С 15 августа по 15 ноября 1881 года в Париже проходила Первая Международная выставка электричества. К тому времени для физики электромагнетизма уже было обнаружено множество самых разных практических приложений, суливших небывалые перемены в жизни людей, поэтому выставка имела грандиозный успех. Среди важных новаций, в частности, здесь были представлены широкой публике такие изобретения, как лампочка накаливания Томаса Эдисона, электрический трамвай Вернера фон Сименса, телефон Александра Белла, электромобиль Гюстава Труве.[1]

Одновременно, как составная часть выставки, в Париже прошел первый Международный конгресс электриков (как называли себя в ту пору ученые, занимавшиеся исследованиями электричества и магнетизма). Именно здесь, к примеру, было принято решение о введении в науку и технику стандартных единиц измерения для основных характеристик электричества, таких как ампер, ом и вольт. Однако, как отмечал в тот период британский журнал Nature, наиболее интересным событием парижской выставки «с физической и чисто теоретической точки зрения» стали наглядные опыты норвежского профессора Бьеркнеса, демонстрировавшие мощные аналогии между эффектами гидродинамики и феноменами электричества и магнетизма.[2]

С помощью достаточно простых и остроумных приспособлений, вроде пары цилиндров-насосов, работающих синхронно или в противофазе, гибких шлангов-воздуховодов и погруженных в воду барабанов с упругими мембранами, Карл Бьеркнес демонстрировал, насколько хорошо результаты экспериментов отражают его теоретические расчеты. Согласно формулам Бьеркнеса, погруженные в воду и регулярно пульсирующие (то есть изменяющиеся в объеме) сферы порождают в ней волны, благодаря которым между сферами происходит взаимодействие с силами, обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними. Иначе говоря, аналогично кулоновскому взаимодействию между электрическими зарядами.

Теоретические выкладки Бьеркнеса предсказывали, а опыты подтверждали, что взаимное притяжение или отталкивание сфер зависит от того, вибрируют они в одинаковой или в противоположной фазе. В гидродинамических расчетах и экспериментах Бьеркнеса, правда, «кулоновское взаимодействие» получалось с точностью до наоборот — сферы, пульсирующие в одной фазе («одинаковые заряды») притягивались, а пульсирующие в противофазе («противоположные заряды») отталкивались. Впрочем, этот момент удалось подправить без особого труда, поскольку другим исследователем (А.Г. Лихи) вскоре было показано, что модель становится полностью «кулоновской», если среду полагать упруго сжимаемой, а не распространяющей взаимодействия мгновенно.

*

Другая установка Бьеркнеса демонстрировала гидродинамические аналоги магнитных сил – как возмущений среды, возникающих при движении через нее электрических зарядов. Два параллельных деревянных цилиндра вертикально погружались в густую жидкость (сахарный сироп) и приводились в синхронные вибрации при их движении в одинаковом или противоположном направлениях. Фигуры, порождавшиеся при этом волнами на поверхности жидкости, в каждом случае были такими же, как в опытах с магнитными опилками, выстраивающими характерные структуры «силовых линий» вокруг двух параллельных проводов, по которым течет ток в одном или разном направлениях.

Судя по публикациям того времени, эффектные демонстрации норвежского профессора произвели на научное сообщество огромное впечатление. На Первой выставке электричества работа Карла Бьеркнеса был удостоена почетного диплома – в одном ряду с выдающимися достижениями куда более знаменитых ныне деятелей вроде Эдисона, Белла, Томсона (Кельвина) и Сименса. Общее впечатление было таким, что «парижский триумф» профессора Бьеркнеса, расчетами и экспериментами прояснявшего весьма туманные электромагнитные феномены, уже обеспечил его гидродинамической теории пульсаций не только известность, но и всеобщее признание. Ничего подобного, однако, в действительности не произошло.

В немалой степени причиной для нынешнего полного забвения, постигшего открытия Бьеркнеса, явились специфические особенности в личности самого исследователя (о чем еще будет повод рассказать подробнее). Однако важнейшим для неудачи фактором оказалось скорее концептуальное расхождение идей Бьеркнеса с магистральным направлением в развитии теоретической физики XX века. Все свои результаты Карл Бьеркнес трактовал как убедительное подтверждение идей, выдвинутых ранее Леонардом Эйлером. Согласно этим воззрениям, говоря упрощенно, все «силы», действующие между телами, являются не столько порождением этих тел, сколько проявлениями динамических эффектов и процессов, возникающих в той среде, где тела находятся и через которую взаимодействуют.

Поскольку современная физика в начале XX века отказалась от идеи эфира как всепроникающей среды, обеспечивающей взаимодействия, можно говорить, что весь фундамент новых физических теорий по сути выстроен на «ньютоновской» концепции силовых полей. А идеи Эйлера и, соответственно, Карла Бьеркнеса в подобном контексте оказались не только анти-ньютоновскими, но и плохо согласующимися с основами квантовой физики и теории относительности. Когда же теоретические изыскания сделали полный цикл, вернувшись к идее великого объединения или сведения всех фундаментальных сил к одной, а полю Хиггса стала отводиться роль всепроникающей сверхтекучей жидкости, о давным-давно отвергнутых результатах норвежского профессора если вдруг и вспоминают, то лишь в качестве занятных археологических древностей…

**

Однако уместно напомнить, что математические выкладки Карла Бьеркнеса и подтверждающие их эксперименты никем и никогда не были опровергнуты. В определенный исторический момент их просто проигнорировали, найдя для физической науки более многообещающие направления развития. Открытый же в конце XX века феномен осциллонов наглядно показал, что с отказом от идей Бьеркнеса в свое время явно поторопились. А очевидно плохое понимание физики осциллонов на современном теоретическом уровне – это еще и наглядная демонстрация того, что давний научный спор о происхождении и природе сил во вселенной по-прежнему чрезвычайно далек от своего разрешения.

В связи с чем самое время описать еще один сон-подсказку, приснившийся в ответ на вопрос о том, что же представляет собой единая природа четырех фундаментальных сил – если таковая, конечно, имеется… Первое, что вы видите во сне, это бескрайняя гладь океана. А посреди водного простора возвышаются три слона. Судя по их гигантским размерам, это явно те самые слоны-кариатиды, что поддерживали плоский мир в представлениях древних индусов. Понятно, что животные не могут стоять на воде, и при более внимательном рассмотрении обнаруживается – ну конечно же – погруженная в воду гигантская черепаха, панцирь которой удерживает всех слонов на плаву. Согласованное балансирование трех мощных животных на спине четвертого больше всего похоже на цирковой аттракцион. Если же приглядеться, что делает каждый из слонов, то аналогия с цирком становится самоочевидной.

Первый из них лихо жонглирует множеством плавающих на поверхности воды мячиков, быстро-быстро погружая часть из них в воду, так что в результате из сочетаний остальных мячей создаются разные узоры. Другой слон делает с помощью своего хобота нечто трудноописуемое, но при этом чрезвычайно впечатляющее. Горячим дыханием он дует из хобота в воду, так что там начинается бурлящий водоворот. Затем водоворот вдруг распадается в кольцо отдельных вихрей. Эти вихри какое-то время кружатся порознь – а слон продолжает дуть – затем объединяются в общий водоворот, который потом вновь распадается на несколько меньших, и это повторяется снова и снова, словно само собой. Третий же слон выделывает занятные трюки с кольцами то ли пара, то ли дыма, пускаемыми через хобот. Такие кольца выпускаются им не по одиночке, а парами – одно сразу вслед за другим. Кольцо, выпущенное вторым, как обычно в таких случаях, быстро догоняет первое и, не разрушая форм обоих, проходит его насквозь через центр. Однако трюк на этом далеко не заканчивается. Первое кольцо, поначалу немного отстав, затем вновь нагоняет второе и, аналогично проскочив через его центр, вновь становится первым. Второе, в свою очередь, повторяет тот же самый маневр – так что взаимная перемена колец местами в парах продолжается безостановочно.

Затем, наконец, ваше внимание приковывает гигантская черепаха, практически полностью скрытая в воде и не исполняющая никаких «фокусов». Однако и без разъяснений понятно, что не будь ее, здесь не было бы и ничего остального. Черепаха держит на своей спине всех слонов, поэтому вам, естественно, хочется поближе рассмотреть ее столь потрясающей прочности панцирь. И тут вы с изумлением обнаруживаете, что покрытая ячеистыми узорами спина рептилии вовсе не твердая, как скала, а скорее… «жидкая». Во всяком случае, при близком рассмотрении совершенно очевидно, что вся структура панциря состоит из неисчислимого множества крошечных вихрей-водоворотов – почему-то тоже разбитых на пары, так что у любого вихря по соседству находится точно такой же, но закрученный в противоположную сторону. Можно даже рассмотреть, как именно образуются эти пары – во всех точках соприкосновения плывущей черепахи с водами неподвижного океана… И вот тут вдруг вас пробивает осознание, что вся эта картина – и черепаха, и три ее слона – по сути является причудливым сочетанием вихрей океана. И одновременно, замысловатой метафорой для четырех фундаментальных сил природы – электромагнитной, сильной, слабой и гравитации – каждая из которых в действительности является одним из проявлений единого в своей сущности «аттракциона на воде».

***

От столь сильной идеи, конечно же, сразу просыпаешься, делаешь заметки, чтобы не забыть важные подробности, а затем отправляешься искать экспериментальные свидетельства, соответствующие эффектам, увиденным во сне. Благо имеется абсолютная, пусть и неясно откуда берущаяся, уверенность, что такие эксперименты просто обязаны существовать. Помимо узоров на воде, формируемых танцующими на воде шариками и очевидно отсылающих к уже установленному феномену осциллонов, сравнительно легко удается отыскать параллели для «парных вихрей» в панцире черепахи.

В 1911 году приват-доцент Геттингенского университета Теодор фон Карман (родившийся, кстати, весной 1881 – год проведения Парижской выставки электричества) занимался теоретическим анализом опытов с совсем новой по тем временам аэродинамической трубой, сооруженной в Геттингене дирижаблестроительной компанией Zeppelin. фон Карман изучал своеобразный процесс образования двойного ряда перемежающихся вихрей позади объекта, движущегося в жидкости или газе, и сумел дать математическое описание этому явлению. С тех пор оно именуется «цепочками вихрей Кармана» (Karman’s Vortex Street).

Цепочка вихрей Кармана

Такого рода цепочки достаточно часто образуются в природе при подходящем сочетании размеров объекта, скорости потока и других параметров системы. Когда вихрь течения отрывается с одной стороны объекта, это приводит к резкому изменению давления в потоке по сравнению с другой стороной объекта, в результате там тут же образуется и отрывается другой вихрь, закрученный в противоположную сторону. Это, соответственно, порождает очередной отрыв с другой стороны и непрерывную цепочку вихрей характерной «парной» структуры.

Облака над о. Хуана Фернандеса в Тихом океане

Композиция всей картины сна явно указывала на то, что среда, образованная гигантским множеством такого рода вихрей (панцирь черепахи), имеет непосредственное отношение к гравитации. С другой стороны, хорошо известно, что гидродинамический феномен вихревых цепочек наблюдается в системах любых масштабов – от микромира до космоса. А при поиске соответствующих иллюстраций в интернете среди наиболее частых и впечатляющих фотографий этого явления попадаются спутниковые снимки атмосферы Земли, где вихри Кармана нередко образуются в облачности над скалистыми островами в океане. Ну и если уж речь заходит о вихрях и прочих феноменах земной атмосферы, то здесь никак не обойтись без упоминания о работах ученых из семейства норвежских исследователей Бьеркнесов.

[1] K. G. Beauchamp, Exhibiting electricity IET, 1997 ISBN 0852968957, pp.160-165
[2] George Forbes, «Hydrodynamic Analogies to Electricity and Magnetism». Nature, 15 August 1881