ВЕК ГИПОТЕЗ

ВЕК ГИПОТЕЗ

Силясь все время понять — откуда явился летучий Неба огонь, и куда повернулся, и как через стены Внутрь он проник и оттоль, нахозяйничав, выбился снова,— Не нужно указаний искать сокровенной божественной воли/

Лукреций «О природе вещей»

В середине XIX века — века, в котором сложились пиши основные представления об электричестве, Ф. Араго призвал к изучению шаровых молний. «Как и где образуются эти скопления весомой материи, сильно пропитанные веществом молнии? Какова их природа? ...По этому вопросу в пауке существует пробел, заполнить который необходимо»,— писал он в 1854 году.

Столетие продолжались упорные попытки ученых удовлетворительно ответить на эти вопросы. Наука об электричестве за это время прошла грандиозный путь от опытов Ампера, Вольта, Фарадея до современных электротехники и радиоэлектроники, без которых немыслима теперь сама жизнь человечества на планете. Поток открытий и изобретений, хлынувший в жизнь, обеспечил выявление НО'ВЫХ законов и явлений природы, породил новые отрасли пауки и техники.

А шаровая молнии?

Увы, новые данные, установление новых закономерностей природы, создание псе более совершенной экспериментальной техники, казалось, проходят мимо загадки шаровой молнии, не помогая ее решению.

Но это только казалось. В науке ничто не пропадает даром, никакая работа не проходит бесследно. Даже отрицательный результат, даже ошибочный путь полезны, ибо «испытующие натуру» учитывали пх н не повторяли опшбочных путей (хотя это не всегда приносило им удачу!). Вот почему в краткий, выборочный обзор наиболее плодотворных гипотез шаровой молнии мы включили и такие, которые справедливо отсеяны ходом науки, не соответствуют уровню современных знаний, однако остаются яркими вехами на пути к истине. Гипотезы рассмотрены нами в определенном порядке, который будет обоснован ниже. Время появления той или иной гипотезы не является существенным качеством ее плодотворности.

Араго и Хильдебрандсен видели в шаровой молнии уплотненное соединение азота с кислородом (или паровой шар с гремучими газами), «сильно пропитанное молниевой материей», т. е. в высокой степени ионизированными газами. Процесс возникновения «огненного шара» не обсуждался, ученые предположили, что шаровая молния возникает на большой высоте, затем проходит сквозь грозовое облако и быстро опускается к поверхности земли. Такой шар можно уподобить лейденской банке — конденсатору, у которого внутренней обкладкой служит разреженный воздух высоких слоев атмосферы, а внешней обкладкой — влажный воздух нижних слоев атмосферы, в то время как изолирующим слоем является шарообразный слой сухого воздуха, сильно сжатый, благодаря взаимному притяжению противоположных электрических зарядов па его по- верхностях. В случае внутреннего пробоя конденсатора' шара происходит зажигание искрой и взрыв гремучих газов, в случае быстрой утечки электричества во внешнюю среду — бесшумное исчезновение феномена [19, 21].

Н. А. Гезехус, об опытах которого уже говорилось, сделал сходные предположения. Возникавший и разрушавшийся в ходе опыта шарик Гезехус накрывал стеклянным колпаком и обнаруживал пары азотной кислоты: следовательно, в разряде происходило сгорание азота в присутствии водяных паров. Для реальной же шаровой молнии, по его мнепию, «необходимы... два влажных слоя воздуха, разделенных между собой сухим воздухом».

Интересно, что, предлагая гипотезу шаровой молнии, Гезехус из современных ему наблюдений и собственных экспериментов пришел к выводу о существовании шаровых молний двух типов: шар-конденсатор с азотом и «нламене- образная» молния-вихрь.

П. Н. Чирвинский несколько расширил «ассортимент» газов, заключенных в огненном шаре, считая, что содержимое его представляет собой сильно наэлектризованную смесь азота, кислорода, водорода, а также озона и окислов озона. Эта смесь находится в неустойчивом равновесии при переменном давлении и может по самым незначительным случайным причинам взрываться, а коснувшись проводника — разрядиться без взрыва.

Обобщением подобных взглядов является гипотеза, предложенная французским астрономом и физиком Э. Матиасом. По Матиасу, шаровая (а также четочная) молния представляет собой высшие соединения азота с кислородом N^0® и высшие формы озона От или азота К", которым якобы присущи свойства гремучести. Энергия «грозовой материи» Матиаса оценена им вчетверо больше внутренней энергии нитроглицерина.

При прохождении сквозь слои воздуха линейной молнии (т. е. некоторого количества электричества при разности потенциалов и — 11) может иметь место изменение структуры элементов воздуха, сопровождающееся образованием №09 и От, Мп, которые аккумулируют энергию разряда. Электрохимическая реакция носит эндотермический характер, и эти соединения должны взрываться при охлаждении и потере заряда.

Четочная молния (понимаемая как первый этап шаровой молнии) возникает в случае, если количество гремучих элементов значительно и охлаждение происходит медленно Гремучая материя, оставаясь в воздухе, образует узлы в виде сферических точек, расположенных вдоль пути линейной молпии. Если же. количество гремучей материи велико, то охлаждепие ее происходит особепно медленно. При этом силы поверхностного натяжения этих гремучих светящихся газов стремятся стянуть их в объем с минимальной внешней поверхностью, образуя шаровую молнию. Тем самым шаровая молния является остатком линейного, особо мощного или длительного разряда.

Вот как математически обоснован переход лпнейпой молнии длипою I и радиусом капала г в шаровую с радиусом И. Исходя из приблизительного равенства объемов обоих типов молнии

можно найти радиус шаровой молнии

 

Из формулы Матиаса следует, например, что если лилейная молния имеет длину 1 км и радиус канала 1 см, то соответствующая ей шаровая молния будет иметь радиус около 45 г.м.

Отношение поверхности линейной молнии к ее объему составляет К = 2/г, что при г = 1 дает Кл = 2. Соответственно у шаровой молнии отношение Кш поверхности к объему равно 3//?, или Кш « 0,06.

Значит, при трансформации линейной молнии в шаровую коэффициент Кт уменьшится по сравнению с Кл примерно в 30 раз. Но охлаждение тела происходит через его поверхность, тем самым охлаждение шаровой молнии будет происходить в десятки раз медленнее, чем линейной, что и объясняет длительное существование такой молнии [21, 30, 39].

Несколько труднее в этой схеме объясняется длительность процесса образования шаровой молнии. Дело в том, что время «стягивания» линейной молнии длиной в километр и более в клубок или шар будет неминуемо больше 0,5 секунды. А в таком случае этот процесс должен фиксироваться глазом человека, что не находит, однако, ни единого подтверждения в обширном материале наблюдений.

Так выглядит большая группа гипотез (многие из них не включены в обзор из стремления избежать повторений), которые объединены одним существенным признаком: все они предполагают, что источник энергии шаровой молнии заключен в ней самой. Так ли это? Разрешить этот вопрос — значит решить судьбу этой серии идей. Заметим, однако, что соединений типа Г^О3 и От, К” со свойствами гремучести современная химия не знает, хотя и существует мнение, что цепная химическая реакция легких продуктов возможна с эффектом, сравнимым со взрывом шаровой молнии.

Вторая группа гипотез, паоборот, предполагает источник эпергии гпаро'вой молнии находящимся впе ее; гипотезы этого плана развивались параллельно с гипотезами первой группы.

В 1905 году австрийским физиком В. Кархеймом-Гил- ленскольдом бьтла видвинута гипотеза о шаровой молнии как о вихре сильно иошкшрованпого воздуха; причем вихрь своим существованием и зарядом обязан первоначальному импульсу от линейной молнии. Вихрь движется под действием двойной системы сил — аэродинамических и электростатических. При условии быстрого (около 1 км/сек) движения слоев вихря и малой (от 1 до 5 граммов) массы, его составляющей, схема Гиллепскольда неплохо объясняет существование, движение и гибель шаровой молнии, но «узким местом» гипотезы являются тепловые, электромагнитные действия шаровой молнии и особенно мощный взрыв ее [19, 31, 37].

Профессор физики Берлинского университета К. Вольф дал иную картину молнии-вихря. Шаровая молния, по этой гипотезе, возникает в виде вихревого электронного кольца, образованного вокруг капала линейной молнии. После того как линейный разряд проскочит кольцо, оно отделяется и движется вдоль следа капала линейной молнии, а затем — под действием воздушных течений. Диаметр кольца должен казаться большим, чем па самом деле, из-за рассеивания электронов с его поверхности, ибо молекулы воздуха под действием электронной бомбардировки светятся. Внутренняя «дырка бублика» пе видна, так как чрезвычайно мала и окружена светящейся массой ионизированного воздуха [13, 19, 31].

По-иному, особенно в начальном периоде возникновения, выглядит шаровая молния в гипотезе А. Майснера [37]. Вихрь образуется между двумя противоположно направленными разрядами молнии.

То, что разряды такой конфигурации маловероятны или чрезвычайно редки, пе должно смущать нас: мы имеем дело с чрезвычайно редким, почти случайным явлением, тогда как число линейных молний огромно.

По Майснеру, шаровая молния есть клубок раскаленного газа, приведенного во вращательное движение. Вихрь является своеобразным гироскопом, устойчивость его движения обеспечивается равновесием сил внешнего давления на шар и центробежных сил быстрого вращения. Устойчивость такого вихря непродолжительна и прекращается, как только во внутренние его слои попадает воздух извне. (Хорошим аналогом такого >вихря является смерч или тромб с учетом, разумеется, масштабного эффекта) [13, 37].

Советский исследователь В. А. Белоконь нарисовал ясную схему возникновения шаровой молнии из линейной при ударе в землю (рис. 14), причем схема может быть с успехом приложена к случаю «удара» линейной молнии в часть или область грозовой тучи с противоположным заря-

 

Рис. 13. Возникновение шаровой молшш (ио_Л.?Майснеру)

 

1 и 2 — встречные весьма интенсивные потоки воздуха, Р — силы внешнего давления на шар, Н — центробежные силы быстрого иращешш, возникшего при линейном разряде

дом. Разумеется, удар молнии должен носить специфический характер, так как обычное попадание молшш в землю или наземные предметы де приводит к образованию шаровой молнии. Молния оставляет в почве спекшийся «след» — фульгурит, разрушает, зажигает, оплавляет или испаряет различные материалы, но не порождает в обычных условиях «огненных шаров». По предположению автора гипотезы, возникшие при ударе молшш ударные волны большой интенсивности, отражаясь от препятствий,
могут дать ,в результате сложных пересечений вихревое плазменное кольцо (похожее, заметим, на электронное кольцо-вихрь Вольфа).

Устойчивость вихревого кольца плазмы обеспечивается, во-первых, чрезвычайной интенсивностью вихря: скорость движения его внешних слоев превышает скорость звука — и, во-вторых, электромагнитными взаимодействиями в плазме вихря, которые удерживают его от распада, пока существует необходимая степень ионизации.

Схема В. А. Белоконя косвенно подтверждается наличием линий атомов и молекул металлов в спектрах линейных разрядов на высоте от 0,5 до 10 м от земли. Ряд авторов считает, что обратное интенсивное движение ионизованного воздуха и аэрозолей близ канала линейной молнии — достаточно частый процесс. Некоторые же (например, Е. А. Лоугэп) просто солидаризируются с предложенной схемой, считая мощный линейный разряд в землю с образованием вихря ионизованного воздуха и аэрозоля источником шаровых молний [32, 39].

Таковы основные черты второй группы гипотез (мы опять опустили большое число принципиально похожих на них). Пока, уклонившись от оценки гипотез, сделаем два замечания: аэрогидродинамика дает нам право утверждать, что такие вихри вполне возможны; гипотезы этого типа неудовлетворительно описывают некоторые эффекты шаровой молнии, особенно электромагнитные, световые и взрыв.

Очередь за гипотезами, которые не могут быть причислены пи к одной из рассмотренных групп.

Гипотеза М. Теплера (опубликована в Дрездене, 1915 год) базируется на его опытах с кистевой дугой. Перенеся условия опыта в реальные масштабы и условия, Теплер получил такую картину возникновения и развития шаровой молнии.

 

Эксперимент:

а и b — горизонтальные пластины, между которыми возникает кистевой разряд, d — промежуточный электрод (ближе к b).

Дутьем (обозначено стрелкой) кистевой разряд надвигался с а на d, причем в промежутке аd разряд гас, а в db существовал в особенно яркой форме сфероидальной слоистой кистевой дуги.

Гипотеза:

а — туча, b — земля, d — крыша дома и металлические предметы в нем и вyt его. (Направление ветра обозначено стрелками.)

Шаровая молния перемещается от а к d и существует на уровне d в сфероидальной форме, перескакивая па металлические части и вообще на предметы с высоким потенциалом.

Другой немецкий физик П. В. Нейгебауэр отказался от анализа опытов по моделированию шаровой молнии, проведя чнето теоретическое рассмотрение возможных путей ее образования. Лилейная молния принимается им в качестве первичного, предшествующего явления. Нейгебауэр, используя современные данные о линейной молнии (сила тока порядка 125—250 тыс. ампер, поперечник канала молнии — 3—5 см и скорость электронов до 108 см/сек), нашел нлотность электронов па конце канала линейной молнии не менее 1015 Vсм. Такая плотность электронов является, по его мнению, достаточной для образования шаровой молнни, которая как бы «капает» с конца канала молнии. Исчезновение без взрыва и со взрывом объясняется сложным взаимодействием обменных кинетических сил и рекомбинаций

К обоснованию гипотезы Нейгебауэр привлек математический аппарат квантовой механики и статистической физики, но громоздкие вычисления при ненадежных и неясных физических предпосылках не спасают положения — гипотеза не проясняет явления, а скорее усложняет его понимание.

Опять применение новейших по тому времени средств (квантовых и статистических закономерностей) пе принесло успеха.

Публикуются п ныне гипотезы, в которых делаются попытки приложить к объяснению явления архисовремепные достижения физики. В одной из них (профессора В. И. Арабаджи) шаровая молния возникает благодаря своего рода фокусировке ядерпоактшшых космических частиц в мощном электрическом поле грозового облака. Возникающая при птом реакция дробления ядер сопровождается лавинообразным размножением ндерноактивных частиц и дает, по вычислениям автора, энергию, достаточную для образования шаровой молнии. Форма шаровой молнии объясняется тем, что сфера — наиболее экономная поверхность для ограничения разлета радиоактивных частиц и для отдачи наименьшего количества энергии излучением.

Так как появление и существование шаровых молний целиком зависит от ядерноактивных частиц в атмосфере Земли, то количество шаровых молний должно возрастать при вспышках на солнце, которые увеличивают потоки космических лучей на 30% от обычной нормы.

Что можно сказать об этой «ядерно-космической» гипотезе?

Прежде всего автор обходит молчанием ряд существенных свойств изучаемого явления (движение, исчезновение, взрыв и др.), так как они заведомо не укладываются в избранную схему.

Далее, представляется справедливым мнение II. С. Стекольникова, что вертикальное электрическое поле облаков вряд ли может иметь такие конфигурации, которые фокусировали бы вертикально же входящие в атмосферу космические частицы. И наконец наибольшее количество ядерноактивных частиц сосредоточивается в верхних слоях атмосферы, и шаровая молния должна быть по преимуществу явлением высотным, что никак не подтверждается наблюдениями

Поэтому, хотя оригинальное решение вопроса об источнике энергии феномена, вероятно, правомерно, в целом гипотеза не может лечь в основу теории. Точно так же нам придется отвергнуть сходные с ней соображения Д. Мил- лера-Гнльдебранда, который па основе анализа фотографий шаровой молнии с учетом «противоестественной» длительности ее существования пришел к выводу, что в шаровой моли ни имеется внутренний источник энергии II, скорее всею, это — ядерные реакции еще неизвестного нам типа.

Созданные в 18Г>0—19,10 годах гипотезы шаровой молнии имеют ие только исторический интерес: даже само знакомство с ними, не говоря уж о вдумчивой критике, дает богатую пищу для анализа, сравнений и обобщений наблюдений и опыта. Гипотезы эти не являются склепами идей, они — ступени к псе более полному и глубокому пониманию загадки. Существует мнение, что научная проблема любой трудности может быть быстро решена, если проблема поставлена правильно. Вот этой-то правильной постановке задачи и помогают в своей совокупности поиски ее решения в «век гипотез».

Шаровая молния, как увлекательная научная задача, рождала своих героев, мучеников и чудаков.

Уже упоминалось о попытке связать шаровую молнию с «летающими блюдцами» обитателей «иных миров». Выдвигались идеи о том, что огненный шар является «вирусом звезды», «вихрем эфира» и т. д., в зависимости от уровня подготовки н серьезности авторов. В качестве курьеза можно сообщить о работе Бепедпкса «Теория шаровой молнии и ее связь с „летающими блюдцами“», где автор всерьез уверяет в тождественности этих явлений '. Но если о самой шаровой молпни говорить трудно, то объяснять ею «летающие блюдца» значит просто «закрывать дыру большей дырой»!

Но, повторим, ничто в науке не пропадает бесследно. Если гипотезы п помогают постановке проблемы, то решение ее (хотя бы качественное, приближенное) является задачей теорий шаровой молпни, к изложению которых мы приступаем.

Оговоримся, что в рассматриваемой проблеме такое деление на «гипотезы» н «теории» носнт несколько условный характер п под теорией в данном случае понимается достаточно строгое н полное описание природы явления, хотя бы и уязвимое в частностях. Критерием же истинности теории может быть только опыт.