Дмитрий Соколов - Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма [litres]

Идея Паркера в следующем: на течения жидкостей в небесных телах действует сила Кориолиса [12] Сила Кориолиса – это сила инерции, которая действует на движущиеся тела во вращающейся системе отсчета. – Прим. авт. . Когда вихрь жидкости поднимается от центра Солнца на поверхность, то его плотность падает, вихрь расширяется и возникает компонента скорости, направленная от оси вращения. На вихрь действует сила Кориолиса, которая закручивает его. В одном полушарии – вправо, в другом – влево.

Когда вихрь опускается, плотность растет и вихрь сжимается. Опять возникает скорость, теперь направленная к оси вращения. На вихрь опять действует сила Кориолиса, которая замечательным образом закручивает его в ту же сторону, что и восходящий вихрь. Когда вихрь болтается вверх-вниз в той оболочке Солнца, где есть конвекция, сила Кориолиса постепенно закручивает его. В результате в одном полушарии Солнца больше вихрей, закрученных вправо по ходу движения, а в другом – влево.

Подобный же эффект возникает и на Земле, где сила Кориолиса действует на течение реки на ее изгибах, так что в северном полушарии река больше подмывает один берег реки, а в южном – противоположный. Это явление известно в географии как закон Бэра – естествоиспытатель наблюдал его во время путешествий по Прикаспийской низменности. Физикам редко приходится ссылаться на работы, выполненные в таких путешествиях, но закон Бэра – классика науки.

Паркер обратил внимание на то, что превышение числа, скажем, левых вихрей над правыми нарушает зеркальную симметрию задачи. Если на Землю прилетит любознательный инопланетянин, то он должен будет либо спросить какого-нибудь человека, какая рука у того правая, либо зайти в ближайшее сельпо и узнать, какие им завезли штопоры. Объективно решить, какое направление закрутки правое, а какое левое, нельзя. Степень нарушения зеркальной симметрии измеряется некоторым псевдоскаляром, то есть числом, которое при отражении в зеркале меняет знак.

Астрофизик понял, что в зеркально-асимметричной среде может нарушаться известное правило школьной физики: магнитное поле не обязательно перпендикулярно электрическому току или электродвижущей силе. В самом деле, электрический ток – настоящий вектор. Его направление не зависит от выбора системы координат. А магнитное поле – псевдовектор. Для определения его направления снова нужно идти в сельпо. Вектор не может быть равен псевдовектору – у них разные законы преобразования. А если среда зеркально асимметрична, то магнитное поле можно умножить на степень асимметрии, и возникнет комбинация с правильным законом преобразования.

Паркер догадался, как можно построить схему динамо, работоспособную в солнечной физике. Один электрический контур в его схеме связан с вращением Солнца. Магнитные линии этого контура устроены так же, как у обычного магнита с двумя полюсами – магнитного диполя. Они, естественно, вморожены в среду. Но среда вращается не как твердое тело: разные части Солнца вращаются дифференциально, с разными угловыми скоростями. Поэтому из полоидального магнитного поля получается тороидальное.

Для того чтобы заработало динамо, этого мало. Если ограничиться просто дифференциальным вращением, то оно постепенно превратит все полоидальное магнитное поле в очень туго закрученные спирали тороидального магнитного поля, в которых витки с противоположно направленным магнитным полем все больше и больше будут сближаться друг с другом. Со временем они подойдут друг к другу так близко, что магнитные потоки противоположной направленности взаимно уничтожатся, и магнитное поле быстро затухнет. Чтобы этого не произошло, как раз и нужна зеркальная асимметрия. Она позволяет восстановить полоидальное магнитное поле из тороидального.

Паркер просто ввел эмпирический коэффициент, который описывает это восстановление. Дальше – дело техники. Нужно решить выписанную таким образом систему уравнений и убедиться, что у нее есть экспоненциально и с осцилляциями растущее решение.

Это уже стандартная задача математической физики, с которой Паркер легко справился: оказалось, что такое решение действительно есть. Тут придется поверить Паркеру на слово или проучиться на первых трех курсах физфака, где учат решать подобные задачи. Всего лишь несколько сотен задач, постепенно развивающих такое умение, – и нет проблем. Поверьте, это гораздо проще, чем, например, научиться определять растения на соседней лужайке: тут нужно освоить толстенную книгу – определитель.