1900-е годы, если рассматривать это столетие относительно проблемы эфира/вакуума, выглядят как своего рода спираль, проделавшая полный цикл и к концу XX века вернувшая физику в точку старта, но уже на совсем другом уровне. Чтобы обстоятельно и всесторонне доказать это утверждение, потребовалось бы написать целую книгу. Здесь же, для наглядной иллюстрации данной идеи, достаточно просто задержать внимание на двух датах, разделенных столетием – 1903 и 2003. То есть рассмотреть «начало» и «завершение цикла», в течение которого абсолютно доминировавшая в физике идея эфира сначала была полностью отвергнута, а потом неявно и по частям возвращена под названиями типа «квантованный физический вакуум» или «пространственно-временная пена». Единственным, что осталось в итоге за бортом, оказалось лишь само табуированное слово «эфир».

В 1903 году Вильгельм Бьеркнес опубликовал-таки важнейшие труды всей жизни своего отца, дав двухтомнику название «Гидродинамическое действие на расстоянии согласно теории Карла Антона Бьеркнеса». На протяжении нескольких десятков лет К. Бьеркнес, поместив себя, фактически, в условия научной самоизоляции, развивал гидродинамическую модель для максвелловской теории электромагнетизма. Собственная механическая модель Максвелла, что всегда с готовностью признавал сам автор, была весьма неуклюжа. Тем не менее, она привела Максвелла к важнейшей идее тока смещения, которая поначалу родилась как механические осцилляции неподвижных электрических частиц в диэлектрической среде, то есть эфире. Естественным механическим эффектом этих колебаний становилось распространение в среде электромагнитных волн, одной из разновидностью которых оказался и свет.

Карлу Бьеркнесу удалось очень далеко продвинуть эти идеи осцилляций и волн в эфире, продемонстрировав с помощью уравнений и экспериментов, что гидродинамическая модель способна внятно объяснить практически все известные в то время феномены электромагнетизма. К моменту публикации работ Бьеркнеса уже достигла зрелости другая солидная теория, Томсона и Фитцджеральда, об эфире как мелкозернистой вихревой губке. Базовые уравнения этой теории, к удивлению ее разработчиков, в итоге оказались практически эквивалентны уравнениям Максвелла. В сочетании же с мало кому известными результатами затворника Бьеркнеса они сулили построение новой, куда более понятной в своих нюансах картины электромагнитных взаимодействий. Но это, напомним, был 1903 год, когда новаторская идея Планка о квантовании энергии уже была опубликована, а до революционных потрясений в физике оставалось всего ничего.

С наступлением же революции перед наукой распахнулись столь захватывающие новые горизонты теории относительности и квантовой физики, что о старомодных гидродинамических моделях и вихревых губках викторианской эпохи большинство ученых предпочитало уже не вспоминать – примерно как о старой рухляди в бабушкином комоде. Гидродинамику, соответственно, оставили в области так называемой «классической» физики, а максвелловский ток смещения в электродинамике начали именовать «релятивистской поправкой». Такого рода поправки стали вполне обычным делом для учета эффектов относительности в уравнениях квантовой физики, а Максвелл, получалось, интуитивно сделал в своих формулах нечто подобное «заранее».

*

Но вот прошла сотня лет. В 2003 году, в августовском номере журнала Nature появилась статья [1], посвященная экспериментам в области, весьма далекой, на первый взгляд, от фундаментальных проблем физики. Работа Джанфранко Д’Анна и его коллег сконцентрирована на изучении броуновского движения в так называемой «гранулированной жидкости», то есть материале мелкозернистой структуры в условиях постоянных вибраций. Если вспомнить историю, то исследованию такой же задачи, но только для объяснения диффузионного броуновского движения частиц в жидкости обычной, была посвящена и одна из статей Эйнштейна в его знаменитой серии работ 1905 года, навсегда изменивших облик физики. Статья о диффузии, конечно, была тоже замечена, однако по масштабам своего последующего влияния никак не сравнима с релятивистскими и квантовыми идеями Эйнштейна. Никому, похоже, не приходило в голову, что ВСЕ новые идеи безвестного клерка из патентного бюро могут быть тесно связаны друг с другом.

Как бы там ни было, теория Эйнштейна для броуновского движения получила самостоятельное развитие в термодинамике равновесных процессов. К концу 1920-х годов на основе этих результатов другие исследователи показали, что точными измерениями свободных и вынужденных колебаний жесткого маятника кручения, погруженного в обычную жидкость, можно определять температуру и вязкость среды. То есть два важнейших параметра, практически полностью определяющих поведение жидкости. Однако – это важно подчеркнуть – успешно работает данная теория (как, собственно говоря, и все прочие нынешние теории, описывающие поведение твердых тел, жидкостей и газов) лишь в предположении теплового равновесия среды.

Для материалов гранулированной структуры все обстоит существенно иначе, поскольку их поведение очень отличается от обычной материи. В неподвижном состоянии масса гранул больше всего похожа на твердое тело, однако при различных вибрациях может демонстрировать свойства стекловидного тела, жидкости или газа. Иначе говоря, гранулированный материал – сам по себе и твердое тело, и жидкость, и газ, но все эти состояния имеют собственные, весьма специфические свойства. В частности, «гранулированная жидкость» в принципе не может находиться в состоянии равновесия – она всегда нуждается в постоянной подаче вибрационной энергии для поддержания своего «жидкого» состояния.

Поскольку внешне поведение вибрирующих гранулированных материалов выглядит очень похоже на жидкость, то возникает вопрос. А не будет ли эксперимент с использованием жесткого маятника и здесь отражать похожее соотношение, выведенное в свое время Эйнштейном для описания диффузии в обычной жидкости? Несложное экспериментальное оборудование, требующееся для ответа на этот вопрос, было вполне доступно и в 1920-е годы, однако физика гранулированных материалов еще очень долго ускользала от внимания ученых. Лишь в 2003 году работа, проделанная Д’Анна и его коллегами, убедительно показала, что действительно, те же самые соотношения броуновского движения оказываются справедливы и для гранулированных жидкостей. Ученые поместили 50 000 стеклянных бусин в небольшой контейнер, который вибрировал с высокой, случайным образом меняющейся частотой для порождения «жидкого» поведения среды, и опускали туда конической формы маятник кручения. Каков бы ни был размер конуса пробника, «эффективная температура» и «эффективная вязкость» гранулированной жидкости, введенные по аналогии с жидкостью обычной, аккуратно отражали поведение неупорядоченного движения бусин.

**

В подавляющем большинстве научно-популярных статей и университетских пресс-релизов, сообщающих о новых достижениях в исследовании физики гранулированных материалов, основной акцент делается на сугубо утилитарные приложения открытий: в химической индустрии, фармацевтике, пищевой промышленности и подобных им областях. Причины тому очевидны – для финансирования исследований позарез нужны спонсоры, а значение эффективной промышленной обработки гранулированных материалов популярно объяснять проще всего. Однако из научных статей самих ученых-исследователей и по содержанию их веб-сайтов легко увидеть, что вообще-то физики ставят здесь перед собой намного более масштабные цели.

Как уже говорилось, имеющиеся сегодня физические теории хорошо работают только с равновесными процессами, в то время как большинство процессов, происходящих в природе, имеет отчетливо неравновесный или, как еще часто выражаются, «термодинамически необратимый», характер. Стройной теории для физики необратимых процессов пока не существует, поскольку в системах, далеко отклонившихся от равновесия, центральную роль начинают играть нелинейные процессы, зачастую непредсказуемые и приводящие к разнообразным поразительным феноменам, наблюдаемым как в экспериментах, так и повсюду во вселенной – от микромира частиц до структуры галактик. При этом оказалось, что вибрирующие материалы зернистой структуры – твердые и «мягкие» (суспензии, коллоиды, пена) – предоставляют чрезвычайно перспективный полигон для исследования того, как весьма простые физические системы могут порождать сложное поведение типа самоорганизации, формирования геометрических структур и фрактальных паттернов, неравновесных переносов материала или разного рода осцилляций.

На необычных осцилляциях следует задержаться особо. Например, в физике высоких энергий за последние годы получены экспериментальные результаты, в чем-то весьма созвучные опытам с осциллонами в вибрирующих гранулированных средах. Так, гигантская команда-коллаборация CDF, объединяющая свыше 700 ученых из разных стран (для фантастически дорогих экспериментов физики частиц ныне это норма), в апреле 2006 года объявила о важном результате. Исследователям удалось точно измерить скорость осцилляций специфической субатомной частицы, B_S-мезона, совершающего самопревращения между состояниями материи и антиматерии с фантастической частотой 3 триллиона (т.е. миллиона миллионов) раз в секунду.

Частица носит название странный нейтральный B-мезон и состоит из пары кварков, именуемых bottom-кварк и странный анти-кварк. Такого рода экзотические частицы в естественном виде в природе не отмечаются, а порождаются лишь на мгновение при высокоэнергетических соударениях протона и антипротона в ускорителях. Согласно Стандартной Модели, такой мезон может самопревращаться в свою античастицу, состоящую из странного кварка и bottom-антикварка, а изучающие его физики надеются отыскать здесь подсказки к загадке вопиющего несоответствия в количествах материи и антиматерии в природе.

***

Пока что, правда, нельзя сказать, что экспериментально вычисленная скорость осцилляций B_S-мезона внесла в проблему хоть какую-то ясность. Более того, можно даже говорить, что этот точный результат даже запутывает физиков, поскольку другая популярная среди теоретиков модель, известная как суперсимметрия и претендующая на существенное развитие Стандартной Модели, предсказывает для осцилляций мезона намного большие скорости. Иначе говоря, успешные и надежные в результатах эксперименты не дали совершенно никаких подтверждений для суперсимметрии, а наиболее честный ответ теоретиков пока звучит примерно так: «Мы не знаем, что все это значит»…

Спрашивать совета у специалистов по вибрирующим гранулированным средам, похоже, пока что в голову физикам высоких энергий не приходит. С другой стороны, Министерство энергетики США (которому принадлежат наиболее мощные американские ускорители, включая и Tevatron в центре Fermilab, с данными которого работала интернациональная коллаборация CDF) ныне активно финансирует исследования по свойствам материалов мелкозернистой структуры. И что характерно, заметные работы американских ученых, проделанные в этом направлении в 1990-е годы, постепенно изымаются из свободного интернет-доступа.

Наиболее показательно, можно сказать, эта тенденция проявилась в 2005 году, когда на фоне широко отмечавшегося столетия эйнштейновского «года чудес» совершенно незамеченным осталось «закрытие» веб-сайта профессора Пола Амбенхауэра. Хотя этот ученый, открывший феномен осциллонов в середине 1990-х, продолжает плодотворно работать в области вибрирующих гранулированных сред и генерации жидко-мелкодисперсных материалов, на его сайте с 2005 года зависла чистая черная страница со следами некоей картинки-заставки. Сама картинка не вывешивалась из-за мелкой синтаксической ошибки (пропущенной кавычки) в коде веб-страницы, однако по известному адресу до картинки добраться несложно. Выглядит она достаточно просто и в то же время выразительно – надпись «на реконструкции», помещенная на фоне «вертолета» из набросков Леонардо да Винчи.

Закрытый на реконструкцию сайт первооткрывателя осциллонов

Конечно же, можно считать все эти события – исчезновение статей, закрытие сайта, потерю картинки и ее «неоднозначное» содержание – случайной цепью никак не связанных событий. Но также можно заметить здесь и некоторую закономерность. А углядев, попытаться выяснить, что может означать символ летательного аппарата на основе вращающейся спирали, размещенный вместо сайта, посвященного феноменам осцилляции. Попутно припомнив, что весьма созвучная проблема – идущая из снов загадочная и важная связь осцилляции со спином-вращением – сильнейшим образом интересовала Вольфганга Паули в последние годы его жизни.

[1] G. D’Anna, P. Mayor, A. Barrat, V. Loreto, F. Nori. «Observing Brownian motion in vibration-fluidized granular matter», Nature 424, 909 (2003)