Основатель знаменитой династии норвежских ученых, Карл Антон Бьеркнес (1825-1903), происходил из очень небогатой семьи врача-ветеринара. Несмотря на раннюю смерть отца, он успешно закончил школу и сумел поступить в столичный университет, получив фундаментальное образование и профессию горного инженера. Затем были четыре года работы по специальности на серебряных рудниках, еще три года — преподавание математики в школе, и лишь к 30 годам удача, наконец, улыбнулась Бьеркнесу по-настоящему. Он сумел добиться государственной стипендии на обучение за рубежом, в научных центрах Франции и Германии, и два важнейших в своей биографии года, 1856-1857, провел в университетах Парижа и Геттингена.

Особое впечатление произвели на Бьеркнеса лекции математика Густава Дирихле (1805-1859) в геттингенском университете. Исследования Дирихле сыграли немаловажную роль в развитии многих направлений чистой математики и математической физики, а для нынешней теории струн, к примеру, имеют просто основополагающее значение. Разработанный германским ученым в середине XIX века математический инструментарий для описания поверхностей с равным потенциалом стал основой новейшей струнной теории о множестве миров на D-бранах (собственно, и названных так в честь Дирихле).

Что же касается Карла Бьеркнеса, то его чрезвычайно впечатлили лекции Дирихле по гидродинамике. Теория движения жидкостей и погруженных в них твердых тел в ту пору была еще весьма слабо исследованной областью физики. А Густаву Дирихле всего несколькими годами ранее довелось стать первым теоретиком, сумевшим отыскать точное решение для уравнений гидродинамики, описывающих поведение сферы в идеальной – то есть несжимаемой и лишенной трения – жидкости.

На своих лекциях Дирихле рассказывал студентам об этой работе и о ее примечательном результате, согласно которому сферическое тело, находящееся в идеальной жидкости, может двигаться в ней с постоянной скоростью без воздействия внешних сил. В этом интересном и математически строгом результате Карл Бьеркнес углядел важную аналогию с определенными эффектами электричества и магнетизма, известными из опытов. Красота гидродинамики покорила Бьеркнеса и, судя по всему, именно тогда у него появилась идея о возможности выстроить общую теорию электромагнитных взаимодействий на основе гидродинамических принципов.[1]

*

С течением времени эта идея захватывала ученого все больше, но лишь к 1875 году – уже будучи почтенным 50-летним профессором математики в университете Кристиании (как в ту пору называлась норвежская столица Осло) – он сумел-таки получить свой самый важный теоретический результат. Для случая ритмично пульсирующих сфер, погруженных в идеальную жидкость, Карл Бьеркнес вывел уравнения взаимодействия, аналогичные уравнениям электромагнетизма. Согласно этим результатам, пульсирующие сферы порождают в среде волны, благодаря которым они взаимодействуют так же, как электрические заряды или магнитные полюса. В зависимости от того, происходят пульсации в одной фазе или отличаются на полупериод, между сферами возникает взаимное притяжение или отталкивание, определяемое законом обратных квадратов. Если же фазы пульсаций отличаются на четверть периода, то действия не происходит.

Сын профессора, Вильгельм Бьеркнес (1862-1951), которому в ту пору было всего 13-15 лет, оказался не только на редкость смышленым в науках, но и более рукастым в ремеслах, нежели его папа-математик. Поэтому именно Вильгельм стал важнейшим ассистентом Карла Бьеркнеса при конструировании и изготовлении оборудования, необходимого для экспериментальной проверки теоретических результатов. И в 1881 году, когда норвежский профессор блистал на Парижской выставке электричества со своей глубоко проработанной теорией и подтверждающими ее эффектными опытами, никому и в голову не приходило, что все приборы сконструированы совсем еще молодым сыном ученого.

Успешные демонстрации и лекции профессора Бьеркнеса в Париже принесли ему международную известность. Однако повышенное внимание со стороны других – зачастую более знаменитых и авторитетных – исследователей породило совершенно естественные для научного сообщества критику, обсуждение и собственные попытки развития для «теории пульсирующих сфер». На автора данной теории, уже перешагнувшего 55-летний рубеж, вся эта бурная активность «чужаков» вокруг его любимого детища производила крайне гнетущее впечатление. Поэтому в последующие годы он предпочел уйти в самоизоляцию, воздерживаясь от публикации своих открытий и продолжая исследования с опорой на одного лишь сына.

Вильгельм продолжал помогать отцу вплоть до 1889 года. К тому времени ему исполнилось уже 27 лет, а накопленные молодым ученым знания и опыт явно сулили значительные достижения на научном поприще. Однако очень непросто продвигавшиеся работы отца, сколь бы многообещающими не представлялись их окончательные итоги, привели Карла Бьеркнеса к полной самоизоляции и ту же самую безрадостную судьбу намечали для его сына. Поэтому Вильгельм, как и прежде питавший к отцу самые нежные чувства, решил, что пришла пора начать ему самостоятельный путь в науку. В последующие годы своей долгой жизни он еще не раз будет возвращаться к развитию и популяризации идей Карла Бьеркнеса, однако и его собственные научные достижения почти всецело окажутся неразрывно связанными с гидродинамикой.

**

В 1890 году Вильгельм Бьеркнес переезжает в Бонн, где становится сначала ассистентом, а затем научным соавтором и близким другом семьи видного германского физика Генриха Герца. Одним из наиболее значительных совместных достижений этого дуэта стало глубокое исследование электрического резонанса – очень важного для развития радиосвязи эффекта, при котором сопротивление электрическому току в колебательной системе становится чрезвычайно малым для некоторого узкого диапазона частот. К тридцати годам защитив по этой теме докторскую диссертацию, Бьеркнес решает вернуться к исследованиям в области гидродинамики и выбирает для постоянной работы Стокгольмский университет.

Вскоре к молодому профессору приходит и первый большой успех. В 1897 году – в год рождения своего сына Якоба – Вильгельм Бьеркнес открыл важную теорему циркуляции, обобщавшую уже известные результаты Гельмгольца и Томсона (Кельвина) о сохранении вихря в идеальной жидкости. Оперируя этой новой, ныне носящей его имя, теоремой о формировании вихря в неоднородной среде, Бьеркнес обнаружил, что теперь у науки имеется такой комплекс гидродинамических и термодинамических уравнений, который является полноценным инструментарием для описания движений неоднородных по температуре и давлению жидкостей в произвольной физической системе.

И вот тут-то в голову Бьеркнесу пришла грандиозная идея – применить новую теорию к поведению атмосферы Земли и предсказаниям погоды. В своей программной статье, подготовленной к 1904 году, ученый описал вычислительную процедуру, ныне известную как численный прогноз погоды. Бьеркнес предложил рассматривать предсказание погоды как стандартную в математической физике задачу с начальными условиями и, соответственно, решать ее известными науке методами. Иначе говоря, интегрировать имеющиеся уравнения по времени, начиная с известных в данный момент начальных значений, то есть наблюдаемых в атмосфере показателей температуры, давления, скорости ветра. Бьеркнес показал, что в теории, обладая достаточной информацией о текущем состоянии атмосферы, ученые могут с помощью математических формул и расчетов предсказывать будущее поведение погоды.

Таким образом, ученый предложил рассматривать в качестве анализируемой физической системы целиком атмосферу Земли. На сегодняшний день эта мысль может показаться самоочевидной, однако для той эпохи подобная идея звучала весьма революционно. Столетие назад, правда, у науки и близко не было таких вычислительных средств, которые позволяли бы численными методами решать столь трудоемкие задачи. Тем не менее, прогресс в электротехнике и механических вычислительных машинах уже тогда давал основания предполагать скорое появление компьютеров. Поэтому Вильгельм Бьеркнес рассматривал научное предсказание погоды в качестве главной цели метеорологических исследований, так что ныне его по праву считают одним из отцов-основателей современной метеорологии.

***

В отличие от своего отца, Вильгельм Бьеркнес повсюду, где ему доводилось работать, окружал себя множеством молодых и талантливых ассистентов, чтобы коллективными усилиями находить и продвигать наиболее перспективные направления исследований. В 1913 году по приглашению из Германии Бьеркнес возглавил новый геофизический институт при Лейпцигском университете. В связи с разразившейся вскоре Первой мировой войной и резко ухудшившихся из-за этого условий для развития науки, в 1917 году ученый был вынужден покинуть Германию. Благодаря участию видных норвежских океанографов Фритьофа Нансена и Бьёрна Хелланд-Хансена специально для Вильгельма Бьеркнеса в городе Берген на западе Норвегии была учреждена сначала профессура, а затем и новый геофизический институт, ставший основой для прославившейся на весь мир «бергенской метеорологической школы».

Среди знаменитых учеников Бьеркнеса и виднейших представителей бергенской школы особо заметных успехов в науке достигнут, в частности, швед Карл-Густав Россби и норвежец Харальд Свердруп (появляющиеся в других разделах книги). Основатель же института, Вильгельм Бьеркнес, руководил своей школой до 1926 года, после чего принял кафедру на факультете математической физики в Университете Осло, где вновь вернулся к теоретическим исследованиям гидродинамики, начатым его отцом. Что же касается нового метеорологического направления в науке, то в качестве одного из его главных представителей с этой поры стал считаться даровитый сын Вильгельма, Якоб Бьеркнес (1897-1975).

Подобно отцу, Якоб Бьеркнес начал проявлять научные таланты в весьма раннем возрасте, также как и он пленившись гидродинамикой и физикой вихрей в атмосфере. Классическая статья Якоба Бьеркнеса «О структуре движущихся циклонов»[2] появилась в 1919 году, когда ученому не было и 23 лет, но по сути своей она и поныне служит фундаментом для современных долгосрочных прогнозов погоды. Когда близкий соратник Бьеркнесов, К.Г. Россби, обосновался в Массачусетском технологическом институте, то в 1933 году Якоб по его приглашению приехал в США чтобы прочитать курс лекций в МТИ. Еще несколькими годами позже, в 1939, когда Якоб Бьеркнес вновь приехал в США читать лекции, в Европе разразилась Вторая мировая война, так что ученый предпочел остаться в Америке.

Среди нескольких предложений в качестве постоянного места работы Бьеркнес выбрал UCLA, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе. Здесь по воле случая Джек (как стали его теперь называть на американский манер) Бьеркнес оказался соседом с другим своим старым знакомым, Харальдом Свердрупом, с 1935 года возглавлявшим местный Институт океанографии им. Скриппса. К 1945 году в UCLA был учрежден новый факультет метеорологии, который возглавил, ясное дело, Джек Бьеркнес, вскоре сделав из него один из ведущих в мире центров по изучению атмосферы Земли. Несколько позже, во второй половине 1950-х годов, когда Джеку Бьеркнесу было уже около шестидесяти, интересы ученого вдруг обратились к существенно новой области исследований – взаимодействиям атмосферы и мирового океана как единой системы, состоящей из сред разной плотности. Этой весьма нетривиальной проблемой, увязывающей в частности, океанские течения с атмосферными явлениями, Бьеркнес не без успеха будет заниматься до конца своей жизни. По словам самого ученого, вдохновили и подтолкнули его к разработке этого направления три человека – Карл-Густав Россби, Харальд Свердруп и Бьерн Хелланд-Хансен [3]. Уместно отметить, что когда Джек Бьеркнес только-только приступил в США к этим своим исследованиям, в Скандинавии все трое скоропостижно скончались в конце августа и начале сентября 1957 года. По совершенно случайному, как принято считать, совпадению.

[1] William J. McPeak, «Hooked on Hydrodynamics». The World & I, February 1997. Vol. 12, Issue 02
[2] Jacob Bjerknes, «On the structure of moving cyclones». Geofys. Publ. I(2). 1919
[3] Arnt Eliassen, «Jacob Aall Bonnevie Bjerknes: A Biographical Memoir», 1995, National Academies Press, Washington D.C.