, каковым я полагаю небо; кроме того, некоторые двигались совместно вокруг нескольких центров...» На рисунке из этого трактата (рис. 3.1) частицы в пространстве АЕI вращаются вокруг своих осей, образуя малые вихри, а все вместе вращаются вокруг центра S и т. д. Заметим, что в виде некоего вихря, разбросавшего планеты, представлял себе Солнечную систему и Кеплер, а о вращательном («коловратном») движении мельчайших частиц вещества много размышлял Ломоносов.

Ньютон легко уловил непоследовательности и противоречия в декартовой картине мира, и она, правда, после довольно упорного сопротивления ее сторонников, была оставлена. Однако, отбросив полностью все идеи Декарта, Ньютон отбросил и важную мысль о близкодействии. У Декарта всякое возмущение передавалось в пространстве только от одного вихря к другому, и поэтому не могло быть и речи об абсолютно пустом пространстве или распространении каких бы то ни было взаимодействий с бесконечной скоростью.

Понятие о дальнодействии предопределяло, вероятно, и то, что Ньютон более склонялся к представлению о свете как потоке частиц («корпускул»). Он, правда, весьма осторожно высказывался на эти темы. Например, обсуждая распространение света в веществе, он не исключает возможности каких-то волновых, периодических процессов («приступы легкого прохождения и легкого преломления»). Более того, Ньютон дал наброски контуров компромиссной теории, соединяющей достоинства корпускулярных и волновых представлений о свете. Отвечая на критику, высказанную его знаменитым современником и соперником Робертом Гуком *), он писал в 1672 г.: «...если мы предположим, что световые лучи состоят из маленьких частиц, выбрасываемых по всем направлениям светящимся телом, то эти частицы, попадая на преломляющие или отражающие поверхности, должны возбудить в эфире колебания столь же неизбежно, как камень, брошенный в воду...». С волновыми представлениями он связывает восприятие цвета, дисперсию. Однако Ньютон видел и очень серьезные возражения против чисто волновой картины: «По моему мнению, невозможно, что волны или колебания какой-либо жидкости распространяются по прямым линиям, не загибаясь...». Гук не смог дать ответа на возражения Ньютона. Впервые решил эту проблему знаменитый голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629—1695), показавший также, каким образом в волновой теории можно получить закон преломления.

*) Науке, вероятно, повезло, что в Лондоне в одно и то же время жили и работали Ньютон и Гук, который был самым блестящим экспериментатором своего времени и человеком глубоких и разнообразных познаний. Столетиями значение Гука в науке недооценивалось; в наше время с этой несправедливостью покончено (см., например, книгу: Боголюбов А. Н. Роберт Гук. — М.: Наука, 1984).

Тем не менее волновая теория стала общепризнанной лишь в начале XIX в. И вот тут-то проявилась главная трудность — проблема эфира. Казалось естественным представлять эфир в виде идеальной (без трения) жидкости. Однако было столь же ясно, что световые волны мало похожи на звуковые. Так случилось, что стали думать о более сложных движениях в жидкостях, и естественно возродились, хотя и в совершенно новом обличье, вихри Декарта.

В 1861—1862 гг. Максвелл опубликовал несколько работ под общим названием «О физических силовых линиях», которым можно было бы дать подзаголовок «теория молекулярных вихрей и ее применение к электрическим, магнитным и световым явлениям».

Другой великий физик, Людвиг Больцман (1844—1906), один из создателей современной кинетической теории вещества, написал впоследствии к этим работам обширный комментарий. В нем он говорит, что «...этот цикл принадлежит к наиболее интересному, что только знает история физики...»

Максвеллова вихревая модель изображена на рис. 3.2, взятом из его работы. «...АВ представляет элекрический ток... шестиугольники выше и ниже АВ — вихри, а малые окружности, разделяющие их... представляют электричество...» Когда идет ток, «колесики» на линии АВ приводят во вращение вихри, те передают вращение через другие колесики дальше. Оси вихрей направлены по силовым линиям магнитного поля, а угловая скорость вращения вихря пропорциональна напряженности магнитного поля. С помощью этой модели Максвелл сумел получить уравнения, описывающие взаимодействие магнитного поля и токов и распространение электромагнитного поля от точки к точке с конечной скоростью. Именно этот гениальный скачок мысли от грубой механической модели к тончайшей и абстрактной теории, видимо, и вызвал восхищение Больцмана, который сам очень любил строить простые модели для самых сложных физических явлений.

Максвелл, однако, не был удовлетворен достигнутым. Он неоднократно подчеркивает, что это всего лишь модель, и впоследствии пытался выводить свои уравнения другими, более абстрактными способами. Тем не менее он постоянно пользуется физическими аналогиями, стремясь к наглядному пониманию сложных электромагнитных явлений. Особенно часто он сравнивал электромагнитные процессы с вихревыми движениями жидкости. Статью Гельмгольца о вихрях он хорошо знал и часто цитировал.