Труды норвежского затворника Карла Бьеркнеса, здесь выступающие в качестве фундамента для гидродинамической модели электромагнетизма, в мире большой науки XX века упоминались крайне редко. А если же о них и вспоминали, то лишь в узкой области исследований, сосредоточенных на изучении пузырьков в жидкости, возбуждаемой внешними колебаниями акустического или ультразвукового диапазона частот. К 1990-м годам, что примечательно, именно это направление стало вызывать обостренный интерес, поскольку физика пузырьков в такого рода системе все больше стала удивлять ученых неожиданными результатами.

Интерес этот, безусловно, в первую очередь вызван поразительным явлением сонолюминесценции, с которым ныне связывают надежды на управляемый «термоядерный синтез на рабочем столе». Однако и помимо занятного феномена со свечением жидкости под действием звуковых волн, физические свойства пузырьков в подверженной регулярным колебаниям среде дают богатую картину для анализа и обобщений.

В качестве одного из наглядных тому примеров можно привести работу группы исследователей из американского Университета штата Нью-Йорк в Буффало (N. Ashgriz, T. Barbat, C.-S. Liu), в середине 1990-х годов углубленно изучавших «Динамику двух взаимодействующих пузырьков в акустическом поле». Такое название получила соответствующая статья авторов на данную тему в Journal of Fluid Mechanics за 1999 год.[1]

Анализ «первичных и вторичных сил Бьеркнеса», возникающих в результате сложного взаимодействия волн от собственных колебаний пузырьков и ультразвуковых вибраций в жидкости, дал картину с довольно причудливой динамикой. В частности, выяснилось, что силы Бьеркнеса имеют две составляющих. Первая известна давно, обратно пропорциональна квадрату расстояния между пузырьками и, подобно электромагнетизму, может быть притягиванием или отталкиванием – в зависимости от сдвига фазы в колебаниях пузырьков. Вторая же составляющая всегда является силой взаимного отталкивания и обратно пропорциональна пятой степени расстояния. Иначе говоря, это сила, которая на малых расстояниях удерживает притягивающиеся друг к другу вибрирующие пузырьки от столкновения и схлопывания.

*

Иными словами, если – в духе Бьеркнеса – считать физику пузырьков в такой системе моделью взаимодействий электрически заряженных частиц, то появляется совершенно естественный ответ на одну из больших загадок в устройстве материи. Ни классическая, ни квантовая теория электромагнетизма не объясняют, почему в атоме водорода электрон никогда не падает на протон, несмотря на постоянное взаимное притяжение частиц. Две же компоненты волновых сил Бьеркнеса, на больших расстояниях притягивающие разнополярные частицы, а на близких отталкивающие, могли бы объяснить загадочную стабильность атома простым уравновешиванием двух компонент.

Более того, коль скоро вторая компонента Бьеркнеса является силой отталкивания для любых зарядов, из этого также следует, что она, по идее, должна накапливаться с увеличением массы объекта. И сколь бы близкодействующей она ни была, для очень массивных объектов вроде планет или звезд, это должно проявляться при их сближении – но при условии сравнимой величины масс. Возможно, именно этим объясняется загадочная стабильность системы Земля-Луна, где спутник с такой массой и таким периодом обращения по законам небесной механики должен двигаться по сужающейся спирали, неуклонно приближаясь к планете – однако реально этого, как известно, не происходит… Впрочем, эта тема уводит сюжет совсем в другую сторону от главного направления.

А именно, от богатой физики пузырьков в жидкости, совершающей вынужденные колебания. Где самым выдающимся феноменом является, несомненно, сонолюминесценция. То есть эффект излучения света пузырьками, возникающими в жидкости при ее возбуждении звуком. Впервые это явление было обнаружено германскими учеными из Кельнского университета в 1934 году – на пике открытий квантовой физики – однако в то время феномен совершенно не вызвал у физиков сколь-нибудь заметного интереса. Такая ситуация сохранялась на протяжении последующего полувека, и лишь к концу 1980-х годов сонолюминесценция начала привлекать подобающее ей внимание ученых.

Главным событием, вызвавшим эти перемены, стали результаты исследований группы Фелипе Гаитана из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которой впервые удалось подробно изучить явление сонолюминесценции в стабильных условиях. До этого в экспериментах могли получать лишь тусклые одиночные вспышки света, природу которых изучить было очень сложно. А Гаитан и его коллеги (D.F. Gaitan, L. Crum, R. Roy, C. Church) сумели построить опыт так, что в их установке единственный пузырек оказывался захвачен в определенном месте стоячей акустической волны, регулярно испуская свет вместе с каждой пульсацией среды [2]. Такая технология эксперимента в течение 1990-х годов позволила развернуть систематическое изучение феномена, а получавшиеся при этом результаты производили ошеломительное впечатление. Достаточно лишь сказать, что температура внутри пузырька посреди контейнера с холодной водой оказывалась выше, чем температура плавления стали.

**

Общий список всех удивительных, парадоксальных и сильно озадачивающих ученых свойств, которыми обладает сонолюминесценция, оказывается весьма длинным. Вот лишь некоторые из них. Испускание света происходит в самом конце очень быстрого цикла сжатия пузырька, когда его размер уменьшается до величины порядка 1 микрометра, т.е. 1 тысячной доли миллиметра. Вспышка света при этом столь кратковременна, что поначалу у высокоточных оптических сенсоров просто не хватало разрешающей способности для фиксации длительности, поэтому был установлен лишь верхний предел – порядка 50 пикосекунд (1 пикосекунда равна триллионной доли секунды). Измерения более продвинутой аппаратурой в последующие годы сократили наблюдаемый интервал еще значительнее – до величины менее 12 пикосекунд. При сравнении относительно малой акустической энергии возбуждения, прикладываемой к системе, с интенсивностью излучаемого пузырьком света (10⁵-10⁷ фотонов на вспышку), вычисления показывают, что данный феномен в точке фокуса-вспышки концентрирует плотность энергии примерно в триллион раз (миллион миллионов или 10¹²)…

Важной особенностью сонолюминесцентной вспышки является ее гладкий спектр излучений без каких-либо характерных спектральных линий. Такого рода спектр соответствует излучению абсолютно черного тела, причем стандартный аппарат физических расчетов здесь дает примерно такую картину: при температуре воды 22 градуса по Цельсию спектр сонолюминесценции соответствует спектру черного тела, разогретого до 25 000 кельвинов, а при охлаждении воды до 10^о – спектру черного тела в диапазоне свыше 50 000 градусов (т.е. больше, чем на поверхности Солнца). Причем интенсивность излучаемого света заметно растет в сторону уменьшения длины волны. Частоты ультрафиолета и выше поглощаются водой, но оценки показывают, что в терминах излучения абсолютно черного тела наблюдаемый спектр может свидетельствовать о температурах свыше миллиона кельвинов. Иначе говоря, о температурах термоядерных реакций внутри звезд.[3]

Наконец, еще одна очень существенная черта сонолюминесценции – это редкостная стабильность пульсаций пузырька, как в смысле позиции точки в пространстве, так и – самое главное – в смысле чрезвычайно строгой периодичности вспышек [4]. Эксперименты показали, что частота световых вспышек в действительности оказывается намного более стабильной, чем частота ультразвукового осциллятора, генерирующего звуковые волны в воде. Иначе говоря, похоже на то, что ультразвуковые колебания здесь накладываются на внутренние вибрации материи с куда большей частотой, приводя к периодическим резонансным всплескам-вспышкам.

Но такую идею, впрочем, привлекать для объяснения сонолюминесценции пока не принято. Удивительный феномен пытаются, естественно, постичь на основе знаний, уже имеющихся у физиков. Разнообразных гипотез, объясняющих механизм сонолюминесценции, на сегодняшний день предложено в изобилии. Но поскольку в большинстве своем они серьезно противоречат друг другу, и при этом не способны внятно моделировать все стороны явления, можно сказать, что ясной картины здесь получить так и не удается.

***

В качестве одной из наиболее оригинальных – обычно, правда, тут употребляется слово экзотических – теорий сонолюминесценции нередко упоминают идею, разработанную Клаудией Эберляйн. В 1995-1996 гг. она предложила механизм [5], описывающий сонолюминесценцию как излучение, порождаемое скоррелированными, т.е. согласованными флуктуациями квантового вакуума. В квантовой теории постулировано, что вакуум заполнен хаотически взаимодействующими виртуальными частицами. Одним из наиболее известных проявлений скрытой энергии квантового вакуума считается эффект Казимира, когда хаотически движущиеся виртуальные фотоны обеспечивают взаимное притяжение параллельных незаряженных пластин на близком расстоянии. Что же касается сонолюминесценции, то здесь, по гипотезе Эберляйн, граница пузырька, разделяющая воду и пар, при сжатии движется настолько быстро, что превращает виртуальные фотоны вакуума в реальные фотоны световых вспышек. Хотя в статьях автора нет ни слова о черных микродырах пространства, комментаторы отметили определенное идейное сходство описанного механизма с излучением Хокинга, т.е. гипотетическими процессами излучения фотонов космическими черными дырами. Но в целом теорию Эберляйн, довольно дружно раскритикованную коллегами, в рядах научного сообщества практически никто не поддержал. Однако было признано, что окажись она верной, сонолюминесценция стала бы первым реально наблюдаемым эффектом излучения квантового вакуума.

Не исключено, что в модели Эберляйн со временем удастся разглядеть куда больше, чем это представлялось поначалу. Ну а для той модели, что конструируется здесь, особо следует выделить идею о схлопывающемся пузырьке как о микроскопической черной дыре. Или, чуть иными словами, о периодически образующемся в ткани пространства-мембраны микропроколе, через который определенной порцией впрыскивается энергия из другого, параллельного мира-мембраны.

В вольных терминах и понятиях данной модели нет особой разницы между словами «квантовый вакуум», «эфир зернистой структуры» или, скажем, «вихревая губка пространства». Но существенно, что гранулированное микровихрями пространство имеет структуру двухслойной мембраны и постоянно вибрирует с очень высокой частотой. Так что спонтанно возникающие здесь осциллоны – или частицы материи, иными словами – на одной стороне мембраны являются протонами, а на другой электронами. Тогда регулярно схлопывающийся в сонолюминесцентной жидкости пузырек, соответственно, оказывается удобной и наглядной макромоделью для жизни такого осциллона. В одной своей фазе это сравнительно большая и разреженная область пространства в виде естественно образующегося пузырька-«протона», а в противоположной фазе – куда меньший размером энергетический сгусток-«электрон», формирующий кратковременной точечный прокол в мембране. А поскольку с противоположной стороны двухслойной мембраны плотность материи и энергии намного выше (согласно общей модели, все частицы «нашего» мира на другой стороне мембраны сконцентрированы в теле звезды), то оттуда через микропрокол происходит естественный выброс порции лучистой энергии.

И подобно тому, как пузырек сонолюминесценции в каждом такте своих сжатий испускает вспышку света, пульсирующий осциллон материи в каждой фазе электрона испускает единичный фотон или квант энергии. Исходя из хорошо известных в физике опытов с барабаном, наполненным дымом и имеющим отверстие, естественно предположить, какую форму должен иметь этот минимальный квант энергии. Вероятно, это должна быть форма вихревого кольца, вылетающего из отверстия, когда ударяют в мембрану барабана.

[1] Tiberiu Barbat, Nasser Ashgriz, Ching-Shi Liu. «Dynamics of Two Interactive Bubbles in An Acoustic Field». Journal of Fluid Mechanics (1999), 389: 137-168 Cambridge University Press

[2] D. Felipe Gaitan, Lawrence A. Crum, Charles C. Church, and Ronald A. Roy. «Sonoluminescence and bubble dynamics for a single, stable, cavitation bubble». Journal of the Acoustical Society of America, June 1992, Volume 91, Issue 6, pp. 3166-3183

[3] Moran M.J., Haigh R.E. et al.»Direct observations of single sonoluminescence pulses», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Volume 96, Number 3, May 1995 , pp. 651-656(6)

[4] J.D. Cheeke. «Single-bubble sonoluminescence: bubble, bubble toil and trouble». Canadian Journal of Physics, Volume 75, Number 2, February 1997

[5] Claudia Eberlein, «Sonoluminescence as quantum vacuum radiation», Phys. Rev. Lett. 76, 3842 (1996) arXiv:quant-ph/9506023 ; «Theory of quantum radiation observed as sonoluminescence», Phys. Rev. A 53, 2772 (1996); arXiv:quant-ph/9506024