Синхронная смерть скандинавских ученых в 1957 году несколько замысловатым образом сопрягает две картины-подсказки из сна про черепаху и трех ее слонов. Один из слонов, можно напомнить, жонглировал в воде шариками, что по логике сна указывало на связь электромагнетизма с феноменом осциллонов и с забытыми ныне гидродинамическими работами Карла Бьеркнеса. Другой же слон демонстрировал природу сильных ядерных взаимодействий, играя в воде с необычным вихрем, который то распадался на несколько маленьких, то вновь собирался в один большой. Как показали длительные поиски информации, такого рода феномен именуется в гидродинамике «васцилляция Хайда» (Hide’s vacillation). Однако знают о нем на удивление мало ученых, не говоря уже обо всех остальных.

Чтобы наглядно прояснить взаимосвязи между этим феноменом и особенностями развития передовой науки в 1950-е годы, начать придется издалека. Первого марта 2006 года в Интернете случилось выдающееся по своей значимости событие – всенародный энциклопедический проект Wikipedia достиг объема в 1 миллион англоязычных статей (без учета материалов на множестве других языков мира). Сегодня о Википедии знают практически все, однако в то время это было все еще делом сравнительно новым и крайне необычным. Энциклопедия, любую статью в которой «могут написать, дополнять или исправлять все желающие», довольно быстро смогла охватила чуть ли не все области человеческих знаний и интересов, но при этом не превратилась в скопище мусора.

Один миллион статей – это, конечно, очень много, и ни одна другая энциклопедия в мире даже отдаленно не приближается к подобному масштабу. Однако даже Википедия с ее небывалым множеством статей имела в своем составе ощутимые пробелы, объяснить которые иногда достаточно просто, но в некоторых случаях – весьма затруднительно. Например, когда среди этого миллиона так и не появилось статьи, посвященной малоизвестному норвежскому ученому XIX века Карлу Антону Бьеркнесу, вряд ли это должно кого-то удивлять. На новую физику XX века он абсолютно никакого влияния не оказал, а потому очень мало кому сегодня интересен.

Но в «миллионе Википедии» в то же время не было не то что статьи, но даже сколь-нибудь заметного упоминания ни о видном ученом второй половины XX века, британском физике по имени Раймонд Хайд (р. 1929), ни о его замечательном открытии – физическом явлении под названием «васцилляция». К слову сказать, никаких упоминаний об этом не обнаружилось и в куда более респектабельной энциклопедии Britannica. Факт подобного отсутствия представляется чрезвычайно необычным, поскольку имя и работы Р. Хайда, вообще говоря, достаточно широко известны среди специалистов. Сам же он за свою долгую научную жизнь не только был удостоен множества всевозможных наград и отличий, но и в разное время занимал большие административные посты в ученом мире – от президента Европейского геофизического общества до президентов национальных астрономического и метеорологического обществ Великобритании.

*

Для добавления странности происходящему, нелишне также отметить, что в рядах весьма специфической научной организации под названием Папская академия наук Ватикана, традиционно насчитывающей всего 80 пожизненно назначаемых членов, Раймонд Хайд представляет свою страну наряду с такими выдающимися учеными, как астроном и космолог Мартин Рис, недавно возглавивший британское Королевское общество (национальную академию наук), и физик-теоретик Стивен Хокинг. При этом заметно, что Ватикан, в отличие от всех авторов Википедии и Британники, проявляет к работам Хайда самый живой интерес. Так, в ноябре 2004 года на ежегодной пленарной сессии Папской академии этот ученый делал специальный доклад под названием «Геомагнетизм, васцилляция в нелинейных системах, предсказуемость атмосферы и детерминированный хаос».[1]

В чем же суть научных открытий Раймонда Хайда, самое главное из которых он сделал в 1951 году, будучи молодым аспирантом Кембриджского университета? В ту пору Хайд работал на кафедре геодезии и геофизики, занимаясь проблемами магнитного поля Земли и его предполагаемого порождения из-за вращения жидкого ядра планеты. Для экспериментальной проверки гипотез и изучения температурной конвекции во вращающейся жидкости, ученым был сконструирован специальный прибор из двух коаксиально (то есть по одной оси) скрепленных цилиндрических сосудов.

Подобные установки часто используют для изучения эффектов вязкости жидкости и разнообразных гидродинамических феноменов, вроде конвекционных потоков Тэйлора-Куэтте, для чего жидкость заливают в кольцевое пространство между сосудами, а цилиндры раскручивают с разной скоростью вокруг общей оси. Для лучшей визуализации структур, образующихся при этом в жидкости, в нее добавляют масло и мелкую алюминиевую пудру. Особенность прибора Хайда была в том, что внутренний цилиндр у него подогревался, имитируя расплавленное ядро планеты, а жидкость в сосуде за счет этого получала температурный градиент, то есть неравномерное распределение тепла между вертикальными стенками сосуда.

В ходе экспериментов выяснилось, что при возрастании температурного контраста между стенками сосуда, либо при увеличении скорости его вращения, в жидкости возникают упорядоченные структуры, напоминающие волны. При еще большем возрастании разности температур в сосуде волновые структуры меняют свою форму, а затем наступает хаотическая, полностью беспорядочная турбулентность. Но, как оказалось, не всегда.

**

Структуры, полученные в опытах Хайда

Поразительным открытием Хайда стало явление, которое он назвал «ваcцилляция» (качание). При определенных сочетаниях скорости и температуры, волны в сосуде наблюдались в двух периодически сменяющих друг друга режимах: то находясь в регулярной фазе, когда меняется лишь амплитуда, длина или наклон волн; то разрушаясь, превращаясь на время в турбулентные вихри «циклонов» и «антициклонов»; после чего эти вихри вновь возвращались в регулярную фазу, продолжая цикл «качания». Получалось, что на грани порядка и хаоса во вращающейся неравномерно нагретой жидкости возникали собственные колебания, в которых кинетическая энергия от упорядоченного движения передавалась к хаотическому, а от него затем обратно к упорядоченному.[2]

Васцилляция Хайда

Как вспоминал впоследствии Хайд [3], по случаю именно в это время в барак, где кембриджские аспиранты и студенты занимались экспериментами, зашел Хэролд Джефриз, в ту пору одно из главных британских светил в области геофизики и астрономии. Именно ему принадлежала гипотеза о жидком ядре Земли, а четвертью века ранее Джефриз сделал важный вклад в метеорологию, показав, сколь важную роль играют циклоны в общей циркуляции атмосферы планеты. Подобно Нильсу Бору, Джефриз отличался на редкость невнятной, бормочущей речью, но всем студентам Кембриджа рекомендовалось с максимальной серьезностью относиться к ворчанию и бормотанию мэтра, потому что там «с большой вероятностью содержатся жемчужины мудрости».

Когда Раймонд Хайд показал Джефризу свою установку и получаемые на ней любопытные результаты, тот, взглянув на явление васцилляции, довольно невнятно пробормотал «похоже на атмосферу» и пошел по своим делам дальше. Оставив Хайда в размышлениях о том, что означает эта фраза и каковы могут быть ее последствия. А последствия, надо сказать, получились воистину богатейшие и разнообразные (принимая во внимание, что на момент открытия васцилляции еще не было ни теории нелинейных динамических систем, ни самого понятия детерминированный хаос).

В метеорологии очень быстро заметили, что открытая Хайдом ваcцилляция качественно подобна так называемому циклу индекса Россби, незадолго до этого, в 1944 году, открытому для атмосферы Земли. К.-Г. Россби и Х. Виллетт обнаружили, что в атмосфере регулярно чередуются состояние с повышенной скоростью упорядоченного западно-восточного переноса, при котором энергия вихревого, хаотического движения понижена, и противоположная ситуация, когда преобладают неупорядоченные, вихревые процессы — циклоны и антициклоны. Среднюю скорость западно-восточного переноса было принято характеризовать определенной величиной, получившей название «индекс Россби». Колебания же этого индекса, открытые Россби и Виллеттом, получили название «цикл индекса». Соответственно, стало понятно, что это – основной колебательный процесс, формирующий чередование разных типов циркуляции атмосферы.

***

Из опытов же Хайда получалось, что такой цикл – это не особенность земной атмосферы, а общая черта всех вращающихся жидкостей и газов. Естественно, сразу появились и следующие вопросы: а существуют ли подобные колебания в океане, в атмосферах других планет, в жидком ядре Земли, в звездах и галактиках, наконец? Постепенно выяснилось, что ответ на все эти вопросы в общем утвердительный.

В океане тоже были обнаружены периодические «синоптические вихри», похожие на циклоны и антициклоны в атмосфере. В динамике атмосфер других планет и вращающихся звезд обнаружены свойства, во многом подобные свойствам земной атмосферы, в частности и цикл индекса. Повсюду, от настольной лабораторной установки для гидродинамических опытов и вплоть до галактик наблюдаются признаки удивительного явления, когда колебательный процесс имеет особую фазу, в которой энергия локальных вихревых движений передается общему упорядоченному.

Наконец, имеется тут и еще одно крайне удивительное обстоятельство. Хотя общеизвестно, что уравнения гидродинамики и электродинамики во многих отношениях являются практически идентичными, явление васцилляции Хайда – судя по архивам открытых публикаций – почему-то совершенно не изучается ни в квантовой электродинамике, ни вообще в физике микромира. Что не может не поражать, принимая во внимание давно известный факт: в структуре частиц атомного ядра – протонах и нейтронах – определенно выявлены свои собственные «циклоны» и «антициклоны», с подачи Мюррея Гелл-Манна носящие имя кварки.

В ранней научной биографии Раймонда Хайда есть несколько страниц, дающих основание полагать, что все эти умолчания в энциклопедиях и «незамечания» его результатов в физике частиц – дело неслучайное. Достаточно сказать, что в 1953 году – сразу после защиты Хайдом диссертации по открытому им новому феномену – ученого пригласили работать в Чикагский университет США (знаменитый не только метеорологической школой Россби, но и активнейшим участием в Манхэттенском проекте). После Чикаго связь Хайда с ядерной физикой стала еще более отчетливой, поскольку начиная с 1954 года он работал старшим сотрудником в AERE, британском агентстве по исследованиям атомной энергии. И лишь в 1957 – в год практически синхронной смерти Россби и Свердрупа и в год официального перехода Шеннона из Bell Labs на преподавательскую работу в МТИ – Хайд также уходит из секретного агентства на должность обычного лектора по физике в Кингз-колледже Даремского университета… (Справедливости ради осталось упомянуть, что статья о Раймонде Хайде в итоге появилась-таки в Википедии, в 2008 году. Однако из ее краткого текста совершенно нельзя понять, чем этот ученый знаменит и в чем суть его открытия.)

[1] R. Hide, «Geomagnetism, ‘vacillation’, atmospheric predictability and ‘deterministic chaos'». Pontifical Academy of Sciences Acta, 18, 257-274, 2006.
[2] R. Hide, ‘Some experiments on thermal convection in a rotating liquid’, Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 79, 161 (1953); «An experimental study of thermal convection in a rotating liquid», Phil. Trans. Roy. Soc. London A250, 414-478 (1958).
[3] «Raymond Hide Receives the 1997 Bowie Medal», American Geophysical Union, Spring Meeting Honor Ceremony on May 28, 1997, in Baltimore (Hide’s response). http://www.agu.org/about/honors/union/bowie/hide_raymond.shtml