Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма

Отвлекусь немного и поясню смысл ключевого слова предыдущей фразы – «экспоненциально». Когда на первом курсе мы учим студентов основам математического анализа, одна из наших основных задач состоит в том, чтобы они хорошо усвоили шкалу скоростей роста основных элементарных функций. И степенная функция, и логарифм, и показательная функция стремятся к бесконечности (конечно, если основание больше единицы). Но скорости этого роста качественно различаются. Как, по словам Гегеля, любил говаривать Гераклит Эфесский, «прекраснейшая из обезьян безобразна, если ее сравнить с родом человеческим». Философам виднее, а мне самому не приходилось сравнивать. Но идеям математического анализа эта мысль соответствует: чуть основание показательной функции перевалило за единицу – и она растет несоизмеримо быстрее степенной функции. В физике принято стандартизировать запись показательной функции и все их преобразовывать к единому виду с основанием в виде числа Эйлера e – так удобнее дифференцировать и интегрировать. Уклоняющихся от этого правила заводят в темный чулан и там запирают навсегда. Показательная функция с таким основанием и называется экспонентой.

Эта мысль принадлежит вовсе не мне. Рассказывают, как еще молодой, но уже знаменитый Ландау приехал в Ленинград и втолковывал юным ленинградским физикам, что задача теоретиков – выявлять экспоненциальный рост и не обращать внимания на мелочи в виде степеней. Потом юного Зельдовича послали проводить мэтра в кассу, где последнему выдали небольшой полагавшийся ему гонорар. Будущий академик и трижды герой труда застыл в изумлении: мэтр аккуратно пересчитал выданную ему мелочь. «Дау! – воскликнул Зельдович. – Вы же только что объясняли нам, что нужно пренебрегать мелочами. Зачем же вы считали мелочь – ясно же, то кассир не мог ошибиться в десять раз!» На что Ландау ответил фразой, ставшей со временем крылатой: «Деньги стоят в экспоненте!»

Человек, намеревающийся стать физиком, обязан понимать смысл этого исторического анекдота. Поэтому про начальное – затравочное – магнитное поле можно на первых порах сказать, что уж какое-нибудь найдется, а дальше экспонента его подхватит и «выведет в люди».

Этот ответ со временем перестает удовлетворять физиков. Скажу по секрету, сдачу в магазине люди тоже обычно пересчитывают, по крайней мере приблизительно. Истории о великих ученых вообще не стоит понимать слишком буквально.

Так откуда же все-таки берется это затравочное магнитное поле? Просматриваются два возможных ответа. Во-первых, условие электронейтральности все-таки не нужно понимать с унылой серьезностью как выполненное абсолютно точно. Небольшие нескомпенсированные заряды, безусловно, существуют. В проводящей среде возникает и что-то подобное электрическим батареям, течет очень слабый электрический ток, который создает слабое электрическое поле. Всего этого, кажется, хватает для создания начального магнитного поля. Оно растет со временем только степенным образом. Экспоненту так не сделаешь, но с этим справится уже динамо. Это более или менее очевидная и поэтому не такая привлекательная возможность.

Есть и другая возможность. Она, как говорил один мой однокурсник, ставший со временем известным физиком, увлекательно-завлекательная. Правда, обычно он так говорил, когда в жизни случалась какая-нибудь очередная гадость.

Так вот, почему бы этому начальному полю не появиться уже вместе с самой Вселенной? Такая космологическая природа магнитного поля – интересная возможность. И конечно, теоретики не упустили ее из виду. Действительно, в самой ранней Вселенной образуются самые разнообразные элементарные частицы, из которых потом строятся все остальные тела. С точки зрения физики элементарных частиц магнитное поле можно – с некоторым напряжением – рассматривать как особую частицу. Так что рождается и она.

Не стоит говорить обо всех перипетиях истории магнитного поля в ранней Вселенной. Расскажем только про один эпизод. Оказывается, в мире элементарных частиц само собой происходит нарушение зеркальной симметрии. Частицы бывают правые и левые, то есть у них ненулевая спиральность. Некоторые реакции с частицами идут по-разному в зависимости от спиральности. Этот факт в 50-е гг. прошлого века был обнаружен экспериментально на ускорителях элементарных частиц. Это была совершенно невероятная сенсация.

Много лет никто особенно не обращал внимания на то, что спиральность в мире элементарных частиц очень похожа на те спиральные, циклонические потоки, о которых в это же самое время в первых работах о солнечном динамо говорил Юджин Паркер[19].

Сейчас специалисты по теории динамо с удовольствием разрабатывают этот параллелизм, сравнивая происходящее в микромире и в астрофизике. Не буду настаивать, что именно это обстоятельство является ключом к пониманию природы затравочного магнитного поля, но сама картина получается красивая.