Как бы ни был компактен раздел фейнмановских лекций, посвященный гидродинамике, в нем хватило места, чтобы емко и наглядно продемонстрировать суть нерешенных проблем в этой области. Правда, сам лектор в этом месте намеревался продемонстрировать аудитории нечто совершенно иное – циркуляцию жидкости в вертикальной трубе.

Для этого предлагается рассмотреть наполненный водой прозрачный цилиндрический резервуар с закрытым пробкой отводным отверстием в центре дна. Фейнмана интересует форма воронки, которая образуется на поверхности воды, если открыть пробку и позволить воде свободно вытекать. Для того, чтобы получился красивый эффект вращения водяного вихря (который все наверняка не раз видели в ванне), жидкость, по мнению лектора, надо предварительно раскрутить палочкой. Хотя поначалу этим создается некоторая угловая скорость вращения, отмечает Фейнман, вскоре циркуляция из-за вязкости затухает и поток становится безвихревым…

Любой человек, внимательно наблюдавший за тем, как из ванной вытекает жидкость, отлично знает, что в реальности все происходит совсем не так, как это описано в «мысленном эксперименте» Фейнмана. Ученый, по сути дела, на словах описал суть базовых гидродинамических уравнений, которыми оперируют физики. Из них следует, что циркуляция в жидкости не может возникнуть сама по себе, а если ее не поддерживать, то из-за вязкости циркуляция затухает.

Если же эксперимент проводить не с воображаемым резервуаром, а с вполне конкретной ванной, наполненной водой, то очень легко установить, что циркуляция воды над открытым отверстием стока образуется в стоячей воде сама по себе, без всякого помешивания. Причем интенсивность вращения не затухает, а совсем напротив, усиливается, так что воронка увеличивается в глубину и у нее появляется «хобот», вытягивающийся непосредственно до сливного отверстия.

*

Теоретического обоснования для этого эффекта – когда безвихревое поступательное движение жидкости порождает и поддерживает ее циркуляцию в плоскости, перпендикулярной потоку – в физике на сегодняшний день не предложено. Но коль скоро вихревое вращение жидкости у сливного отверстия ванны – это абсолютно достоверный и прекрасно известный факт, то он должен быть как-то разъяснен с научных позиций. И вот рождается объяснение через известный в механике эффект Кориолиса, свойственный всем вращающимся системам отсчета и воздействующий на любое тело силой, перпендикулярной направлению движения.

В условиях вращающейся Земли этот эффект отвечает за отклонение маятника Фуко, а для процесса образования циклонов в атмосфере планеты сила Кориолиса очень хорошо объясняет, почему в северном полушарии циркуляция воздушных масс закручена против часовой стрелки, а в южном полушарии наоборот – по часовой стрелке. По аналогии с циклонами – как следствие вращения планеты – объяснили и воронки в ванной, откуда автоматически следовало, что направление завихрения воды, вытекающей из резервуара, должно зависеть от полушария, в котором вы находитесь.

Эта идея со временем обрела столь масштабную популярность, что сегодня ее можно встретить не только в поверхностных научно-популярных книжках и статьях, но и во вполне солидных учебниках по физике. Но при этом, что характерно, никогда не приводятся цифры расчетов. А они свидетельствуют, что из-за очень медленного вращения планеты (всего 1 оборот в сутки) эффект Кориолиса реально не способен влиять на поведение водостока в раковине или ванной.

При известных в среднем параметрах – размерах резервуара и скорости жидкости – сила Кориолиса оказывается примерно в 10 тысяч раз меньше других факторов, влияющих на движение. Иначе говоря, чтобы эффект Кориолиса мог бы хоть как-то сказаться на ускорении жидкости, процесс вытекания должен занимать порядка 3 часов. По этой причине специалисты по гидродинамике называют столь популярное объяснение не иначе, как массовым заблуждением или «фарсом Кориолиса».

**

Дабы сделать картину еще более загадочной, уместно вспомнить, что аналогичные расчеты применяют также для анализа куда более серьезной проблемы – формирования и поведения разрушительных смерчей или торнадо. Так же, как для воронки в ванной, вычисления и здесь показывают, что значения параметров системы не могут обеспечить непосредственное влияние вращения Земли (эффекта Кориолиса) на направление закручивания смерча. Но поскольку пристальные наблюдения метеорологов за торнадо ведутся на протяжении многих десятилетий, достоверно известно, что вихрь смерча практически всегда (в 99 случаях из 100) закручен как у циклона – по часовой стрелке в южном полушарии и противоположно в северном. Почему так происходит, неизвестно.

Впрочем, это далеко не самый загадочный момент в поведении торнадо, физика которых по сию пору остается плохо понимаемой. В частности, нет удовлетворительного объяснения для того, как вращение воздуха в центре грозы опускается удлиняющимся «хоботом» до поверхности земли и становится столбом смерча. Внутри бешено вращающегося столба происходит мощная ионизация воздуха и часто наблюдаются электрические разряды-молнии. При этом специальные допплеровские радары и люди, случайно оказавшиеся в эпицентре бушующей стихии, свидетельствуют, что большинство торнадо имеют в своей сердцевине совершенно спокойную и ясную зону с чрезвычайно низким давлением, что очень похоже на «глаз бури» в тропических тайфунах.

Среди внушительного множества тех неясных моментов, что остаются в науке относительно физики торнадо, здесь особый интерес представляет эффект, по сути дела обратный процессу водостока в раковине. Если там поступательное движение жидкости, вытекающей через отверстие в дне сосуда, порождает вращение в плоскости, перпендикулярной направлению слива, то в явлении торнадо происходит прямо противоположное. Тут речь идет о таком процессе, когда вращение воздуха или жидкости порождает поступательное движение (отрастание «хобота»), перпендикулярное плоскости циркуляции.

Хотя теоретические основы обоих этих процессов неясны, из экспериментальных наблюдений логично заключить, что имеются веские основания считать их разными сторонами одного и того же по сути явления. Суть которого в том, что поступательное и вращательное движение жидкости неразрывно друг с другом связаны. Иначе говоря, всякое явление вращения жидкости в той или иной степени порождает в ней поступательное движение, также как, соответственно, при поступательном движении возникает эффект вращения.

***

Хотя данный вывод, сделанный сугубо эмпирически, плохо согласуется с общепризнанной теорией для физики жидкостей и газов, на нем хотелось бы настоять особо по двум следующим причинам. Во-первых, именно эта идея – о неразрывной связи вращательного и поступательного движений – не раз фигурировала как чрезвычайно важная в физических снах Вольфганга Паули. Причем особенный акцент, если вспомнить сон «с танцем китаянки», делался на том, как поступательные осцилляции порождают вращение.

Во-вторых же, сколь бы странным это не представлялось, одним из наиболее перспективных, возможно, направлений, сулящих раскрыть тайны связей между поступательным и вращательным движением жидкостей, представляется ныне астрофизика. Здесь в последние десятилетия весьма плотно занялись изучением загадочного и, как выясняется, совсем нередкого во вселенной явления под названием «полярные джеты аккреционных дисков».

Аккреционные (то есть прирастающие) диски – повсеместно распространенный в астрофизике феномен. Этим термином именуют космических масштабов вращающиеся дисковидные структуры, образующиеся из межзвездного материала (газа, пыли), притягиваемого к источнику гравитации. Активные ядра галактик, молодые рождающиеся звезды, протопланетные дисковые структуры – вот лишь некоторые из космических объектов, где отмечаются аккреционные диски разных масштабов. При этом новые телескопы астрофизиков, сканирующие небо в разных частотных диапазонах, показали, что аккреционные диски очень часто порождают узкие струи энергии, или полярные джеты, испускаемые по оси вращения диска.

Физический механизм, порождающий эти джеты, остается неясным. Ясно лишь то, что испускать джет в разных диапазонах излучений могут и диски, вращающиеся вокруг черных дыр, и диски старых нейтронных звезд или белых карликов, и диски совсем молодых звезд, возрастом всего несколько сотен тысяч лет. Причем испускание джетов из родительской звезды происходит не постоянным потоком, а в виде череды импульсов, свидетельствующих об осцилляции источника… И как знать, быть может более глубокое понимание физики полярных джетов поможет пролить свет не только на тайны торнадо, но и на загадки квантовой механики.