Предисловие
Физика без математики – все равно что голый в метро: можно, но неприлично. Эти слова безвестный мыслитель вырезал когда-то на парте Центральной физической аудитории физфака МГУ. Безусловно, портить факультетское имущество нехорошо, но трудно не согласиться с тем, что проблема, подмеченная в этой фразе, существует и с годами становится все более актуальной.
Безусловно, сейчас профессионально заниматься физикой без знания математики совершенно невозможно, хотя степень необходимых знаний математики тоже может сильно меняться от одной области физики к другой. В конце концов, один из авторов науки об электромагнетизме – Майкл Фарадей – был совершенно не склонен писать формулы, но открыл много нового и полезного. Мы часто будем обращаться к его идеям и в этой книге.
В других науках тоже есть свои профессиональные фильтры, которые отсекают любителей от профессионалов. Забавно услышать по радио историческую передачу о Второй мировой войне и отметить, что автор незнаком с немецким языком. Несомненно, нельзя быть филологом-классиком без знания древнегреческого, а выучить его сложнее, чем освоить курс матанализа.
Однако специалисты по античной литературе способны рассказать о своей работе так, что для этого не нужно учить латынь и греческий. Когда я был аспирантом, мне советовали слушать полезные для работы лекции. Я последовал совету и прослушал на филфаке лекции по античной литературе – и никогда не пожалел об этом, хотя времени изучить хотя бы латынь не нашлось: как-то не до того было.
Потом у меня появились дети, они выросли и тоже занялись наукой. Правда, далекой от формул. Они рассказали мне, что формулы вселяют священный ужас в людей, далеких от физики (примерно как в физике – обсуждение фалекова гендекасиллаба). Видя формулы, люди просто перестают читать.
Можно, конечно, сказать, что систематика растений – ею занимается мой сын – нестрогая наука, одни цветочки и травки, пустые разговоры. Нет ничего дальше от истины, чем такое суждение. На заседаниях постоянно действующего семинара «Об основных интересных вопросах современной науки», который проводится в нашей семье, я узнал, что математика – наука весьма нестрогая и разболтанная. В систематике растений никто бы не допустил, чтобы словами многочлен и полином называлось бы в точности одно и то же. Да и формулировки теорем и определений, мягко говоря, оставляют желать лучшего. Сличение разных учебников показывает, что их авторы не удосужились согласовать тексты так, чтобы избежать редакционных разногласий, не продумали, о чем нужно сказать в начале, а о чем в конце, и т. п. С такой расхлябанностью нельзя заниматься описанием новых видов…
Видимо, и про физику нужно учиться писать так, чтобы это было понятно представителям других специальностей, но сохраняя научность, не уходя в безответственные разговоры. Такие книги, разумеется, есть, но до какого-то времени занятия в университете существенно отличались от таких книг, с точки зрения высокой науки незначимых.
Положение изменилось, когда наш ректор ввел межфакультетские курсы, на которых, по его замыслу, как раз и нужно было рассказывать о новых научных идеях, и так, чтобы слушатель понял сказанное и при этом не должен был окончить хотя бы три курса физфака.
Не могу сказать, что мы все были в восторге от этой идеи. Уж очень мы привыкли к мысли о том, что про физику или математику нужно говорить профессионально, а об истории искусств каждый культурный человек будет с легкостью рассуждать, развлекаясь. Не могу забыть, как в начале 1990-х мы с немецким соавтором ехали из Берлина в Бонн. У нас была возможность сделать остановку в Магдебурге, где я бывал и до этого, а он – еще нет: Германия объединилась лишь недавно. У нас возникли разногласия. Я настаивал на осмотре собора со знаменитым монументом Эрнста Барлаха, а он был уверен, что нужно смотреть музей Отто фон Гёрике, открывшего вакуум. Нам так и не удалось договориться.
Сейчас ясно, что с таким подходом убедить налогоплательщиков давать деньги на физику будет трудно. Нужно учиться говорить понятно для непрофессионалов.
Мы прочитали курс по математическому моделированию как межфакультетский. Потом стало ясно, что он полезен и нашим студентам.
В этой книге я попытался переработать содержание тех частей курса, которые рассказывал сам. Скажу честно, я не знаю, как писать такие книги, но хочу научиться.
Посмотрим, как у меня получится.
Время написать эту книгу нашлось из-за пандемии коронавируса. Пришлось уехать в глухую деревню в муромских лесах. Интернет был, но было и свободное время.
Безусловно, эта книга – не учебник физики и тем более не учебник по всем тем смежным вопросам, которые упоминаются в книге. Чтобы иметь о них представление, нужно обратиться совсем к другим книгам. Скорее это часть большой саги о жизни, из которой можно узнать, в частности, о том, как и для чего работают физики. По крайней мере, некоторые.
Введение
Мы собираемся поговорить о том, как устроена современная физика в той ее части, где существенно востребованы современные математические идеи (таких областей физики – большинство). Разумеется, мы обсудим и то, что интересно мне лично, – просто потому, что на другие темы должны говорить люди, на них специализирующиеся. Я занимаюсь магнетизмом небесных тел – в широком смысле слова. Чем же отличается эта область физики от всех прочих многочисленных областей?
Можно привести простой пример. На физическом факультете МГУ есть много разных научных групп, так или иначе изучающих магнитные явления. Регулярно – раз в несколько лет – проводится российская конференция по магнетизму. Делается много докладов, работают секции, жизнь кипит.
Удивительно, но на этой конференции не было сделано ни одного доклада по магнетизму небесных тел, включая геомагнетизм. Несмотря на то что на факультете есть отделение геофизики, где занимаются, в частности, геомагнетизмом. Один из деканов был специалистом в этой области в текущем столетии.
Среди организаторов конференции были мои однокурсники, которых я хорошо знал со студенческих лет. Я много раз говорил с ними – без всякого результата – о том, что неплохо было бы организовать на конференции секцию по космическому магнетизму.
Как говорят, nothing personal. Просто организаторы конференции не воспринимают космический магнетизм как часть науки о магнитных явлениях. Это кажется необычным, но у организаторов конференции есть свои резоны.
Наверное, в космическом магнетизме есть что-то необычное и интересное, что заслуживает обсуждения. Этому и посвящена эта книга.
Глава 1
Откуда мы знаем про магнитные поля небесных тел
Много лет назад мы с коллегами написали обзорную статью про очень конкретный вопрос из области астрономии. Статья так и называлась: «Магнетизм галактик». Она была написана по-английски, но суть дела от этого не меняется. В то давнее время интернета не было, поэтому журналы выдавали авторам оттиски статей, которые авторы могли послать по почте своим научным знакомым: приятно же, когда твоими статьями кто-то интересуется. Чтобы сообщить авторам, что кто-то не против прочитать их статью, желающий присылал им специальные открытки-запросы на оттиски. В тот раз открытки пришли, и соавторы поручили мне как самому молодому в команде пойти на почту и разослать оттиски. Открыток было много, но все какие-то странные, от знакомых астрономов вовсе ничего не пришло – наверное, они прочитали нашу статью в библиотеке (тогда люди еще ходили в научные библиотеки; я и сам ходил и хорошо это помню). Но открытки пришли из самых различных мест, совершенно не связанных с астрономией. Особенно запомнилось письмо из Каирского зоопарка – его сотрудники тоже не могли жить без магнетизма галактик.
