Обратная сторона метеорологии, или Бьёркнесы как тайна науки ХХ века

( Сентябрь 2020, idb.kniganews )

Очередной – и наверняка не последний – материал из «серии флэшбэков». Выражаясь яснее, статья из череды возвращений к давним текстам kniganews – для лучшего понимания тех интересных открытий и достижений, что происходят в науке прямо сейчас.

Свежий выпуск журнала Nature за сентябрь 2020 принёс известия о новом любопытнейшем открытии в области физики вибрирующих материалов. Или природы «живой материи» – в самом широком научном понимании этих слов.

Соответствующая статья от исследователей из французского Института Ланжевена носит название «Плавание под левитирующей жидкостью» и в подробностях описывает существенно новый – в высшей степени парадоксальный – феномен «обращения гравитации» в условиях вибрирующей жидкости, висящей на воздушной подушке (Benjamin Apffel, Filip Novkoski, Antonin Eddi & Emmanuel Fort. «Floating under a levitating liquid.» Nature, volume 585, 3 September 2020, pages 48–52 ).

Если суть феномена пояснять чуть подробнее, то сами авторы статьи рассказывают об этом так [A]:

Когда жидкость помещают над менее плотной средой, то слой жидкости обычно стекает вниз под действием гравитации. Среди множества методов, разработанных для препятствования такому смещению, вертикальное встряхивание доказало свою особую эффективность, а потому много и с подробностями изучается. Стабильная левитация более плотной жидкости над менее плотной (или даже над слоем газа) является результатом динамического эффекта усреднения в условиях осцилляций, компенсирующих гравитацию.

Вибрация жидкостей порождает также и другие парадоксальные феномены, вроде идущих ко дну пузырей воздуха. Пузыри воздуха начинают тонуть, когда расположены ниже некоторой критической глубины.

[Множество утонувших пузырей далее порождает на дне «естественную» воздушную подушку, феномен левитации слоя жидкости и возможности для плавучести предметов в перевёрнутом состоянии «вниз головой». В целом же] Это поведение, нарушающее законы стандартной плавучести и гравитации, может быть объяснено простой моделью, которая берёт в расчёт определённую кинетическую силу, именуемую силой Бьёркнеса и действующую на пузыри воздуха в осциллирующей жидкости.

Для целей настоящего обзора наибольший интерес представляют ссылки исследователей на «силу Бьёркнеса». Ибо вокруг этого типа взаимодействий, открытых и описанных норвежским учёным свыше ста лет тому назад в книге «Силовые поля: Приложения к метеорологии» [B], а также и в целом вокруг фамилии Бьёркнес в науке накопилось уже столько тумана и умалчиваний, что важных подробностей не знает тут практически никто. А если кто-то вдруг и знает, то не пишет и не публикует на этот счёт ничего содержательного.

Начать следует с того, что в богатой истории научных дициплин, идущих от гидродинамики, было три выдающихся учёных профессора под фамилией Бьёркнес: дед Карл, сын Вильгельм и внук Якоб. Самое же интересное, что с именем каждого из них в физической науке XX века связаны некие весьма загадочные эпизоды, внятных разгадок для которых нет и поныне…

#

Для получения общего представления о масштабах достижений основателя научной династии, Карла Антона Бьёркнеса – а отчасти и о причинах игнорирования этих успехов в XX веке – лучше всего подойдёт цитата из Нобелевской лекции Хендрика Лоренца. Патриарх классической физики века XIX и один из самых первых лауреатов Нобелевской премии (1902 г), в ХХ веке Лоренц положил все свои научные силы и таланты на попытки органичного объединения старых теорий с теориями новыми, то есть с релятивистской и квантовой физикой. Без особого, впрочем, успеха, как известно.

А поскольку свою Нобелевскую премию Лоренц получил ещё до энергичного вторжения новых идей в физику XX века, то почти вся его лауреатская лекция «Теория электронов и распространения света» [C] была посвящена успехам, неудачам и задачам науки в области постижения природы эфира. То есть особой физической среды, заполняющей всё пространство вселенной и принципиально важной для понимания света и прочих электромагнитных феноменов:

[Принимая во внимание последние достижения науки,] мы можем рассматривать эфир как субстанцию, имеющую совершенно иную природу, полностью отличающую её от всей весомой материи. При нынешнем состоянии наших знаний представляется очень сложным дать адекватную картину эфира во всём, что касается внутреннего устройства этой субстанции.

Мне вряд ли надо уточнять, что в отличие от вопросов об устройстве эфира, всегда будет оставаться важным как можно ближе приближаться к пониманию того, каким образом через эфир может происходить очевидная передача воздействий на дальних расстояниях. Например, это можно делать через углубление исследований того, как аналогичные эффекты порождаются в жидкости. Здесь я, в частности, имею в виду эксперименты профессора Бьёркнеса из Кристиании (ныне Осло), в которых передача гидродинамических сил имитирует электрические феномены с помощью пульсирующих сфер.

Вместе с появлением в большой науке Альберта Эйнштейна, как все знают, учёное сообщество вскоре радикально и полностью отказалось от идеи эфира. А одновременно – и от очевидно сильной теории Карла Бьёркнеса, где как математически, так и экспериментально демонстрировались мощные аналогии между феноменами гидродинамики и электромагнетизма. Отрицание уже достигнутых успехов оказалось настолько тотальным, что к концу XX века, когда был открыт интереснейший феномен осциллонов в вибрирующих материалах, об очевидно близкой физике «пульсирующих сфер» Бьёркнеса никто даже не вспомнил. Более того, на данный счёт наука наша загадочно хранит полное молчание даже сейчас – ещё четверть века спустя…

#

Другая большая загадка вокруг семейства норвежских профессоров непосредственно связана с сыном Карла, Вильгельмом Бьёркнесом, наиболее известным в качестве отца современной научной метеорологии и основателя знаменитой Бергенской школы. Уже в начале XX века имевший внушительный научный авторитет и лично участвовавший в процедурах номинирования учёных на Нобелевскую премию фактически с самого начала данной затеи, сам Вильгельм Бьёркнес этой престижной награды так никогда и не получил. Хотя на протяжении десятилетий выдвигался коллегами великое множество раз, наряду с Зоммерфельдом и Пуанкаре войдя в тройку «самых несправедливо обделённых». Почему так получилось и какие силы упорно препятствовали награждению – никто тут внятно объяснить не способен…

Третья весьма таинственная история тесно сопряжена с Якобом «Джеком» Бьёркнесом, внуком Карла и сыном Вильгельма, а кроме того – ещё и с большими собственными успехами этого учёного в области метеорологии. За которые Бьёркнеса-третьего также выдвигали на Нобелевскую премию, но со столь же безрезультатными итогами как и у отца. Загадочная история, впрочем, связана здесь с делами совершенно иного толка.

Когда в 1950-е годы Якоб Бьёркнес решил заняться существенно новой для себя областью научных исследований, то посчитал необходимым поблагодарить за наводку на интересную тему трёх своих более старших коллег. Каждый из этих трёх учёных светил входил в плеяду ярчайших звёзд метеорологии, геофизики и океанографии. И каждый из них по жизни был близко связан с отцом Якоба, Вильгельмом Бьёркнесом. Но вот когда от Якоба прозвучали слова признательности, то все трое вдруг разом скончались – один за другим, в течение меньше месяца…

В официальной истории науки, понятное дело, абсолютно никто не пытается соединять эти события какими-то причинно-следственными связями. Более того, даже их странную одновременность замечать совершенно не принято. Просто, мол, чисто случайное совпадение – всякое в жизни бывает.

Если, однако, вникнуть в суть всех трёх загадочных историй вокруг семейства Бьёркнесов несколько поглубже, то можно ощутить за всеми этими событиями отчётливое присутствие «не-случайностей и взаимосвязей», назовём это так…

Но чтобы это ощутить, непременно надо знать и значимые детали – собранные в разных текстах kniganews десятилетней, примерно, давности.

#

Семейное дело [kn:45]

Основатель знаменитой династии норвежских ученых, Карл Антон Бьёркнес (1825-1903), происходил из очень небогатой семьи врача-ветеринара. Несмотря на раннюю смерть отца, он успешно закончил школу и сумел поступить в столичный университет, получив фундаментальное образование и профессию горного инженера. Затем были четыре года работы по специальности на серебряных рудниках, ещё три года — преподавание математики в школе, и лишь к 30 годам удача, наконец, улыбнулась Бьёркнесу по-настоящему. Он сумел добиться государственной стипендии на обучение за рубежом, в научных центрах Франции и Германии, и два важнейших в своей биографии года, 1856-1857, провёл в университетах Парижа и Геттингена.

Особое впечатление произвели на Бьёркнеса лекции математика Густава Дирихле в геттингенском университете. Исследования Дирихле сыграли немаловажную роль в развитии многих направлений чистой математики и математической физики, а для нынешней теории струн, к примеру, имеют просто основополагающее значение. Разработанный германским учёным в середине XIX века математический инструментарий для описания поверхностей с равным потенциалом стал основой новейшей струнной теории о множестве миров на D-бранах (собственно, и названных так в честь Дирихле).

Что же касается Карла Бьёркнеса, то его чрезвычайно впечатлили лекции Дирихле по гидродинамике. Теория движения жидкостей и погруженных в них твёрдых тел в ту пору была ещё весьма слабо исследованной областью физики. А Густаву Дирихле всего несколькими годами ранее довелось стать первым теоретиком, сумевшим отыскать точное решение для уравнений гидродинамики, описывающих поведение сферы в идеальной – то есть несжимаемой и лишённой трения – жидкости.

На своих лекциях Дирихле рассказывал студентам об этой работе и о её примечательном результате, согласно которому сферическое тело, находящееся в идеальной жидкости, может двигаться в ней с постоянной скоростью без воздействия внешних сил. В этом интересном и математически строгом результате Карл Бьёркнес углядел важную аналогию с определёнными эффектами электричества и магнетизма, известными из опытов. Красота гидродинамики покорила Бьёркнеса и, судя по всему, именно тогда у него появилась идея о возможности выстроить общую теорию электромагнитных взаимодействий на основе гидродинамических принципов.[i]

С течением времени эта идея захватывала учёного всё больше, но лишь к 1875 году – уже будучи почтенным 50-летним профессором математики в университете Кристиании (как в ту пору называлась норвежская столица Осло) – он сумел-таки получить свой самый важный теоретический результат. Для случая ритмично пульсирующих сфер, погруженных в идеальную жидкость, Карл Бьёркнес вывел уравнения взаимодействия, аналогичные уравнениям электромагнетизма.

Согласно этим результатам, пульсирующие сферы порождают в среде волны, благодаря которым они взаимодействуют так же, как электрические заряды или магнитные полюса. В зависимости от того, происходят пульсации в одной фазе или отличаются на полупериод, между сферами возникает взаимное притяжение или отталкивание, определяемое законом обратных квадратов. Если же фазы пульсаций отличаются на четверть периода, то действия не происходит.

Сын профессора, Вильгельм Бьёркнес (1862-1951), которому в ту пору было всего 13-15 лет, оказался не только на редкость смышлёным в науках, но и более рукастым в ремёслах, нежели его папа-математик. Поэтому именно Вильгельм стал важнейшим ассистентом Карла Бьёркнеса при конструировании и изготовлении оборудования, необходимого для экспериментальной проверки теоретических результатов. И в 1881 году, когда норвежский профессор произвёл фурор в Париже на Первой международной выставке электричества со своей глубоко проработанной теорией и подтверждающими её эффектными опытами, никому и в голову не приходило, что все приборы сконструированы совсем ещё молодым сыном учёного.

Успешные демонстрации и лекции профессора Бьёркнеса в Париже принесли ему международную известность. Однако повышенное внимание со стороны других – зачастую более знаменитых и авторитетных – исследователей породило совершенно естественные для научного сообщества критику, обсуждение и собственные попытки развития для «теории пульсирующих сфер». На автора данной теории, уже перешагнувшего 55-летний рубеж, вся эта бурная активность «чужаков» вокруг его любимого детища производила крайне гнетущее впечатление. Поэтому в последующие годы он предпочёл уйти в самоизоляцию, воздерживаясь от публикации своих открытий и продолжая исследования с опорой на одного лишь сына.

Вильгельм продолжал помогать отцу вплоть до 1889 года. К тому времени ему исполнилось уже 27 лет, а накопленные молодым учёным знания и опыт явно сулили значительные достижения на научном поприще. Однако очень непросто продвигавшиеся работы отца, сколь бы многообещающими не представлялись их окончательные итоги, привели Карла Бьёркнеса к полной самоизоляции и ту же самую безрадостную судьбу намечали для его сына. Поэтому Вильгельм, как и прежде питавший к отцу самые нежные чувства, решил, что пришла пора начать ему самостоятельный путь в науку. В последующие годы своей долгой жизни он ещё не раз будет возвращаться к развитию и популяризации идей Карла Бьёркнеса, однако и его собственные научные достижения почти всецело окажутся неразрывно связанными с гидродинамикой.

В 1890 году Вильгельм Бьёркнес переезжает в Бонн, где становится сначала ассистентом, а затем научным соавтором и близким другом семьи видного германского физика Генриха Герца. Одним из наиболее значительных совместных достижений этого дуэта стало глубокое исследование электрического резонанса – очень важного для развития радиосвязи эффекта, при котором сопротивление электрическому току в колебательной системе становится чрезвычайно малым для некоторого узкого диапазона частот. К тридцати годам защитив по этой теме докторскую диссертацию, Бьёркнес решает вернуться к исследованиям в области гидродинамики и выбирает для постоянной работы Стокгольмский университет.

Вскоре к молодому профессору приходит и первый большой успех. В 1897 году – в год рождения своего сына Якоба – Вильгельм Бьёркнес открыл важную теорему циркуляции, обобщавшую уже известные результаты Гельмгольца и Томсона (Кельвина) о сохранении вихря в идеальной жидкости. Оперируя этой новой, ныне носящей его имя, теоремой о формировании вихря в неоднородной среде, Бьёркнес обнаружил, что теперь у науки имеется такой комплекс гидродинамических и термодинамических уравнений, который является полноценным инструментарием для описания движений неоднородных по температуре и давлению жидкостей в произвольной физической системе.

И вот тут-то в голову Бьёркнесу пришла грандиозная идея – применить новую теорию к поведению атмосферы Земли и предсказаниям погоды. В своей программной статье, подготовленной к 1904 году, учёный описал вычислительную процедуру, ныне известную как численный прогноз погоды. Бьёркнес предложил рассматривать предсказание погоды как стандартную в математической физике задачу с начальными условиями и, соответственно, решать её известными науке методами. Иначе говоря, интегрировать имеющиеся уравнения по времени, начиная с известных в данный момент начальных значений, то есть наблюдаемых в атмосфере показателей температуры, давления, скорости ветра. Бьёркнес показал, что в теории, обладая достаточной информацией о текущем состоянии атмосферы, можно с помощью математических формул и расчётов предсказывать будущее поведение погоды.

Таким образом, ученый предложил рассматривать в качестве анализируемой физической системы целиком атмосферу Земли. На сегодняшний день эта мысль может показаться самоочевидной, однако для той эпохи подобная идея звучала весьма революционно. Столетие назад, правда, у науки и близко не было таких вычислительных средств, которые позволяли бы численными методами решать столь трудоёмкие задачи. Тем не менее, прогресс в электротехнике и механических вычислительных машинах уже тогда давал основания предполагать скорое появление компьютеров. Поэтому Вильгельм Бьёркнес рассматривал научное предсказание погоды в качестве главной цели метеорологических исследований, так что ныне его по праву считают одним из отцов-основателей современной метеорологии.

В отличие от своего отца, Вильгельм Бьёркнес повсюду, где ему доводилось работать, окружал себя множеством молодых и талантливых ассистентов, чтобы коллективными усилиями находить и продвигать наиболее перспективные направления исследований. В 1913 году по приглашению из Германии Бьёркнес возглавил новый геофизический институт при Лейпцигском университете. В связи с разразившейся вскоре Первой мировой войной и резко ухудшившихся из-за этого условий для развития науки, в 1917 году он был вынужден покинуть Германию. Благодаря участию видных норвежских океанографов Фритьофа Нансена и Бьёрна Хелланд-Хансена специально для Вильгельма Бьёркнеса в городе Берген на западе Норвегии была учреждена сначала профессура, а затем и новый геофизический институт, ставший основой для прославившейся на весь мир «бергенской метеорологической школы».

Среди знаменитых учеников Бьёркнеса и виднейших представителей бергенской школы особо заметных успехов в науке достигнут, в частности, швед Карл-Густав Россби и норвежец Харальд Свердруп (появляющиеся в других разделах книги). Основатель же института, Вильгельм Бьёркнес, руководил своей школой до 1926 года, после чего принял кафедру на факультете математической физики в Университете Осло, где вновь вернулся к теоретическим исследованиям гидродинамики, начатым его отцом. Что же касается нового метеорологического направления в науке, то в качестве одного из его главных представителей с этой поры стал считаться даровитый сын Вильгельма, Якоб Бьёркнес (1897-1975).

Подобно отцу, Якоб Бьёркнес начал проявлять научные таланты в весьма раннем возрасте, также как и он пленившись гидродинамикой и физикой вихрей в атмосфере. Классическая статья Якоба Бьёркнеса «О структуре движущихся циклонов» [ii] появилась в 1919 году, когда учёному не было и 23 лет, но по сути своей она и поныне служит фундаментом для современных долгосрочных прогнозов погоды. Когда близкий соратник Бьёркнесов, К.Г. Россби, обосновался в Массачусетском технологическом институте, то в 1933 году Якоб по его приглашению приехал в США чтобы прочитать курс лекций в МТИ. Еще несколькими годами позже, в 1939, когда Якоб Бьёркнес вновь приехал в США читать лекции, в Европе разразилась Вторая мировая война, так что учёный предпочел остаться в Америке.

Среди нескольких предложений в качестве постоянного места работы Бьёркнес выбрал UCLA, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе. Здесь по воле случая Джек (как стали его теперь называть на американский манер) Бьёркнес оказался соседом с другим своим старым знакомым, Харальдом Свердрупом, с 1935 года возглавлявшим местный Институт океанографии им. Скриппса. К 1945 году в UCLA был учреждён новый факультет метеорологии, который возглавил, ясное дело, Джек Бьёркнес, вскоре сделав из него один из ведущих в мире центров по изучению атмосферы Земли. Несколько позже, во второй половине 1950-х годов, когда Джеку Бьёркнесу было уже около шестидесяти, интересы ученого вдруг обратились к существенно новой области исследований – взаимодействиям атмосферы и мирового океана как единой системы, состоящей из сред разной плотности. Этой весьма нетривиальной проблемой, увязывающей в частности, океанские течения с атмосферными явлениями, Бьёркнес не без успеха будет заниматься до конца своей жизни.

По словам самого учёного, вдохновили и подтолкнули его к разработке этого направления три человека – Карл-Густав Россби, Харальд Свердруп и Бьёрн Хелланд-Хансен [iii]. Уместно отметить, что когда Джек Бьёркнес только-только приступил в США к этим своим исследованиям, в Скандинавии все трое скоропостижно скончались в конце августа и начале сентября 1957 года. По совершенно случайному, как принято считать, совпадению.

[Конец цитируемого текста – и связка с текстом следующим. Менее чем через год, в декабре 1958, скоропостижно скончался знаменитый и совсем ещё не старый физик Вольфганг Паули. Имеются основания для сопоставления событий и обстоятельств вокруг этих смертей.]

#

Незабавные совпадения [kn:1D]

Неожиданная буквально для всех кончина Вольфганга Паули оставила за собой несколько загадок, по сию пору озадачивающих биографов. Например, в ведущей американской газете «Нью-Йорк Таймс», по давней традиции всегда публикующей некрологи с данью уважения ко всем почившим деятелям, так или иначе оказавшим влияние на политику, науку или культуру США, смерть великого физика Паули почему-то была проигнорирована полностью. [1]

И это при том, что В.П. не только был – пусть и недолго – гражданином Америки, но и первым действующим сотрудником в истории Принстонского института, удостоенным Нобелевской премии. А весь послевоенный период, хотя учёный уже не жил в США, он по приглашениям американских университетов ежегодно наносил длительные визиты в страну с курсами лекций, обычно о положении дел на передовых рубежах физики…

Другая загадка касается весьма необычной тематики тех научных исследований, которые Паули проводил незадолго до кончины. Последняя из теоретических работ В.П., опубликованных при его жизни, выглядит чрезвычайно далёкой от направлений его профессиональной специализации и посвящена задаче из области аэродинамики, нося название «О термодинамике диссоциированных уравновешенных смесей во внешних силовых полях». [2]

Никто сегодня толком не знает, какие причины подтолкнули Паули к этой работе, однако интерес к диссоциированным – т.е. разделенным – смесям косвенно указывает на хорошо известное его увлечение процессами «двуделения». О далеко неслучайном характере этого исследования свидетельствуют и последние письма Паули, отмеченные унынием по поводу ограниченности современной физики, которая стала чересчур специализированной и ориентированной лишь на узких экспертов. [3]

Внезапно пробудившийся интерес Паули к аэро- и гидродинамике представляется особо примечательным по той причине, что годом раньше, в августе 1957, из жизни практически одновременно ушли два виднейших специалиста по прикладным задачам в этой области. Причём оба этих человека, один из «отцов» научной метеорологии Карл-Густав Россби и патриарх океанографии Харальд Свердруп, не только обладали удивительно похожими биографиями, но также в некоторых ключевых моментах жизни имели кое-что общее с Вольфгангом Паули.

Швед Россби родился в 1898 году, норвежец Свердруп десятью годами раньше, но оба они, в разное время поступая учиться в разные университеты Скандинавии с мечтой об астрономии, к концу обучения оказались ассистентами знаменитого метеоролога Вильгельма Бьёркнеса. После близкого общения с этим выдающимся учёным, основавшим самую влиятельную в метеорологии XX века «норвежскую» или, иначе, бергенскую школу, Свердруп и Россби уже навсегда связали свою жизнь с геофизикой, погодой, атмосферой и океанами Земли.

В 1920-е годы, когда Паули энергично присоединился к созданию основ квантовой физики, Россби и Свердруп, главным образом, бороздили морские просторы в составе океанографических экспедиций. Но если Россби делал это с некоторыми перерывами, в промежутках изучая математическую физику для повышения научной квалификации, то Свердруп в качестве главного учёного полярной экспедиции Амундсена в общей сложности провёл в плаваниях корабля «Мод» семь с половиной лет – в итоге став одним из первых и однозначно самым молодым авторитетом в мировой океанографии.

Затем, как и для многих европейских учёных того периода, начал вставать вопрос о переезде в Америку. Но примечательно, что оба скандинава перебрались работать за океан ещё до очевидной военной угрозы со стороны нацизма. Легкий на подъём Россби начал внедрять в США научную метеорологию бергенской школы Бьёркнеса уже с 1926 года, а Свердруп в 1936 году принял приглашение Калифорнийского университета возглавить их Скриппсовский Институт океанографии (SIO).

Самым большим вкладом Россби и Свердрупа в мировую науку следует, вероятно, считать то, что они сумели очень органично и эффективно применить математический аппарат механики жидкостей для описания крупномасштабных процессов в атмосфере и океане. К.Г. Россби, в частности, благодаря такому подходу стал одним из наиболее выдающихся теоретиков в метеорологии XX века, а его след в этой науке особо заметен по множеству устоявшихся терминов, вроде «волна Россби», «радиус Россби», «режим Россби», «параметр Россби».

Харальд Свердруп, в свою очередь, в 1942 году выпустил в содружестве с двумя коллегами первый в истории всеобъемлющий учебник по океанографии – «Океаны: их физика, химия и общая биология». В момент своего выхода эта книга была настолько важной для военных, что они запретили её распространение за пределами США, а в послевоенные годы данная работа оставалась весьма актуальной ещё очень долго, так что её использовали по всему миру в качестве базового учебника даже полвека спустя.

Поскольку оба скандинавских учёных приняли американское гражданство, в годы войны они очень активно участвовали в секретных военных проектах правительства: Россби главным образом консультировал военно-воздушные силы США, а Свердруп – военно-морскую разведку. Кроме того, поскольку прогнозы погоды и поведения океана для успеха военных операций имели самое первостепенное значение, Россби и Свердруп вместе с коллегами организовали при нескольких университетах курсы ускоренной подготовки армейских метеорологов.

Тесные контакты с военными и, главное, с их гигантскими материально-финансовыми ресурсами, помогли вывести метеорологию на самые передовые рубежи мировой науки. Карл-Густав Россби, в частности, очень рано получил возможности обсчитывать свои численно-математические прогнозы погоды на первых электронно-вычислительных машинах, ибо зачастую это была та же самая техника, что использовалась для создания ядерного и термоядерного оружия.

При этом, что показательно, вскоре после окончания второй мировой войны Россби и Свердруп для постоянной жизни и работы предпочли переехать обратно в Европу – примерно по тем же причинам, что и Вольфганг Паули (крайне отрицательно воспринимавший непомерно возросшее влияние военных и спецслужб в делах развития и финансирования науки США). В конце 1940-х годов Карл-Густав Россби возглавил Международный метеорологический институт в Стокгольме, а Харальд Свердруп, соответственно, стал главой Норвежского полярного института в Осло и профессором геофизики в столичном университете.

Однако эти переезды, конечно же, совершенно не означали разрыва учёных с ими же выпестованной американской наукой или с властями США – страны, фактически ставшей им второй родиной. Особо тесные связи с Америкой остались у Россби, который стал жить, можно сказать, на две страны сразу, а в середине 1950-х годов даже возглавил в США влиятельный национальный Комитет по метеорологии, объединивший целую плеяду учёных светил, включая создателей термоядерной бомбы Эдварда Теллера и Джона фон Неймана. [4]

Ну а затем настал памятный август 1957 года, когда жизни обоих учёных неожиданно и по сути одновременно оборвались. Причём обстоятельства этих смертей затруднительно назвать обычными. Для случая Харальда Свердрупа имеется, в частности, несколько плохо стыкующихся воспоминаний: одни говорят, что 21 августа у него случился летальный сердечный приступ как раз в тот момент, когда доктор при осмотре сообщал ему, что организм в отличной форме; по другим же свидетельствам учёный скончался на одной из деловых встреч. [5]

Столь же внезапная смерть Карла-Густава Россби, не дожившего и до 60 лет, произошла двумя днями раньше, 19 августа 1957 года в Стокгольме, а об обстоятельствах этой мгновенной кончины в собственном рабочем кабинете биографии знаменитого человека упоминают ещё более скупо, чем в случае Свердрупа. Последним же звеном в цепь выразительных параллелизмов можно поставить тот факт, что как и в случае с Паули, уход из жизни самого выдающегося, бесспорно, метеоролога США, находившегося в зените славы и влиятельности, газета «Нью-Йорк Таймс» по неизвестным причинам тоже предпочла не заметить.

Спустя примерно ещё две недели в Бергене, Норвегия, 7 сентября 1957 года не стало и Бьёрна Хелланд-Хансена. Но этот выдающийся учёный, впрочем, был существенно старше и лишь чуть-чуть не дожил до 80-летия. Отчего и смерть его никем не была воспринята как нечто странное и настораживающее…

[ конец цитирования текстов ]

#

После ознакомления со всеми этими достоверными, но малоизвестными фактами из истории науки, даже внимательные читатели вряд ли постигнут, где же тут могут быть ответы на вопросы. И какая вообще взаимосвязь между нынешним открытием «перевёрнутой гравитации» в слое левитирующей / вибрирующей жидкости и разного рода загадками в биографиях учёных-метеорологов из семейства Бьёркнесов?

Более того, из содержания процитированных текстов невозможно даже понять, кто же именно из трёх норвежских профессоров является отцом «силы Бьёркнеса»? Той самой силы, иначе, что дала ныне теоретические обоснования для феномена «обращения гравитации» и такого способа плавания для предметов, который прежде всегда считался просто невозможным в природе.

На этот конкретный вопрос, впрочем, точный ответ дать совсем несложно. Ибо упоминавшаяся как источник работа о «Силовых полях c приложениями к задачам метеорологии» – это курс лекций, прочитанных Вильгельмом Бьёркнесом в декабре 1905 года в Колумбийском университете, Нью-Йорк, США. Причём особо следует подчеркнуть, что ныне книги этого двухтомника совсем несложно найти в интернете в оцифрованном виде, в гигантских общедоступных собраниях библиотеки Internet Archive, в частности.

В первых же фразах столь давнего курса лекций Бьёркнес сообщает вещи, неожиданно важные в качестве рецепта для выведения современной фундаментальной физики из затянувшегося кризиса. Он особо отмечает, что никто в науке не знает, что представляют собой физически те силовые поля, которые были введены Фарадеем для описания феноменов электричества и магнетизма, а Максвеллу позволили вывести уравнения электромагнетизма. При этом, однако, хорошо известны уравнения для куда менее загадочных – ибо более наглядных – эффектов в физике жидкостей. Анализ математики этих уравнений позволил отцу лектора, Карлу Бьёркнесу, не только выявить содержательные соответствия, но и продемонстрировать эффекты гидродинамики, аналогичные феноменам электромагнитных полей как в формулах, так и в экспериментах…

Существенно расширив и углубив подходы отца, Вильгельм Бьёркнес развил математическую концепцию силовых полей на гидродинамику в целом и на феномены метеорологии, в частности. Что позволило выявить – аналитически и экспериментально – целый ряд новых взаимодействий или «сил», по своей разнообразной природе как напоминающих, так и существенно отличающихся от известных в ту пору феноменов электромагнетизма…

Короче говоря, в работе этой более чем достаточно идей и результатов для сведения всех известных в физике взаимодействий к удивительно разнообразным и нередко парадоксальным эффектам или «силам» гидродинамики. А регулярно открываемые ныне новые феномены в физике вибрирующих сред или «живой материи», обнаружение наглядных аналогов для квантовой физики или гравитации – всё это стабильно подтверждает эффективность именно гидродинамических подходов

#

Нынешнюю публикацию в Nature, посвящённую открытию нового феномена «обратной гравитации», комментирует статья [D] от двух русскоязычных исследователей, Владислава Сорокина и Ильи Блехмана, занимающихся изучением подобного рода вибрирующих систем уже несколько десятилетий (Vladislav Sorokin & Iliya I. Blekhman. «Vibration overcomes gravity on a levitating fluid.» Nature | News & Views. 02 September 2020 )

Завершают же эту статью такие слова, вполне подходящие и для финала данного текста:

Работа Апфеля и коллег даёт основания предполагать, что многие примечательные феномены, возникающие в вибрирующих механических системах, пока что всё ещё ожидают своего открытия и объяснения. В частности, огромный потенциал для будущих исследований обещают нам феномены на границах жидкостей и газов.

В более же широком контексте есть основания утверждать, что анализ эффектов высокочастотных возбуждений на разнообразные системы в других областях науки, таких как химия, физика и биология, – это ещё одна многообещающая тема исследований.

В этих системах возбуждением может являться любое периодическое изменение в свойствах той окружающей среды, где происходит данный процесс. И можно только предполагать, какие ещё волнующие контр-интуитивные феномены способны порождать высокочастотные возбуждения не в чисто механических системах. Есть ли и там аналоги обратной гравитации?

# # #

Дополнительное чтение:

О новых гидродинамических объяснениях для давних загадок и озадачивающих феноменов: Три капли для оживления физики ; Живая физика сверхтекучести (и при чем тут гравитация) ; Истории прыгающей капли (и при чём тут квантовая физика)  ; Бессмертные квантовые частицы (и при чем тут биология)

Водные аттракционы [kn:44] . О парижском триумфе Карла Бьёркнеса на Первой всемирной выставке электричества в 1881 году.

Бунт ученого . О неприемлемо возросшей роли военных и спецслужб в развитии науки послевоенного периода.

Васцилляция Хайда, научные табу и просто совпадения. О странных умолчаниях в метеорологии вообще и в научном наследии Карла Густава Россби, в частности.

# #

Основные источники:

[A] Benjamin Apffel, Filip Novkoski, Antonin Eddi & Emmanuel Fort. «Floating under a levitating liquid.» Nature, volume 585, 3 September 2020,  48–52

[B] Bjerknes, V. F. K. «Fields of Force: Supplementary Lectures, Applications to Meteorology» (Columbia Univ. Press and Macmillan, 1906)

[C] Hendrik A. Lorentz. «The Theory of Electrons and the Propagation of Light.» Nobel Lecture, December 11, 1902. From Nobel Lectures, Physics 1901-1921, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1967

[D] Vladislav Sorokin & Iliya I. Blekhman. «Vibration overcomes gravity on a levitating fluid.» Nature | News & Views . 02 September 2020

[i] William J. McPeak, «Hooked on Hydrodynamics». The World & I, February 1997. Vol. 12, Issue 02

[ii] Jacob Bjerknes, «On the structure of moving cyclones». Geofys. Publ. I(2). 1919

[iii] Arnt Eliassen, «Jacob Aall Bonnevie Bjerknes: A Biographical Memoir», 1995, National Academies Press, Washington D.C.

[1] Karl von Meyenn and Engelbert Schucking, «Wolfgang Pauli,» Physics Today, February 2001

[2] W. Pauli, On the Thermodynamics of Dissociated Equilibrium Mixtures in External Force Fields, (Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Physik, volume 9b, 1958, page 496)

[3] Pauli to Fierz, 9 Jul. 1958 [3029], PLC IV (K.v.Meyenn, ed.: Wolfgang Pauli, Wissenschaftlicher Briefwechsel, Springer Verlag, Vol IV , 1996)

[4] Phillips, N.A. 1998. Carl-Gustaf Rossby: his times, personality and actions. Bull. Amer. Meteor. Soc., 79, 1097-12.

[5] William A. Nierenberg, «Harald Ulrik Sverdrup. November 15, 1888 — August 21, 1957. A Biographical Memoir», National Academy of Sciences