Обдумывая ход эксперимента и используемую конструкцию, Либхабер и его помощник стремились исключить любое проявление беспорядочности. Они сделали все возможное, чтобы выделить то самое движение, которое собирались изучать. Перемещение жидкости, начиная от плавного ее течения и заканчивая турбулентностью, представляется как движение в пространстве. Его сложность – это сложность пространственная, его волнения и водовороты – пространственный хаос. Но Либхабер искал такие ритмы, которые проявили бы себя как изменения во времени. Время являлось и полем для опыта, и мерилом. Либхабер как бы «сплющил» пространство почти до одномерной точки и довел до крайнего предела технику, использованную его предшественниками в экспериментах с жидкостью. Все знали, что вращение жидкости в замкнутом объеме – конвекция Рэлея – Бенара в прямоугольной емкости или течение Куэтта – Тейлора в цилиндре – гораздо проще измерить, чем поведение ничем не стесненного потока, например океанских волн или воздушных течений. В открытом потоке пограничная поверхность остается свободной, во много раз увеличивая сложность поведения системы.
Поскольку конвекция в прямоугольном сосуде порождает валики жидкости, похожие формой на хот-дог или, как в данном случае, скорее на семена кунжута, Либхабер сконструировал свою ячейку так, чтобы хватило места для двух валов. Жидкий гелий должен был подняться в центре, а затем, образовав левый и правый валики, спуститься вниз по стенкам ячейки. Предполагалось, что, поскольку процесс пойдет в замкнутом пространстве, колебания будут ограниченными. Четкие линии и взвешенные пропорции обещали устранить любые помехи. Словом, Либхабер «заморозил» пространство так, чтобы можно было играть со временем.
Как только процесс будет запущен и жидкий гелий начнет вращаться внутри ячейки, помещенной в вакуумный контейнер внутри емкости с азотом, экспериментатору нужно будет каким-то образом наблюдать за происходящим. Поэтому Либхабер встроил два микроскопических температурных датчика в верхнюю сапфировую пластину, покрывавшую ячейку. Графопостроитель непрерывно фиксировал их показания. Таким образом ученый контролировал температуру в двух точках на верхней поверхности жидкости. Это было настолько чувствительное и изящное устройство, что, по замечанию одного из физиков, Либхаберу удалось обмануть природу
[270].
Эксперименты с миниатюрным сверхточным шедевром заняли два года, но, по признанию создателя, для его полотна то была самая подходящая кисть, достаточно удобная и не громоздкая. Он наконец увидел все. Проводя свой опыт днем и ночью, час за часом, Либхабер обнаружил на пороге турбулентности более запутанное поведение, чем мог себе представить. Появился целый каскад удвоений периодов. Либхабер ограничил и изолировал движение жидкости, поднимающейся при нагревании. Было установлено, что процесс начинается с первой бифуркации. Движение запускается сразу же, как только нижняя пластина из чистой меди нагревается достаточно, чтобы вывести жидкость из состояния покоя. При температуре на несколько градусов выше абсолютного нуля для этого требовалась лишь одна тысячная доля градуса. Жидкость на дне ячейки, нагреваясь, расширяется и становится легче прохладной жидкости на поверхности. Чтобы дать теплым нижним слоям вещества подняться, верхние, более холодные, должны «утонуть» – опуститься вниз. В процессе такого перемещения в жидкости образуются два вращающихся «цилиндра». Как только скорость вращения стабилизируется, в системе устанавливается динамическое равновесие. Тепловая энергия постоянно переходит в энергию движения, а затем, через трение, обратно в теплоту, которая рассеивается через прохладную верхнюю пластину.
До этого момента Либхабер воспроизводил настолько широко известный в гидродинамике опыт, что к нему уже относились с пренебрежением. «Это была классическая физика, – замечал ученый, – что, к несчастью, означало: старо, а значит, неинтересно»
[271]. Он рассматривал точно такой же поток, какой смоделировал Лоренц на базе системы из трех уравнений. Однако реальный опыт – проводившийся с реальной жидкостью, в ячейке, сконструированной инженером, в лаборатории, куда проникают вибрации с забитых транспортом улиц Парижа, – делал сбор данных проблемой куда более сложной, чем генерирование чисел с помощью компьютера.
Либхабер, как и другие подобные ему экспериментаторы, для записи показаний температурных датчиков, встроенных в пластину над ячейкой, использовал простой графопостроитель. В состоянии равновесия, после первой бифуркации, температура в любой точке оставалась более или менее постоянной – и перо чертило прямую линию. С увеличением нагрева обнаруживалась бо́льшая нестабильность. В каждом витке появлялся узел, который равномерно двигался взад и вперед, и такое его перемещение выявляло колебания температуры между двумя значениями – верхним и нижним. В этот период перо графопостроителя чертило на бумаге волнистую линию.
По одной непрерывно меняющейся и дрожащей от помех линии температур выяснить точное время появления новых бифуркаций или установить их природу невозможно. График образует беспорядочные подъемы и спады, которые кажутся почти такими же случайными, как и кривые продаж переживающего лихорадку фондового рынка. Либхабер проанализировал полученные данные, построив на их основе спектральные диаграммы. Он намеревался выявить главные частоты, скрытые в меняющихся значениях температуры. Создание спектральной диаграммы на основе экспериментальных данных похоже на построение графика звуковых частот, составляющих сложные аккорды симфонии. Внизу такого графика всегда проходит сбивчивая, дрожащая линия – фон, экспериментальные шумы. Главные тона проявляются как вертикальные пики: чем громче звук, тем выше пик. Сходным образом, если данные воспроизводят доминантную частоту, например, ритм пульсирует раз в секунду, эта частота тоже будет выглядеть на спектральной диаграмме как пик.
В эксперименте Либхабера период первой появившейся волны составлял около двух секунд, а следующая бифуркация привела к некоторым изменениям. Вал в жидкости продолжал колебаться, температура, показываемая болометром, продолжала расти и падать с определенной цикличностью, но на нечетных циклах стала чуть выше, чем была раньше, а на четных – чуть ниже. Фактически предельное значение температуры расщепилось, образовав два различных максимума и два минимума. Вычерчиваемая графопостроителем линия, весьма сложная для интерпретации, фиксировала как бы одно колебание поверх другого, своего рода «метаколебание». На спектральной диаграмме описанный эффект выглядел четче. Прежняя частота еще в значительной мере присутствовала, ведь температура, как и раньше, увеличивалась каждые две секунды. Однако теперь появилась новая частота – ровно вдвое меньше прежней, поскольку в системе проявился некий повторяющийся каждые четыре секунды компонент
[272]. По мере того как происходили новые и новые бифуркации, стало возможно различить необычайно устойчивый рисунок: новые частоты были вдвое меньше предыдущих. Диаграмма с четвертыми, восьмыми и шестнадцатыми долями уже напоминала забор, в котором чередовались высокие и низкие рейки.
