Глава восьмая. Рассказ о заблуждении великого ученого и как больше ста лет никто его не осмеливался поправить

Мое любимое занятие играть в теннис. Оказалось, в лайнере даже корт есть. И я пошел поиграть. Я совсем неплохо играю и даже иногда выигрывал у взрослых. На корте одна скучала и стучала о стенку молодая женщина. Я предложил, не хочет ли она сыграть со мной. Она согласилась с удовольствием. Может ей бы более интересно было сыграть с молодым мужчиной, но его в ближайшей окрестности не было видно.

Ее звали Катерина. Мы поиграли. Она играла лучше меня, но все-таки один сет я у нее взял, а два выиграла она. Потом мы вместе с нею пошли в душ, чтобы смыть пот. Я ей даже спинку потер, а потом и она меня тоже помыла. Это было так щекотно по всему телу, потому что меня раньше кроме мамы никто не мыл, что у меня писька как маленькая палочка встала. Вот у Сашки, когда он утром прыгает мимо меня голый со второго яруса нашей кровати, вот это действительно палка, которую я даже померил сантиметром и оказалось, что у него писька двадцать один сантиметр, а у меня всего пять. Она это заметила и сказала «Фу, маленький эротоман», и хлопнула меня по письке, и засмеялась так звонко и переливчато, что я смутился, но не обиделся. «Ничего, малыш, все нормально, – сказала она, отдышавшись от смеха. – Ты растешь. Глядишь, года через три-четыре уже мастурбировать начнешь. Сейчас детки так быстро развиваются». «А что это?», спросил я. «Ладно, проехали, вырастешь, потянешься, узнаешь». «Ну и ладно, – сказал я, – зато у моего брата Саши двадцать один сантиметр». «Большое богатство, – снова засмеялась звонко Катерина. – Познакомь меня с ним».

А потом мы сели за столик прямо возле корта и стали пить кислородные коктейли. Я узнал, что она, хоть и молодая, но уже доктор философии Стэндфордского университета, и я тут же стал у нее выпытывать интересное. Узнал, что она едет к жениху. И что ее специальность гравитационная термодинамика.

– Катерина, расскажите мне что-нибудь интересное и понятное, что бы я мог в свою книжку поместить, например, о вашей «гравитационной термодинамике» и с чем ее едят, и чем она занимается, – попросил я.

– Ну, какие у тебя запросы, Фома. Гравитационная термодинамика занимается изучением тепловых процессов в гравитационном поле. Обычная термодинамика, созданная в начале девятнадцатого века, гравитационное поле не учитывала.

Впервые попытался учесть влияние гравитационного поля знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман. Где-то в 1870-м году он сформулировал, каково должно быть состояние газа в гравитационном поле в состоянии равновесия, например, в атмосфере. При этом он принял, что газ, например, воздух, будет на всех высотах иметь одинаковую температуру. Другими словами, что термодинамическое равновесие есть изотермическое, т.е. с одинаковой температурой, есть ли гравитационное поле или нет.

Авторитет Больцмана был так велик, что почти СТО ПЯТЬДЕСЯТ лет никто из физиков не осмелился заметить эту ошибку, хотя все, что было перед глазами, вопило об этом. Где мы видим изотермическое распределение в гравитационном поле? В нашей атмосфере – с высотой температура падает. В звездах тоже температура меняется с глубиной, но даже близко, хотя бы в каком-то приближении, ничего похожего просто нет. Если взять старинные учебники физики, то авторы просто ужом изворачиваются, чтобы хоть как-то объяснить, почему это больцмановское распределение нигде не видим, что все противоречит ему. Так был велик авторитет Больцмана. Сто пятьдесят лет продолжался этот позор физики. Поэтому и не существовало гравитационной термодинамики, т.е. теории тепловых процессов в гравитационном поле, потому что если в основе лежит неверное положение, и любое положение должно быть с ним согласовано, то какая может быть наука? А ведь это метеорология и океанология, астрофизика и физика Земли – везде тепловые процессы существенно связаны с гравитационным полем. И в результате все эти науки оказывались либо эмпирическими, либо вообще не развивались. Вот, например, метеорология. Ясно, что в ней пользоваться моделью изотермической атмосферы просто смешно. Приходилось пользоваться эмпирической моделью стандартной атмосферы. Но если в теорию вставить эмпирические данные, которые противоречат теоретическим, то на этом теория кончается. А ведь метеорология – это предсказания погоды, изучение всяких грозных явлений вроде тайфунов и других, в атмосфере летают самолеты, от погоды зависит сельское хозяйство и многое-многое. Но благодаря Больцману создание научной метеорологии оказалось закрытым, а на эмпирике ничего путного не создашь. Вот почему даже при использовании мощнейших компьютеров предсказания погоды были чрезвычайно плохие, от непредсказанных засух или ливней, или тайфунов гибли посевы, люди, целые города. Вот какова цена ошибки Людвига Больцмана и той интеллектуальной трусости, что проявляли физики в течение ста пятидесяти лет.

Но что самое забавное. Есть такая наука – газодинамика. Она изучает уже движение газа. Некогда ученый Бернулли также предположил, что термодинамически равновесное, адиабатное движение газа является изотермическим. Но его очень быстро поправил другой выдающийся ученый из Петербургской академии наук – Леонард Эйлер. Он сказал, что не изотермическое, а изэнтропное. Что такое энтропия – долго рассказывать, но это такая же характеристика газа как температура, давление, плотность. И после этого начался буквально расцвет газодинамики. Не в последнюю очередь, благодаря именно газодинамике были созданы авиация, реактивные двигатели, газовые турбины и многое-многое другое. Вот что значит правильная теория. Но ведь ту же самую газодинамическую трубу поставь вертикально, уменьши скорость движения газа до нуля, и что изменится? Принципиально ничего. Следовательно, и в этом случае верно изэнтропное движение или, как частный случай, движение с нулевой скоростью, механическое и термодинамическое равновесие. Вот вам закон распределения, проверенный практикой. Но нет. Авторитет Больцмана был сильнее этой наглядности и убедительности. И потому и сама газодинамика, достигшая поразительных результатов в исследовании горизонтальных течений, ничего практически не смогла достичь в области вертикальных, потому что Больцмана и Эйлера соединить невозможно.

И только когда русский ученый Инна Макарова показала ошибочность Больцмана и предложила использовать и в гравитационном поле распределение Эйлера, т.е. изэнтропное, появилась новая наука – гравитационная термодинамика. Начался настоящий бум в физике, позволивший объяснить громадное количество фактов в самых различных областях – от метеорологии до астрофизики.

Приведу лишь ряд следствий из распределения Эйлера-Макаровой – так стали называть термодинамически равновесное изэнтропное распределение в гравитационном поле.

Первое следствие. Распределение однородного газа в гравитационном поле может быть нормальным, обратным и аномальным. Все зависит от такой характеристики вещества как термическая сжимаемость. Если газ или вообще вещество имеет отрицательную термическую сжимаемость, т.е. при повышении температуры расширяется, то имеем нормальное распределение – с высотой температура падает. Если же вещество имеет положительную термическую сжимаемость, т.е. при повышении температуры сжимается, то имеем обратное распределение, т.е. температура с высотой растет. А если термическая сжимаемость равна нулю, то температура с высотой не меняется. Распределение Больцмана, действительно, имеет место, но это особый, аномальный случай.

Второе следствие. Если имеем смесь газов, то легкий газ стремится подняться вверх, причем он забирает с собой большую часть тепловой энергии, и температура в этом случае растет с высотой. Как в парилке, где легкий пар поднимается вверх и уносит тепло, создавая так любимый парильщиками жар.

Третье следствие. Если имеем слой с аномальным распределением, т.е. с постоянной температурой, то этот слой является тепловым изолятором. Через него вышележащие и нижележащие слои не могут обмениваться тепловой энергией.

Вот практически и все главные выводы. А теперь посмотрим, как они конкретно проявляются. И начнем с атмосферы.

Атмосфера состоит из трех главных слоев – тропосферы, стратосферы и ионосферы. В тропосфере, высотой в среднем 10 километров, температура падает с высотой. Ну, если ты был в горах или летал на самолете, то ты это видел прекрасно и сам. В стратосфере, которая расположена на высоте от 10 до 25 километров, имеем постоянство температуры. Наконец, в ионосфере, лежащей выше, имеем рост температуры с высотой.

Раньше наука не могла никак этого объяснить. Гравитационная термодинамика объясняет это. В тропосфере имеем почти однородный газ – разница в весах кислорода и азота невелика. Это обычный газ, который расширяется с повышением температуры, и, следовательно, распределение должно быть нормальным, т.е. температура падает с высотой. Точный расчет дает почти полное совпадение со стандартной атмосферой, которой пользуются метеорологи.

А что происходит в стратосфере? А в стратосфере мы имеем образование озона под действием ультрафиолета. При этом из трех молекул кислорода получается две молекулы озона. Для того, чтобы получился озон, необходимо столкновение молекул кислорода. И чем выше будет скорость движения этих частиц, тем чаще они будут сталкиваться, тем больше будет образовываться озона, тем меньше будет число частиц. Таким образом, в этом слое за счет образования озона имеем нулевую температурную сжимаемость, как у обычного газа происходит расширение с температурой, а за счет образования озона – сжатие, в результате имеем нулевую температурную сжимаемость. А раз так, то имеем аномальное распределение, т.е. температура постоянна по высоте, что и наблюдается в действительности. Наконец, в ионосфере под действием ультрафиолета происходит интенсивная ионизация и расщепление молекул на отдельные ионы. Имеем существенно неоднородный состав. Более легкие частицы поднимаются вверх, унося с собой энергию, т.е. температура повышается с высотой. Опять блестящее согласие теории и реалий.

Но самое интересное, что происходит на границах стратосферы. Тепловая энергия от поверхности земли поднимается в тропосфере вверх. Но она не может пройти через аномальный слой. Но и исчезнуть она тоже не может, ведь есть закон сохранения энергии. Но есть и закон преобразования энергии. И на верхней границе тропосферы, в тропопаузе, тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, в энергию течений, которые известны как струйные течения. Трансокеанские перелеты происходят на этой высоте в области струйных течениях, и потому полет в Америку из Европы происходит быстрее, чем обратный. Такие же струйные течения наблюдаются и на границе стратосферы и ионосферы. Как бы получается динамо, эти течения охватывают весь земной шар по кольцевым полосам.

Но ведь процесс движения энергии идет постоянно и тропосферное динамо струйных течений все сильнее и сильнее раскручивается. Но выйти ему некуда. И, в конце концов, это динамо разряжается в тропосферу в виде каких-то мощных атмосферных явлений – тайфунов и других явлений. Таким образом, именно благодаря озоновому слою происходит накопление той гигантской энергии, которая потом разряжается в тайфунах и иных высокоэнергичных атмосферных процессах. Аналогичный процесс разрядки происходит и в ионосферном динамо, оно пробивает стратосферу, в результате чего появляются северные сияния, появляются нарушения радиосвязи на коротких волнах, так как заряженные частицы ионосферы опускаются вниз и т.д.

Итак, мы видим, как громадный комплекс атмосферных явлений находит себе логичное объяснение на основе распределения Эйлера-Макаровой.

Обратимся к океану. В океане имеется океаническое ядро с температурой четыре градуса. Но при четырех градусах у воды как раз имеет место термическая аномалия, она расширяется при температуре выше четырех градусов Цельсия и сжимается с повышением температуры ниже четырех градусов, а при четырех термическая сжимаемость нулевая. Мы знаем, что при этом имеем аномальное распределение, и сам этот слой является теплоизолятором. Но из глубин земли идет поток тепла. Например, он нагревает на суше океанические глубины до 200 градусов. И этот поток тепла мог бы испарить океан. Но благодаря океаническому ядру тепло не может через него пройти, а также преобразуется на дне в энергию течений. Но в отличие от атмосферных течений океанические течения огибают и охватывают океаническое ядро и выходят на поверхность в виде системы океанских течений Гольфстрим, Куросио и другие. Таким образом, все эти поверхностные течения лишь видимая часть замкнутых вертикально-горизонтальных течений вокруг океанического ядра.

И еще один вывод. Жизнь на Земле оказалась возможной только благодаря этому океаническому ядру. Если бы его не было, вся вода на Земле давно бы испарилась под воздействием тепла, идущего из недр Земли. И это также означает, что Земля родилась холодной, на горячей земле такое ядро не смогло бы образоваться. Ведь очевидно, что Земля образовалась без океана. И только постепенно углубления стали заполняться водой, образуя мировой океан, причем именно холодной, благодаря чему и образовалось океаническое ядро, которое и является хранителем жизни на Земле.

Ну, вот, мой юный друг, я вам кое-что рассказала, хотя могла бы еще много рассказывать, как гравитационная термодинамика после того, как она отбросила неверные больцмановские представления, стала одной из самых насыщенных наук. Но, думаю, этого уже достаточно.

– Мне все это ужасно интересно. Но вот что такое тайфуны, и отчего они бывают, вы знаете?

– О, тайфуны – это как раз тема моей докторской диссертации. Я родилась в поясе тайфунов на юге Северной Америки, не раз была свидетелем этих грозных явлений, против которых нередко бессилен человек даже со всей своей техникой, и потому и выбрала эту тему, – и она начала рассказывать, помогая своему рассказу руками, что делало его более наглядным. Не знаю, удалось ли мне передать понятно ее рассказ.

Отчего бывают тайфуны – оттого, что тропосферное динамо, в конце концов, пробивает тропосферу и обрушивает на Землю всю мощь своей накопленной энергии.

А как и что это такое – это очень интересно. Ты когда-нибудь видел, как курильщики выпускают изо рта колечки дыма? И если присмотришься внимательно, то можно заметить, что вокруг центральной линии кольца крутится дым, на одно большое кольцо насажено много кольцевых движений газа. Такая фигура называется тором. Это и есть вихрь Гельмгольца.

В атмосфере часто бывают вихревые движения. Например, циклон – это вихрь с вертикальной осью. Поэтому в центре циклона воздух холоднее, чем на периферии, там сгущаются тучи и идут дожди, но ветры слабые. На периферии температура выше, воздух суше, но зато дуют ветры.

Могут в атмосфере образовываться и вихри Гельмгольца. Вихревая линия его горизонтальна и расположена на некоторой высоте над землей, и эту вихревую линию обтекают воздушные течения в виде вертикальных колец. И важно, куда направлены эти течения в самом центре кольца. Если в центре кольца воздух движется сверху вниз, то он при этом нагревается, осушается, давление в центре повышенное, но ясно и тепло, так как при ясной погоде прогревается земля. А зимой, наоборот, тоже сухо, но морозно, так как земля быстро остывает. Ветра в центре нет, так как воздух еще над поверхностью растекается во все стороны. Дальше от центра небольшие ветры, расходящиеся как бы из центра, и уж еще дальше может быть облачность. Мы видим классическую картину антициклона.

Но вот если в центре вихря воздух идет снизу вверх, то тут мы получаем совсем иную картину. Теплый воздух в центре подымается вверх со все большей скоростью, ведь он легче окружающего воздуха, и поэтому на него действует сила Архимеда, которая ускоряет его. А там, где большая скорость, там низкое давление, вот почему в самом центре имеем очень низкое давление. Порой такое низкое, что в этот центр засасывается вода, порой люди, животные, лягушки, крыши, а известны случаи, когда засасывало даже трактора и машины. Фактически, в центре образуется нечто подобное дымовой трубы с сильной тягой. В самом центре воздух движется только вертикально, поэтому он сметает все облака, в центре будет холодная чистая погода с очень низким атмосферным давлением. Узнаешь так называемый «глаз тайфуна»? К центру воздух подсасывается со всех сторон. При этом он не просто течет к центру, а он течет по спирали. Ты видел, как вода уходит из ванны через сливное отверстие? Она не просто выливается, а обязательно закручивается вокруг воронки слива в виде вихря. Так и здесь, воздух «выливается» с огромной скоростью в глаз тайфуна по спирали и вверх. Поэтому вокруг глаза тайфуна мощнейшие ветры, которые закручены вокруг него. В верхней части поток воздуха из центрального канала как веером распадается, при этом скорость его падает, а захваченные водяные пары конденсируются, В результате вокруг глаза тайфуна стоит стеной мощная облачность, которая проливается сильными дождями. Наконец, если антициклон стоит почти неподвижно долгое время, то глаз тайфуна может перемещаться с большой скоростью, так как он находится под воздействием обтекающих его со всех сторон воздушных течений, и с какой стороны давление станет больше, с какой меньше – вопрос случая. Поэтому тайфун очень быстро перемещается. Вот что такое тайфун, это всего лишь антициклон с измененным направлением вращения. Изменение направление вращения воздуха в вихре Гельмгольца дает совершенно различные атмосферные явления.

Все это мне Катерина рассказала не за один раз, мы с нею несколько раз встречались на корте, и каждый раз она мне что-то рассказывала. Но я решил все это объединить в одну главу, потому что не рвать же все это на отдельные кусочки. Я пожелал ей встретиться с женихом и сыграть веселую свадьбу. Жалко, что мы летели в разные нептунские города, которые находятся почти в противоположных частях Нептунского Шара, а то бы я побывал на ее свадьбе, она меня приглашала.

А с Сашкой я ее познакомил, и он стал часто бывать у нее и даже ночевать не в нашей каюте, а где-то, наверное, у Катерины. ДАЛЬШЕ>>