Приключения великих уравнений

Владимир Карцев

Загадка в форме шара

В монастырь пришел донос от «попа Иванище» из села Новые Ерги. Было это в 1663 году: «...огнь на землю падал по многим дворам, и на путех, и по хоромам, аки кудели горя, и люди от него бегали, а он каташеся за ними, а никого не ожег, а потом поднялся вверх во облак».

Сейчас мы имеем описания шаровой молнии куда более подробные, чем это, одно из первых в русской литературе. Но и теперь они носят романтическую, эмоциональную окраску. Может быть, долго нам придется ждать, когда шаровая молния будет запрятана, покорная, в электрический утюг.

Вот что писал вице-президент Академии наук СССР академик М.А. Лаврентьев в 1963 году, через 300 лет.

«Интересно было бы выяснить загадку шаровой молнии – любопытнейшего явления природы... Несмотря на попытки ученых объяснить это явление, известное людям уже тысячи лет, шаровая молния так и остается загадкой. Одни считают, что здесь замешан новый вид энергии (кусочек антиматерии), а другие отрицают это. Что таит в себе тайна шаровой молнии? Может быть, еще неведомую область знаний?»

При систематизации молний Франсуа Араго впервые выделил шаровую молнию, до сих пор еще не понятую учеными, в качестве самостоятельного явления. Вот один из первых «портретов» шаровой молнии, при описании которой, по выражению известного французского астронома Камилла Фламмариона, «мы вступаем в мир чудес, более удивительных, чем те, о которых рассказывается в арабских сказках, более запутанных, чем Критский лабиринт, – мир громадный и фантастический». И действительно, первые описания шаровой молнии очень любопытны и при этом не всегда сходятся с описаниями более поздних исследователей.

Так, во время грозы 14...15 апреля 1718 года в Куэньоне близ Бреста были замечены три огненных шара, диаметр каждого из которых был более одного метра.

У доктора Гатье де Клобри, изуродованного шаровой молнией около Блуа, борода оказалась не только сбритой, но и уничтоженной навсегда; она никогда уже более не росла. Доктор долго был болен после этого; голова его распухла до такой степени, что достигла полутора метров (?!) в окружности.

Другие сведения в известной степени повторяют то, что замечают и современные «молниеловы». Мы приведем здесь, с риском утомить читателя, несколько описаний шаровой молнии, выполненных сотни лет назад и в более близкие времена, для того чтобы впоследствии попытаться в них разобраться, разумеется, лишь с той степенью достоверности, которая возможна сейчас, когда загадки шаровой молнии полностью еще объяснены быть не могут даже с помощью весьма ухищренных гипотез.

В марте 1720 года огненный шар упал во время грозы на землю в небольшом французском городке. Отскочив, он поразил каменную башню и разрушил ее.

В 1772 году лондонские священники Уайтхауз и Питкери увидели в своей церкви окруженный черным дымом огненный шар величиной с кулак, который разорвался с грохотом артиллерийского залпа, распространяя вокруг дьявольский запах серы. Питкери был ранен. На его теле, обуви, часах, одежде остались следы, типичные для «обычной» молнии.

Русский ученый Г.В. Рихман был поражен в голову молнией, которая, по свидетельству гравера Соколова, «имела вид шара» (1752 г.).

13 июля 1798 года корабль ост-индской компании «Добрая надежда» сильно пострадал от шаровой молнии, при взрыве один матрос был убит, другой ранен, на палубе произведены серьезные разрушения.

Десятки случаев относятся к «похищению» шаровой молнией драгоценностей и золота.

В 1761 году молния проникла в церковь венской академической коллегии, сорвала позолоту с карниза алтарной колонны и отложила ее на серебряной кропильнице. 5 июля 1852 года в Париже на улице Сен-Жак шаровая молния проникла в камин комнаты, занятой одним рабочим, и выкатилась на пол, опрокинув каминный бумажный экран. Молния походила на котенка средней величины, свернувшегося в клубочек и катящегося без помощи лап. Она подкатилась к ногам рабочего, как бы желая поиграть с ним, – тот в страшном испуге отодвинул тихонько ноги, тогда молния поднялась на уровень его лица. Рабочий, как мог осторожно, отвел голову назад. Шар продолжал подыматься к потолку и направлялся, по-видимому, к тому месту в каменной трубе, где когда-то было пробито отверстие, теперь заклеенное бумагой. Молния отклеила бумагу, не попортив ее, затем по-прежнему тихо-благородно ушла в трубу, где и взорвалась со страшным грохотом и роковыми для трубы последствиями.

10 сентября 1845 года во французском городке Саланьяке на пороге одной из кухонь появился огненный шар. Он, по-видимому, образовался за счет «обычной», перед тем ударившей молнии и проник на кухню через трубу и камин. Женщины, находившиеся на кухне, посоветовали молодому крестьянину, у ног которого оказался шар, раздавить «эту мерзость» и загасить.

Однако юноша этот бывал в Париже, где «электризовался» за несколько су на Елисейских Полях и с тех пор чувствовал уважение к таинственным проявлениям электричества. Поэтому он оставил просьбы и советы товарок без внимания, а шар меж тем выкатился во двор, где и разорвался в соседнем хлеву – там его попыталась обнюхать свинья, отнюдь не знакомая с электрическими материями. Непочтение стоило ей жизни.

Большое число примеров «деятельности» шаровой молнии описывает в своей книге «Атмосфера» Фламмарион. Однако он, по-видимому, смешивает иногда шаровую молнию и падение метеоритов. Результат – неверная трактовка шаровой молнии как явления, в котором обязательно присутствует «весомое вещество». Вот примеры из книги Фламмариона.

10 августа 1880 года в Невере шаровая молния попала в каминную трубу, в которой впоследствии нашли черный камень величиной с кулак, очень легкий и ноздреватый, похожий на губку.

А 25 августа 1880 года во время очень сильной грозы в Париже наблюдатели видели, как из тучи выскочило очень блестящее продолговатое тело около 35...40 сантиметров в длину и 25 сантиметров в ширину с концами, вытянутыми в виде коротких конусов. Это тело было видимо лишь несколько секунд, а затем оно вновь скрылось за тучами, оставив вместо себя небольшое количество какого-то вещества, которое упало на землю вертикально, как бы подчиняясь законам тяготения. При падении от него отделялись искры или, скорее, красноватые шарики, без блеска, а сзади за ними тянулся блестящий хвост, который, подобно дыму, у самого падающего вещества стоял прямым, вертикальным столбом, и чем выше, тем более становился волнистым. Падая, вещество рассыпалось, понемногу гасло и затем скрылось за домами.

Фламмарион был настолько убежден в том, что подобные примеры говорят в пользу «вещественной» материи молнии, что и сам неоднократно после ударов молний «находил» на камнях, деревьях, домах какие-то остатки смол и непонятных «черных порошков», а то и прямо «раскаленных камушков», занесенных, конечно, молнией.

И в современных описаниях иной раз путают шаровую молнию с другими, в достаточной мере загадочными атмосферными или оптическими явлениями.

Однако иногда наблюдателям удается не только уверенно распознать шаровую молнию, но и заметить ее типичные свойства, а порой даже суметь оценить ее температуру, энергию и т.д. Приведем эти «счастливые» случаи.

10 сентября 1861 года пассажиры одного из французских поездов заметили на проводе телеграфной линии красный шар величиной с кулак. Добравшись до столба, шар переломил его и исчез.

Июньским днем 1914 года шаровая молния взорвалась на веранде небольшой гостиницы в немецком городе Ганенклее. Звук напоминал пушечный выстрел и сопровождался дребезжанием электрических звонков и порчей электропроводки. Свет погас.

Наконец, весьма интересная маленькая заметка, опубликованная 5 ноября 1936 года английской газетой «Дейли Мейл» в разделе «Письма редактору»:

«Сэр! Во время грозы я видел большой раскаленный шар, спустившийся с неба. Он ударил в наш дом, перерезал телефонные провода, зажег оконную раму и затем исчез в кадке с водой, стоявшей под окном. Вода кипела затем в течение нескольких минут, но когда она достаточно остыла, чтобы можно было поискать шар, я ничего не смог обнаружить в бочке.

У. Моррис Дерстоун, Херфордшир». «Основываясь на всех этих данных, можно в приблизительных чертах набросать «портрет» шаровой молнии.

Шаровая молния – прежде всего не всегда шар. Иногда форма ее грушевидная или вытянутая. Размеры – примерно 10...20 сантиметров, иногда до нескольких метров. Цвет от ослепительно белого до оранжево-красного. Не исключены голубые и зеленые оттенки, а также смешанная раскраска. Время существования – от нескольких секунд до нескольких минут.

Есть ли у нас возможности оценить энергию молнии? Для этого имеются два «свидетельских показания»: одно – из газеты «Дейли Мейл», другое – сообщение пассажиров французского экспресса. В первом случае молния попала в бочку с водой, стоявшую на улице в ноябре. Температура воды, таким образом, может быть грубо определена. Вода была нагрета до кипения, ее было, как выяснилось, около 20 литров, причем некоторое количество – около 4 литров – выкипело. Молния была размером «с большой апельсин», шар не упал с неба, а, как указывает автор заметки, «спустился». Следовательно, плотность вещества шаровой молнии лишь немного больше плотности воздуха (иногда молнии «плавают» в воздухе – тогда их плотность равна плотности воздуха). Воздух в объеме большого апельсина весит примерно десятые доли грамма. Предположим, что молния весила 1 грамм. Подсчет прост. Какова должна была быть температура тела массой 1 грамм, чтобы оно могло нагреть 20 литров воды с 10 до 100 градусов и испарить 4 литра воды? Расчеты тоже просты. Но тем неожиданней результат. Оказывается, температура такого тела должна составлять несколько миллионов градусов!

Энергия молнии, тоже в соответствии с элементарными подсчетами, оказывается не столь уж колоссальной. Если температура поражает своей большой величиной, то энергия – скорее своей незначительностью. Она составляет величину порядка 3 киловатт-часов, в переводе на деньги – около 12 копеек. Лишь 12 копеек стоит энергия, содержащаяся в странном, пугающем и непонятном шаре!

Можно подойти, правда, к вопросу об энергии шаровой молнии и с другой стороны. Вспомним для этого телеграфный столб, который переломила молния. Для подрыва столбов диаметром 20 сантиметров с помощью толовых шашек используют шашку массой 400 граммов. Если пойти таким путем, можно оценить энергию молнии как величину энергии, содержащейся в толовом заряде. Примерно такого масштаба разрушения мы и находим в большинстве описаний, касающихся шаровой молнии.

Но вот плотность энергии – величина энергии, приходящаяся на единицу массы шара, у молнии в сотни раз больше, чем у тола, – это уже величина рекордная, не достижимая ни в каких сделанных руками человека сохраняющих энергию устройствах. Аккумулятор, например, в тысячи и тысячи раз менее емок. Грандиозным приобретением для человечества был бы аккумулятор нового типа с характеристиками, подобными свойствам шаровой молнии. Тогда, имея небольшой по массе запас «топлива», самолеты могли бы преодолевать многие тысячи километров без посадки. Космические путешественники, как говорится, и в ус не дули бы, имея такие запасы энергии в своем распоряжении. А городской транспорт! Какого он мог бы достигнуть расцвета, если бы электромобили имели в качестве аккумуляторов что-нибудь, хоть отдаленно напоминающее по аккумулирующим свойствам шаровую молнию! Ведь основное препятствие, из-за которого жители больших городов и по сей день не могут освободиться от шумных и вредных для здоровья аппаратов – автомобилей с бензиновыми двигателями, – это отсутствие достаточно емких электрических аккумуляторов, ограничивающее скорость и пробег электромобиля без подзарядки.

И эти перспективы, и ущерб, причиняемый шаровой молнией, да и извечная страсть человечества к решению головоломных задач, то и дело встающих на его пути, заставляют нас взвешивать все новые и новые предположения, касающиеся природы шаровой молнии. Такие предположения многочисленны, насчитываются сотнями, и это верный признак того, что мы еще далеки от познания тайны.

Практически любая теория возникновения шаровой молнии содержит в себе некие противоречия, не поддающиеся пока убедительному разрешению. Приведем несколько примеров.

Шаровая молния – это горящие клубки газа (так считал еще Франсуа Араго) или каких-то гремучих смесей, образовавшихся при разрядке «обычной», линейной молнии. Противоречие: в этом случае молния должна была бы быстро «выгореть». Согласно расчетам молния должна была бы исчезнуть через десятые доли секунды, а она иной раз живет целые минуты.

Шаровая молния – это образование, вызванное созданием при ударе обычной молнии газообразных химически активных веществ, которые горят в присутствии катализатора, например частичек дыма или пыли (известный советский физик-теоретик Я.И. Френкель). Но, к сожалению, пока мы не знаем веществ с такой колоссальной теплотворной способностью, которой обладает вещество шаровой молнии.

Шаровая молния – клубок горячей плазмы (немецкий физик А. Мейснер), бешено вращающийся за счет некоего начального импульса, данного сгустку материнской, линейной молнией. Расчеты показывают, однако, что и эта теория не в состоянии объяснить длительного существования шаровой молнии и ее грандиозной энергии.

Известный советский электротехник Г.И. Бабат в первые месяцы Великой Отечественной войны, производя в нетопленой лаборатории эксперименты над высокочастотными токами, неожиданно для себя получил... искусственную шаровую молнию. Когда потенциал между электродами на кварцевой трубке внезапно возрос, из трубки со страшной скоростью вырвалось огненное кольцо, удивительно напоминавшее шаровую молнию.

Бабат разработал на основе этих экспериментов еще одну теорию шаровой молнии, основанную на том, что центростремительным силам, стремящимся разорвать огненный шар на куски, противостоят появляющиеся на большой скорости вращения силы притяжения между расслоившимися зарядами.

Сразу после войны знаменитый советский ученый П.Л. Капица создал во дворе своей дачи на Николиной горе «Избу физических проблем» – собственную лабораторию, оснащенную несложной техникой, приборами и станками. Здесь он обратился к совершенно новому классу физических задач – созданию мощных, непрерывно действующих генераторов сверхвысоких частот. Предварительно он решил сложную теоретическую задачу о движении электронов в генераторах сверхвысокочастотных колебаний. Ему помогал сын Сергей и один из сотрудников.

Новое устройство П.Л. Капица назвал «ниготроном», два первых слога являются аббревиатурой названия местности, где расположена дача, – Николина гора. Мощность ниготрона получилась довольно большой – 175 киловатт. Это хорошая основа для разработки нового научного направления – электроники больших мощностей.

При одном из испытаний излучение ниготрона пропускалось через кварцевый шар, наполненный гелием. Вдруг вспыхнуло сильное, имеющее четкие границы, свечение. Через несколько секунд шар в одном месте проплавился, и свечение исчезло.

Это, казалось бы, незначительное событие навело Капицу на мысль о сходстве того, что произошло в кварцевом шаре, с шаровой молнией. Он предположил, что шаровая молния получает энергию «со стороны» – при помощи высокочастотного излучения, возникающего в грозовых облаках после обычной молнии.

(После снятия секретности на курчатовские работы по управляемому термоядерному синтезу Капица был несколько обижен, что доклад об этом был сначала сделан в Харуэлле, а не в Академии наук, – выявилось некоторое сходство идеи ниготрона с идеей термоядерного реактора. Капица получал горячую плазму при помощи высокочастотных колебаний. Он смог достичь температуры в миллион градусов.)

Шаровая молния – это объемный колебательный контур, решил П.Л. Капица. Сравнив шаровую молнию с облаком, образовавшимся после атомного взрыва и «высвечивающимся» в течение десятка секунд, Капица пришел к выводу, что молния должна высвечиваться в сотую долю секунды. Раз этого не происходит, молния постоянно должна получать энергию со стороны. Молния улавливает радиоволны, возникающие во время грозовых разрядов. Теория изящно объясняет отмечаемое многими исследователями и случайными наблюдателями «пристрастие» молнии к всевозможным трубам и дымоходам – они являются для молнии волноводами, каналами для передачи энергии. Противоречие – рассказ очевидца из газеты «Дейли Мейл»: молния продолжала испарять воду, уже «утонув» в кадке с водой. А ведь коснувшись воды, молния уже не смогла бы быть объемным резонатором и получать энергию в виде радиоволн. Однако раз вода кипела, значит, энергия откуда-то все-таки поступала.

Шаровая молния, считают многие, – это встреча антивещества, прибывшего из неизведанных далей Вселенной, с веществом, например с пылинкой. Эта широко распространенная гипотеза может объяснить почти все, потому что «подробности» возможной встречи нами пока не изучены и здесь можно предполагать что угодно. Однако остается недоумение: почему шаровые молнии встречаются чаще всего во время гроз? Ведь, исходя из общих соображений, если и попадает на землю антивещество, то попадает оно независимо от того, неистовствует в это время в данной местности гроза или нет. Предположение же о том, что и сами грозы обусловлены антивеществом, пока поддержки не получило.

Шаровая молния устроена проще, чем шариковая авторучка, считает сотрудник Научно-исследовательского института механики Московского государственного университета Б.А. Парфенов. Если в последней – десяток деталей, то в шаровой молнии их всего две – тороидальная токовая оболочка и кольцевое магнитное поле. В результате их взаимодействия из внутренней полости шара выкачивается воздух. Если электромагнитные усилия стремятся разорвать шар, то давление воздуха, наоборот, стремится смять его. Эти силы могут в некоторых случаях уравновеситься, и шаровая молния приобретает стабильность. Ток течет по внешнему кольцу, не затухая в течение нескольких минут. Наличие вакуума препятствует передаче энергии от молнии окружающей среде, поэтому шаровой молнии не требуются какие-нибудь новые, неизвестные источники энергии. Наличие быстро изменяющегося магнитного поля легко объясняет такие, казалось бы, необъяснимые явления, как пропажа колец и браслетов прямо с руки, а также «прощальный шум» – включение в домах электрических звонков, порча телевизоров и радиоприемников. В кольцах и браслетах, становящихся при быстром движении шара как бы вторичной обмоткой трансформатора, наводятся чудовищные токи, и металлы испаряются прямо с руки настолько быстро, что хозяйки этого даже не замечают! По той же причине звонят звонки и портятся приемники и телевизоры.

Не желая вселять в читателей излишний пессимизм, автор не собирается утверждать, что и эта теория, одна из последних по времени, внутренне противоречива. Он ограничится упоминанием, что и в ней имеются неясности по части источника энергии. А энергия эта очень велика. По свидетельству Максима Горького, он вместе с А.П. Чеховым и В.М. Васнецовым видел на Кавказе, как «шар ударился в гору, оторвал огромную скалу и разорвался со страшным треском».

Если эту энергию использовать, быть может, удастся создать устройства, которые показались бы сейчас по своим свойствам фантастическими.

Надо сказать, что опыты по приручению шаровой молнии уже ведутся. Американским ученым удалось добиться частичного подтверждения теории П.Л. Капицы, получив в луче радиолокатора и сохранив в течение некоторого времени светящиеся плазмоиды – шарики плазмы. Советским ученым совершенно другим способом тоже удалось получить плазменные сгустки, очень напоминающие шаровую молнию. Однако еще ни разу не удалось получить в этих сгустках неповторимых и в чем-то пугающих свойств настоящей шаровой молнии.

Тем интересней загадка.

Тем желанней ее решение.

Маленькие лоцманы с Бермудских островов

Оглавление

Дата публикации:

10 августа 2001 года

Текст издания:

Карцев Владимир Петрович. Приключения великих уравнений. М.: Знание, 1986.

См. также:

1. Носков Н.К. Физическая модель шаровой молнии. НиТ, 1999.
2. Чинарёв И.П. Подходы к объяснению шаровой молнии. НиТ, 1999.
3. Маханьков Ю.П. Условия образования шаровой молнии. НиТ, 2000.
4. Федосин С.Г., Ким А.С. Шаровая молния: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.
5. Резуев К.В. Шаровая молния. НиТ, 2002.
6. Акимов М.Д. Шаровая молния. Плазменно-пучковая модель. НиТ, 2005.
7. Белый В.А. Шаровая молния: устройство, причина устойчивости. НиТ, 2011.
8. Черкашин Ю.С. Шаровая молния создана кольцевым током. НиТ, 2011.

Дата обновления:

27 июня 2011 года