ШАРОВАЯ МОЛНИЯ— ОДНА ИЗ МУЧИТЕЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ. ГИПОТЕЗА КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК О. И. МИТРОФАНОВА ОБЪЯСНЯЕТ ВЕСЬ КОМПЛЕКТ СВОЙСТВ ЗАГАДОЧНОГО ЯВЛЕНИЯ, НО ПЛАТИТЬ ЗА НЕЕ ПРИХОДИТСЯ ВЕСЬМА ДОРОГОЙ ЦЕНОЙ; НЕОБХОДИМО ПЕРЕСМОТРЕТЬ СЛОЖИВШЕЕСЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ЭЛЕКТРОНЕ. СПЕЦИАЛИСТЫ, ПРОЧИТАВ ЭТУ СТАТЬЮ, ВРЯД ЛИ СОГЛАСЯТСЯ С ИДЕЯМИ АВТОРА. ХОТЯ, ВОЗМОЖНО, МНОГИМ ОНИ ДОСТАВЯТ УДОВОЛЬСТВИЕ ИГРОЙ УМА И БЛЕСКОМ ФАНТАЗИИ.
Множество объяснений природы шаровой молнии вызывает такую досаду, как и обилие средств от облысения. За полтора века научного изучения шаровом молнии перепробовали, кажется, все мыслимые гипотезы: от простодушного «громового вещества» прошлого столетия до вполне современной антиматерии. Время идет — наверное, где-то привлекаются и «черные дыры», но главная тенденция такова: на смену распространенным прежде химическим воззрениям хлынул поток модных плазменных теорий, что, впрочем, мало помогло делу, поскольку в самых совершенных магнитных ловушках плазма сохраняется лишь ничтожные доли секунды. Автор отличной книжки «Природа шаровой молнии» С. Сингер приходит к печальному выводу «Теория плазмы и экспериментальные исследования не в состоянии объяснить образование длительно существующего плазменного сгустка в естественных условиях. По-видимому, обязательными для любой структуры из плотной высокотемпературной плазмы являются мощные и сложные внешние поля». Однако шаровая молния, в буквальном смысле слова, яркое доказательство обратного.
Остается предположить, что, помимо принудительного удержания плазмы внешними полями, существует принципиально иной путь — путь самолокализации. Кстати, это стандартный урок природы: так, некоторые процессы, спокойно идущие в нежной живой клетке, для искусственного воспроизведения требуют громоздкой технологии, высоких давлений и значительных температур.
Появление шаровой молнии чаще всего связывают с грозой, естественно и нам начать с разряда всеми виденной, падающей из тучи линейной молнии (иногда ее называют зигзагообразной). Каким образом в облаках возникают электрически заряженные области, — толком никто не знает, но известно, что разность потенциалов между грозовым облаком и землей зачастую достигает миллиарда вольт. Воздушный изолятор оказывается слабоватым для таких условий — развивается пробой: ослепительный разряд с током в сотни тысяч ампер рассеивает миллиарды джоулей энергии.
Обычно от облака к земле переносится отрицательный заряд — значительно реже положительный (зато переносимый при этом заряд втрое больше — до 300 кулон). Сверхскоростное фотографирование показало, что вспышка «типовой» молнии длится около четверти секунды и состоит из нескольких отдельных импульсов, последовательно пробегающих по каналу, проложенному первым — самым мощным. Первый импульс начинается слабосветящимся ступенчатым лидером, движущимся вниз 50-метровыми рывками. Когда лидер устанавливает контакт с землей, вверх со скоростью до 100 000 км/сек устремляется возвратный удар, порождающий наблюдаемые нами световые и звуковые эффекты. Как это часто бывает в жизни, малоприметный ступенчатый лидер переносит вдвое больший заряд, чем блистательный возвратный удар. Лидеры последующих импульсов, если они есть, называются стреловидными — они распространяются с постоянной скоростью и предшествуют более слабым возвратным ударам.
Существуют еще и внутриоблачные разряды, но, хотя происходят они чаще, чем разряды облако — земля, информации о них совсем мало. И наконец, имеются единичные сообщения о медленных змеевидных разрядах, молниях с закругленным концом и прочих невероятностях
Известный американский физик М. Юман в своей книге «Молния» так характеризует ситуацию: «Общее плачевное состояние проблемы иллюстрируется различными теориями ступенчатого лидера и далее: «Для объяснения образования ступеней привлекаются такие понятия, как пространственный заряд, рекомбинация, захват электронов и процессы ионизации. Правда, это мало что дает, поскольку физика этих явлений запутана и неточна».
Бытует мнение, что загадка шаровой молнии не поддается решению из-за редкости феномена и недостаточной подготовки наблюдателей, но, как видно, не все еще разгадано и у линейной молнии, хотя ее регулярно наблюдают специалисты. Это обескураживает. Впрочем, одно установлено твердо: часть энергии канала разряда, «отлитая» в литровый объем, даст около 104 Дж, т. е в тысячу раз меньше, чем оказалось в шаровой молнии, которая на радость науке угодила в бочку с водой.
Чтобы проследить за превращением линейной молнии в шаровую, обратимся к самом острому моменту: лидер только что проложил токопроводящий канал, и от земли навстречу облаку рванулся возвратный удар. Скорость нарастания тока в этом мощном, разряде очень велика, а значит, у головы разряда быстро растет и магнитное поле — то самое, что охватывает всякий проводник с током и вообще любой ток. В свою очередь изменяющееся магнитное поле индуцирует вихревое электрическое и, если его напряженность превысит электрическую прочность воздуха, произойдет пробой. Ток пробоя охватит криволинейную ось тора — вспыхнет кольцо. Плазменное кольцо, венчающее голову разряда, напоминает измерительный трансформатор на токовой шине, и, надо сказать, сходство это только внешнее: плазма взаимодействует с током импульса как обмотка настоящего трансформатора,— энергия импульса перекачивается в энергию вихревого тока, и линейна молния, словно чулок, начинает скатываться в почти неподвижный плазменный жгут.
Вихревой ток «молодого кольца создается электронами — массивные ионы реагируют медленно. Однако ток электронов длится недолго: закрученные магнитным полем разряда, электроны теряют энергию, как всякий осциллирующий заряд, скорость их падает, и они, остывая, группируются вдоль оси жгута. Электроны будут двигаться по сходящимся спиралям — это очевидно, но не менее очевидны кулоновские силы отталкивания, которые не должны позволить электронной компоненте плазмы группироваться ни вдоль оси жгута, ни в любом другом месте.
Внимание! Мы подошли к ключевому моменту формирования устойчивого плазменного сгустка — теперь самое время оставить кольцо в покое и попытаться найти подтверждение еретической мысли о слипании холодных электронов в магнитом поле. Существование объединений электронов в виде куперовских пар и экситонных капель делает подобное предположение не таким уж нелепым, но сейчас речь не о том. Нас интересует возможное отличие фигуры поля электрона от сферы, и поскольку какая-либо экспериментальная оценка этого параметра отсутствует, пробел в опытных данных, как обычно, придется восполнить теоретическими соображениями о происхождении заряда электрона: то есть выяснить, как устроен электрон.
Несмотря на то, что элементарные частицы начали изучать много позже шаровой молнии, достижений здесь много больше «дуализм», «странность», «шарм», откровенно мистические «духи» и даже «химерон», «конспиративный пион» и, наконец, «шизофренический померанчон», как назвали одну из виртуальных частиц. Правда, назвать — еще не значит объяснить, и терминологическая эскалация свидетельствует не о крупных успехах, а скорее о настроении исследователей. Периодические призывы к безумству тоже можно понять — ведь крошечные частицы оказались не по зубам самой теории относительности. В конце концов, они были объявлены непредставимыми.
Но коль скоро электрон существует, то он как-то устроен — от этого не уйти, и если вращающийся заряженный шарик не годится на роль его модели, стоит ли отказываться от попыток моделирования вообще? Так, когда обнаружилась несостоятельность модели. Земли в виде плоскости на трех китах, ее заменили вращающимся намагниченным шаром. Кстати, что будет, если вращать магнит вокруг оси? Ответ на этот невинный вопрос не слишком очевиден даже для тех, кто знает об униполярных машинах: оказывается, с точки зрения неподвижного наблюдателя, такое устройство эквивалентно электрическому заряду. В самом деле, магнитное поле, вращаясь вместе с телом магнита индуцирует электрическое поле которое, в свою очередь, действует на пробный заряд (могут возникнуть сомнения — а вращается ли поле вместе с магнитом? Не будем спорить: через три абзаца мы перейдем к системе, в которой вращение силовых линий не требует доказательств, а пока примем это утверждение на веру).
Можно прийти к этому неожиданному выводу и по-другому: обнести пробный заряд вокруг неподвижного магнита. В этом случае на заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца направленная так же, как до смены координат. Оба мнения равноправны и представляют различные объяснения одного и того же явления — возникновение силы, действующей на пробный заряд. Ясно что изменение полярности или направления вращения магнита приведет к смене знака нашего самодельного заряда.
Конечно, электрон — отнюдь не вращающийся магнит, где его взять и куда деть, скажем, при аннигиляции. Да магнит нам бы и не понадобился, если бы поле существовало самостоятельно. Оказывается, такое явление имеет место при некоторых условиях магнитное поле, «упакованное» в замкнутую вихревую трубку электронных размеров не растекается электромагнитной волной, а приобретает свойстве автомодельности. Вообще сконцентрированная до определенной плотности энергия создает в вакууме (теперь так стыдливо именуют зефир) фокусирующую неоднородность, образуя для себя самой ловушку-резонатор.
Попытки приспособить вихревое кольцо в качестве модели электрона начались очень давно, благо Гельмгольц выполнил фундаментальные исследования замкнутых вихрей еще в середине прошлого века, т. е. в доэлектронную эру. Однако идея вихревого электрона сталкивалась с нежеланием колец оставаться в покое, они сохраняют размеры только при непрерывном поступательном движении и, будучи остановлены, расплываются, как круги на воде. Выход из положения подсказал Максвелл. Занимаясь моделированием вихревого атома (электрон тогда и открыт-то не был), он заузлил замкнутую вихревую трубку в виде трилистника. Иное решение нашел академик Мицкевич, его электрон — два вихревых кольца, сцепленных подобно звеньям цепи. Такая система, как и трилистник Максвелла, вращается (обладает спином) и поэтому движется поступательно несколько медленнее, чем отдельное кольцо, не все же чересчур быстро для электрона.
Соорудить неподвижный электрон из движущихся колец сумел московский физик В. А. Бунин. Он поступил просто уложил в плоскость два ориентированных в разные стороны кольца, и в результате им пришлось гоняться друг за другом. От пары лежащих рядом колец до восьмерки нет и шага, а сделав его, трудно удержаться и не накрутить еще каких-нибудь петель, но это уже совсем другая история… Несколько позже к электрону в виде вращающейся восьмерки пришел американский физик Г. Джел. Но у него петли обладают исключительно магнитными свойствами и нет никаких упоминаний о вихрях.
Итак, электрон по Бунину — это сложенная восьмеркой магнитная вихревая трубка длиной в комптоновскую волну. Вращаясь вокруг оси симметрии с комптоновской же частотой, восьмерка ометает поверхность тора. Правда, тор этот в 137 раз больше классического электрона… но кто его мерил?
Электрическое поле, созданное вращением магнитной восьмерки, похоже на поле вращающегося магнита—оно тороидально, и на его полюсах — провалы. Хотя есть и явные отличия: так как работают только две магнитные петли, электрическое поле должно пульсировать с удвоенной комптоновской частотой. Почему эта частота не излучается электроном, трудно сказать,— проще всего отделаться чем-нибудь вроде первого постулата Бора, но зато наличие таких пульсаций делает прозрачнее суть самого постулата о стационарных состояниях и воровского правила квантования орбит; также становится понятно, откуда взялось представление о дуализме и волновых свойствах движущегося электрона. Ведь и след летящей с вращением городошной биты выглядит как волна, но достаточное ли это основание, чтобы заподозрить биту в дуализме.
Кроме заряда, у электрона должен быть еще и магнитный момент. Его создает вращение все той же восьмерки, ибо круговое движение магнитных петель есть кольцевой ток смещения. Разглядывание частиц «изнутри» — единственный путь к пониманию многочисленных эффектов, но в то же время — это путь, уводящий от темы. Наших теперешних знаний достаточно, чтобы заключить: тороид электрического поля соосен магнитному диполю и спину, и следовательно, внешнее магнитное поле ориентирует электроны так, что кулоновские силы не препятствуют притяжению диполей. Сближение электронов может завершиться стыковкой и объединением в гирлянды или нити.
Магнитное поле, несомненно, джокер физики: оно может все, даже повысить прочность воздушного изолятора, окружающего электронную нить. Но что поделаешь, импульс длится недолго, и создавший поле ток разряда должен когда-нибудь прекратиться. Спад магнитного поля на пологом заднем фронте импульса индуцирует вихревое электрическое поле, направленное навстречу тому, которое зажгло кольцо и ускорило электроны. И вот этому-то полю удается, наконец, разогнать ионы. Кстати, и ситуация в кольце изменилась: электроны, сцепленные в замкнутую нить, больше напоминают сердечник, чем обмотку трансформатора, и не могут помешать возникновению индукционного тока ионов.
Вмороженное в плазму кольца магнитное поле увлекается импульсом, и такое откровенно механическое подталкивание также влияет на образование вихря. Если импульс положительный, как в нашем случае, то приложенная к кольцу сила совпадает с направлением его свободного движения, а значит, вихрь будет создаваться объединенными усилиями электро- и гидродинамики. При удачном сочетании воздействий вихревой ток ионов сохраняет центрующее электроны магнитное поле и создает разрежение во внутренней полости тонкого плазменного тора.
Сформировавшемуся кольцу ток разряда больше не нужен — сепарация ионной и электронной компонент плазмы препятствует рекомбинации зарядов,— и кольцо некоторое время могло бы существовать самостоятельно, двигаясь с околозвуковой скоростью (может, это и есть «медленная молния»). Однако подобное совершенство достигается далеко не всегда: судя по всему, и в мире молний идеал — редкость, куда чаще возникают кольца с несложившейся электронной сердцевиной или плохо закрученным вихрем ионов. Для них уменьшение поддерживающего тока гибельно. При разрушении кольца запасенная в нем энергия высвобождается в виде разряда, похожего на материнский, который может снова образовать почти неподвижное кольцо… Не эти ли метаморфозы — ступени лидера?
Гораздо проще получить плазменное вихревое кольцо без всякого электрического разряда, например, в сверхзвуковой воронке торнадо. Цилиндрическому вихрю, возникшему в слое скачка скоростей ничего не стоит сомкнуться в кольцо, и, если одновременно превышен порог ионизации, центрифугированная положительная компонента плазмы создаст поверхностный ток, а следовательно, и магнитное поле, охлаждающее электроны. Возможно, подобный способ преобразования механической энергии в электрическую годится для объяснения молний, появляющихся не только в энергичных вихрях, но и при извержении вулканов, где ионизации помогает температура.
Рассматривая превращение линейной молнии в плазменное кольцо, пришлось обойти гиперзвуковую волну (что через мгновение станет громом), фотоны и электронные лавины у головы разряда и многое другое. Конечно, эти процессы влияют на режим формирования и устойчивость кольца, но добавит ли ясности обилие деталей, да и разобраться в них совсем не просто: попробуйте представить, что происходит, когда лидер натыкается на возвратный удар.
Словом, если все идет хорошо, то не прошла и тысячная доля секунды, а линейная молния умудрилась вогнать себя в тонкое плазменное колечко, которое пока ничем не напоминает шаровую молнию. За изяществом кольца скрывается большая прочность. В нем, помимо сил, присущих всякому замкнутому вихрю, например кольцу курильщика, действуют мощные магнитные и электрические силы.
Чтобы плазменное вихревое кольцо стало шаровой молнией, его придется «испортить», свернув в знакомую не восьмерку — простейшую фигуру, способную быть замкнутым вихрем практически без поступательного движения. Разумеется, совершается это само по себе из-за потери устойчивости — малого отклонения от правильной формы плоского кольца начина нарастать, и восьмерка готова. След вращающейся восьмерки, а не вращаться она не может, образует тор, так и воспринимаемый очевидцами.
Структура эта повторяет электрон, и поэтому нет смысла останавливаться на том, каким образом магнитное поле, вмороженное в плазму петель, обеспечивает шаровую молнию положительным зарядом и магнитным моментом. Займемся лучше деталью, которой в электроне вроде бы нет. При складывании восьмерки между сблизившимися ветвями возникает новый вихрь — условимся называть его «керн». Выполняя функцию паразитной шестерни, он согласует скорости плазмы в области контакта ветвей, чем повышает добротность системы и удерживает восьмерку от развертывания — совпадение токов керна и ветвей «склеивает» конструкцию в точках касания.
Торцы керна полярными шапками закрывают воронки тора, зрелищно дополняя его до сферы. Очевидно, именно торцы керна — очаги искрения, и следовательно, активные области шаровой молнии показывают, где находятся ее полюса. Магнитное поле керна направлено против поля, созданного вращением петель. Встречно направленные поля, как и перекрещивающиеся ветви восьмерки, вызывают появление силы, выталкивающей керн, чем и объясняется иногда наблюдаемая грушевидная форма.
Но и это еще не все. В отличие от вихря восьмерки керн не замкнут. Он работает как центробежный насос, присасываясь торцами к чему попало, а если ему удается контакт одновременно с двумя поверхностями, например противоположными стенками дымохода, устойчивость системы существенно возрастает. Наличие магнитного момента и заряда позволяет нескольким шаровым молниям удерживаться в гирлянде: магнитные поля играют роль нитки, а кулоновские силы не допускают слияния отдельных «четок». Однопроводные линии согласуют скорость распространения импульса разряда со скоростью плазменного кольца. Поэтому воздушные линии и оконечные устройства при ударе линейной молнии часто становятся эффективными генераторами шаровых молний и даже фиксируют их: шар оказывается нанизанным на проводник, как бусина, в которой дыркой является керн.
Для искусственного воспроизведения шаровой молнии вовсе не нужны высокие напряжения. Нет необходимости и в разряде через воздух — положительный импульс может двигаться по проводнику, придется только подобрать скорость распространения, форму фронтов, длительность и ток импульса. Этот способ уже был реализован, когда шаровая молния возникла в подводной лодке при размыкании цепи сильного тока (150 000 А при напряжении всего 260 В). Можно обойтись без тока вообще, формируя энергичные вихревые кольца непосредственно из готовой плазмы. Помимо изготовления шаровых молний это открывает возможность получения электроэнергии более коротким путем, чем в МГД-генераторах, поскольку, как мы помним, каждое такое кольцо, разрушаясь, превращается в импульс тока.
Магнитный момент и заряд шара позволяют управлять его положением с помощью электромагнитного поля. Может осуществляться подпитка шара синхронным бегущим полем. Также возможен и обратный процесс: отбор энергии во внешние цепи. Однако, не уловив зайца, не приготовишь рагу, так что не будем углубляться в детали применения шаровой молнии в народном хозяйстве.
В тех случаях, когда разрушение шара проходит стадию развертывания в кольцо, взрыв сопровождается выбрасыванием яркой струи — так наблюдатели описывают канал разряда. Ясно, что столб такого разряда, действуя, как громоотвод, иногда поражается новой линейной молнией. Разрушение шара может происходить и иначе: если восьмерка перемыкается у оси вращения, ее петли образуют два несвязанных кольца, которые либо тут же превращаются в импульсы, выбрасывая две струи в противоположные стороны, либо опять складываются в восьмерки, и тогда появляются две шаровые молнии вдвое меньшего диаметра (не объема). Бывает, они снова делятся пополам.
Восьмерка — наиболее простая и «обычная» основа шаровой молнии, но существуют и экзотические многолепестковые структуры, распадающиеся на кольца по числу лепестков.
Можно предположить, что трехлепестковая структура, отделив только один лепесток, станет восьмеркой, и тогда шар сохранит размеры, несмотря на появление нового, вдвое меньшего.
Шаровая молния, предоставленная самой себе, будет медленно перемещаться вдоль оси вращения вниз или вверх в зависимости от способа свертывания кольца в восьмерку, и, будучи ориентирована собственным магнитным моментом в поле Земли, она должна двигаться вдоль магнитных силовых линий. Правильность такого движения нарушается неоднородностями окружающего электрического поля, препятствиями, порывами ветра… К тому же поток воздуха, несовпадающий с осью вращения, приводит к появлению силы Магнуса, направленной поперек потока, а после случайного отклонения шаровая молния возвращается в меридиан прецессируя — нужно ли удивляться ее замысловатой траектории.
Присосавшись торцом керна к оконному стеклу, шаровая молния аккуратно выплавит из него стеклянный пятачок. Если это не стекло, а металлическая переборка, то, чтобы туннелироваться через нее, шаровой молнии надо сперва развернуться в кольцо, трансформироваться в импульс тока, в таком виде перетечь через металл, образовать кольцо по другую сторону и снова свернуться в восьмерку.
Самое замечательное наблюдение шаровой молнии удалось М. Т. Дмитриеву, который изловчился определить все на свете, разве что не потрогал ее. Он оценил температуру плазмы в 13 000 — 16 000°, и эта величина никак не вязалась с рассказами о прозрачности шара. Но вращающаяся восьмерка, будь она даже абсолютно черной, делает прозрачность неотъемлемым свойством шаровой молнии: через нее можно видеть предметы, как сквозь диск, образованный лопастями вентилятора. Дмитриев и те, кому довелось видеть шаровую молнию вблизи и сохранить при этом хладнокровие, упоминают о какой-то внутренней структуре шара: в нем просматриваются центральная часть, окружающая яркое ядре, и слой оболочки. Как раз такую картину дает вращение восьмерки вокруг керна.
Магнитные петли, крутясь около проводов, создают наводки, от которых загораются лампочки и звенят звонки… Вообще, вроде бы не остается никаких эффектов, не поддающихся объяснению, что и требуется от адекватной модели. Совпадение лишь части признаков обычно ведет к заблуждениям: ведь и верблюда не отличить от земляного ореха, если учитывать только горбы.