Осенило - Эфиродинамика 

Опустите в пруд две трубы, из которых бьёт вода, подальше от дна и от поверхности. Трубы притянутся друг к другу, и сила будет спадать как квадрат расстояния между ними: ровно по закону Кулона, только с обратным знаком. Это не фокус и не приближение. Для точечных источников в идеальной жидкости сила выводится в несколько строк из потока импульса, и мы пересчитали её заново, потому что не поверили: одноимённые источники притягиваются, разноимённые отталкиваются. Настоящий фонтан ещё и втягивает воду обратно, и это всё портит. Именно поэтому приходится использовать трубы. Заряды ведут себя наоборот. Кулон в 1785 году поставил на крутильные весы два одинаково заряженных шарика и сблизил их вдвое, с 36 делений шкалы до 18: закручивание нити выросло вчетверо, с 36 до 144. Отталкивание, квадрат расстояния.

Прошло двести сорок лет. Уравнения электромагнетизма выучены наизусть, по ним построена вся техника от трансформатора до телефона. Но если спросить, что там, в пустоте между двумя зарядами, толкает их врозь, ответа в виде картинки, которую можно собрать из верёвок, воды и пружин, нет ни в одном учебнике. Есть слово «поле». Мы взялись выяснить, почему так вышло, и написали техническое задание: не саму теорию, а перечень условий, которым обязана удовлетворять любая наглядная механическая картина электричества, с числами из опытов. Условий получилось семь. История оказалась короткой: за восемьдесят лет, с 1820-х до 1900-х, каждая модель проходила два или три из них и ломалась на остальных.

Кольцевой лазер в баварском Веттцелле видит, как вращается Земля: с приливами, с покачиванием полюса, до восьмого знака. Оптический резонатор в Берлине не видит сквозь себя никакого ветра. Оба прибора стоят на грунте, а грунт на этих широтах несётся вокруг земной оси со скоростью триста метров в секунду. Если свет ведёт себя как звук в воздухе, эти два факта несовместимы.

Картина «свет как звук» называется эфиром, и в XIX веке её поддерживали все. Звуку нужен воздух; свету, рассуждали тогда, нужна своя среда. Отсюда следуют три допущения, и ниже понадобится каждое. Первое: скорость света задана относительно среды, как скорость звука относительно воздуха. Второе: скорости складываются просто. Если среда движется мимо нас, по ветру свет идёт быстрее, против ветра медленнее. Третье, о котором обычно не вспоминают: линейки и часы от движения сквозь среду не меняются. Всё вместе это и есть галилеева постановка. Ниже она проиграет по частям.

Ни плотность, ни вязкость, ни упругость среды в этих опытах не участвуют. Меряется только время хода света, а оно при первых двух допущениях зависит лишь от одного числа: скорости лаборатории относительно среды. Это число и называют эфирным ветром. Откуда оно берётся, есть отдельное допущение о том, где среда покоится. Если она покоится вместе с грунтом, ветра нет. Покоится относительно звёзд, а Земля под ней вертится: у грунта в Берлине дует 283 метра в секунду. Покоится в пространстве: сквозь лабораторию идёт орбитальный ветер в тридцать километров в секунду. Каждый опыт ниже проверяет одно из этих допущений, и ни одному не нужно знать, из чего среда сделана.

На Парижской электрической выставке 1881 года среди динамо-машин и дуговых ламп стоял бак с водой. В воде пульсировали два шарика, раздуваясь и сжимаясь в такт, и между ними возникала сила, убывавшая как квадрат расстояния, точь-в-точь по закону Кулона. Норвежец Карл Антон Бьеркнес строил из воды электростатику и довёл дело до прибора. Дальше формулы не пустил знак: шарики, пульсирующие в такт, притягивались, а в противофазе отталкивались. У водяных «зарядов» одноимённые тянутся друг к другу, у настоящих отталкиваются.

Из этой истории вырос не провал, а правило, и на нём стоит всё, что ниже. Аналогию мало увидеть: её надо досчитать до знака и до числа, и только счёт решает, совпадение перед нами или похожесть. Бьеркнес досчитал, и потому его водяной Кулон похоронен честно, с названной причиной.

Что я вообще хочу сказать этой статьёй. Есть набор явлений, которые обязана описать любая теория, претендующая на всё: заряд и его сохранение, магнитное поле, свет и его предельная скорость, квант действия, спин, масса и сорта частиц, ядерная связь, тяготение, гравитационное излучение. Чтобы написать все эти книги, нужен алфавит: набор букв, из которых явления складываются, и правило, по которому написанное проверяется. Букв должно хватать на всё. И есть ровно один раздел классической физики, в котором все нужные буквы собраны у одного-единственного объекта. Это вихревая нить: тонкая верёвка без концов, вокруг оси которой крутится жидкость.

У каждой буквы ниже три строки. Образ, который можно объяснить на пальцах. Теорема, которая этот образ записала формулами и назвала механизм. И адрес в физике, куда буква ложится. У букв этого раздела адрес известен: в общей модели, собранной из них, явление сходится с опытом.

В Севре под Парижем работает Международное бюро мер и весов — учреждение, которое следит за точностью всего на свете. Его группа измеряла гравитационную постоянную дважды, в 2001-м и 2013-м, каждый раз двумя независимыми способами, и получила практически одно и то же: 6,67559 и 6,67554. В Боулдере, штат Колорадо, группа JILA измеряла ту же константу и получила 6,67260. Каждая лаборатория ручается за свой результат; между результатами лежит пропасть в четыреста сорок миллионных долей, десять полос заявленных ошибок. Прошло больше десяти лет. Ошибку, которая свела бы числа, не нашёл никто, и оба до сих пор висят в официальных таблицах.

Речь не про модную экзотику вроде тёмной энергии. Речь про G из школьного закона тяготения, старейшую константу физики. Физики зовут её Большим G, чтобы не путать с маленьким g ускорения падения. Заведём на неё дело.

Первым взвесил Землю в лаборатории Генри Кавендиш, 1798 год: крутильные весы, свинцовые шары, запертый сарай и точность около одного процента. С тех пор прошло двести двадцать восемь лет. Скорость света за это время измерили настолько точно, что вморозили в определение метра. Постоянную Планка — в определение килограмма. А согласие лабораторий по G улучшилось с процента до пяти с половиной сотых. В восемнадцать раз за два с четвертью века.

Отчасти это честная трудность. Гравитация слабее всех известных сил. Притяжение свинцового шара к грузику весов в сотню миллионов раз меньше веса самого грузика, и в приборе шумит всё: грузовик на соседней улице, прилив, перепад температуры в полградуса, масса самого экспериментатора. Измерять G — как слушать шёпот через стену во время грозы. Но у трудности есть мера: она объясняет, почему погрешности велики. Она не объясняет, почему результаты с малыми погрешностями несовместимы.

Возьмите пять планет: Венеру, Землю, Уран, Сатурн, Нептун. Радиусы различаются в девять с половиной раз, а тяжесть на поверхности почти одна: 8,9; 9,8; 9,0; 11,2; 11,3 метра на секунду в квадрате — разброс в четверть, не больше. Сопоставьте массу с радиусом по этим пяти телам: масса растёт как радиус в степени 2,07. Как площадь поверхности, не как объём. Словно у каждой планеты тяготеет только наружный слой одной и той же толщины и плотности, а внутри пусто.

Числа настоящие, из справочников, и счёт приложен к статье. Вывод из них следует честно. В этом «из них» вся загвоздка.

Есть старый сюжет про стрелка. Человек изрешетил забор из дробовика, обошёл его, отыскал места, где дырки легли кучно, и обвёл каждую кучку кольцами мишени. Гости ахают: десять выстрелов, десять яблочек. Приём зовут техасским стрелком, но имя не главное. Главное, что кольца нарисованы после выстрелов. Пять планет с их «законом оболочки» и есть такая кучка, а мишень вокруг неё мы обвели только что, у вас на глазах.

Полую Землю придумал не городской сумасшедший. Её придумал Эдмонд Галлей, тот самый, с кометой. В 1692 году в Philosophical Transactions он объяснял, почему магнитная стрелка десятилетиями уползает от истинного севера: под корой толщиной километров в восемьсот вращаются, чуть отставая друг от друга, три сферы размером с Венеру, Марс и Меркурий, у каждой свои магнитные полюса. Опирался он на число из «Начал» Ньютона: отношение плотностей Луны и Земли девять к пяти. Луна выходила почти вдвое плотнее, сама Земля — подозрительно лёгкой для сплошного каменного шара. Число было ошибочным, но стояло в главной книге эпохи. Позже Галлей привязал к картине и полярные сияния: светящееся вещество, просачивающееся изнутри у полюсов.

В начале 1867 года шотландский физик Питер Гатри Тэйт показывал коллеге фокус: ящик с двумя отверстиями, немного дыма, резкое движение — и по лаборатории поплыли дымовые кольца. Они проходили друг сквозь друга, упруго отскакивали, дрожали и упорно не желали разрушаться. Коллегу звали Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, и он увидел в этих кольцах не игрушку, а устройство мира.

Идея вышла великолепная. Атомы — вихревые кольца в эфире. Разные элементы отличаются узлами: простое кольцо, трилистник, восьмёрка. Вечность атома гарантирована теоремой Гельмгольца: вихревая линия в идеальной жидкости не может ни родиться, ни оборваться. Одна теорема давала сразу и неуничтожимость вещества, и разнообразие химических элементов. Программу разрабатывали три десятилетия лучшие люди эпохи.

Она умерла. По совокупности причин, к концу века, тихо.

Но по дороге случилась странная вещь. Тэйт, чтобы каталогизировать будущие «атомы», почти десять лет составлял таблицы узлов: систематически, от простых к сложным, до 1885 года. Физика, ради которой всё затевалось, рассыпалась. А таблицы остались и стали фундаментом теории узлов, раздела математики, который полтора века спустя работает в топологии, статистической физике и молекулярной биологии.

Вот полная формула этой истории. Идея была верна по духу: устойчивые структуры в сплошной среде, топология вместо «неделимых шариков»; этим сегодня занимается половина физики конденсированных сред. И неверна в деталях, которые тогда нельзя было ни посчитать, ни измерить. Доработка таких идей — не предательство. Это единственный известный способ, которым большая догадка превращается в науку, а не в реликвию.

Мы рассказываем эту историю не из любви к антиквариату. Она только что повторилась с нами.

Свет далёких галактик приходит покрасневшим. Линии водорода в его спектре сдвинуты в красную сторону, и чем дальше галактика, тем сильнее сдвиг: закон Хаббла, сотня лет измерений, спорить не с чем. Спорить можно с выводом.

Сдвиг записывают числом z, долей, на которую удлинилась волна: z = 1 означает, что волна пришла вдвое длиннее, чем вышла, z = 3 — вчетверо. Чем больше z, тем дальше источник и тем старше его свет, поэтому z читают ещё и как глубину: глубже в пространство, глубже в прошлое.

Стандартный вывод известен: пространство расширяется, галактики разъезжаются вместе с ним, свет растягивается по дороге. Ниже — другая версия того же факта. В ней никто никуда не летит и ничто не тянется, а у самой версии уже есть опровержение: первая её редакция не прошла проверку данными.

Расширение обычно рисуют воздушным шариком: на резине точки-галактики, шарик надувают, резина тянется, точки разъезжаются. Картинка честно передаёт главное свойство стандартной космологии: тянется сама подложка.

Здесь картинка противоположная. Вязаное полотно, в которое довязывают новые петли. Ни одна петля не растягивается ни на волос. Полотна становится больше потому, что петель становится больше, и два жука, неподвижно сидящие на таком вязании, увидят, как число петель между ними растёт.

При чём тут вселенная. В этой картине пустота не пуста: её заполняет сеть одинаковых микроскопических ячеек, клеток. Свет в такой сети — волна, и мерить расстояние ему нечем, кроме её клеток; вещество — узлы, завязанные из неё же. Когда между источником и приёмником вставляются новые клетки, волна удлиняется ровно во столько раз, во сколько выросла сеть. Изнутри, для света, вставка неотличима от разбегания.

Отпустите яблоко. Оно упадёт. Что именно его толкнуло?

Этому вопросу больше трёх веков. Ньютон дал формулу, которая работает до сих пор, а на вопрос «что толкает» ответил знаменитым «гипотез не измышляю». Точность расчётов с тех пор выросла на порядки, а наглядного механизма, который можно показать руками, в учебниках по-прежнему нет.

У строителей механических картин мира ответ веками был наготове: в Землю втекает невидимая среда, эфир, и поток прижимает нас к полу, как течение прижимает пловца к водостоку. Картинка настолько естественная, что мы сами держались за неё годами.

Она мертва - её убили наши собственные расчёты, и ниже мы покажем как. Но интереснее похорон то, что выжило: в Землю действительно кое-что втекает, только это не вещество. Это узор. Чтобы объяснить, что это значит, сначала разберёмся с главным возражением против любой механики: «покажите, что прилетело и стукнуло».

Наша интуиция про «механическое» выросла на бильярде: воздействие - это когда одна вещь прилетела и ударила другую. Покажи снаряд - поверю. Нет снаряда - мистика.

Есть картинка, которая сама забирается в голову каждому, кто хоть раз задумался об устройстве мира. Мир - океан невидимой среды. Частицы - устойчивые вихри в ней, вроде дымовых колец. Свет - рябь на этом океане. Притяжение - течения. Никаких загадочных «полей», никакой квантовой мистики: одна среда, одна механика, и всё можно представить руками - как воду, как воздух.

Этой мечте четыреста лет. Её рисовал Декарт. Её всерьёз считал лорд Кельвин: «вихревые атомы» два десятилетия были респектабельной наукой викторианской Англии. В нашей стране её знают по эфиродинамике Ацюковского, а по миру и сегодня разбросаны десятки групп, которые строят мир из газа и вихрей.

Признаемся сразу: мы не сторонние наблюдатели. Мы сами много лет строим механическую картину мира и искренне хотели, чтобы она оказалась простой. Мы эту мечту не высмеиваем - мы её профинансировали годами собственной работы.

Но с самого начала у нас было правило, которое всё изменило: модель обязана досчитываться до числа. Не «объясняет на пальцах», а выдаёт число, которое можно сверить с опытом. И второе правило, следствие первого: убитая собственная идея - нормальный результат. Не поражение, а продукт.

За годы по этим правилам у нас накопился целый морг. Сегодня мы публикуем протоколы вскрытия. Хоронить будем не карикатуры: каждый некролог бьёт по лучшей версии модели, какую мы сумели построить. И там, где модель можно спасти доработкой, мы честно скажем, какой ценой. Спойлер: цена всегда одна - отказ от простоты.

Начну с факта, который звучит как анекдот, но им не является. Время жизни свободного нейтрона измеряют двумя способами. Можно пропустить пучок нейтронов через детектор и считать рождающиеся протоны - получается около 888 секунд. Можно запереть ультрахолодные нейтроны в ловушку и через разные промежутки времени пересчитывать выживших - получается около 878. Оба способа доведены до блеска, оба коллектива десятилетиями шлифуют свои систематики. Разница в десять секунд держится на уровне четырёх сигм и никуда не девается. Кто-то из двух превосходных приборов ошибается. Это не скандал. Это будни точной науки. Просто о них редко рассказывают.

В метрологии давно есть железное правило: одному прибору не верят, каким бы точным он ни был. Верят согласию приборов другой марки - таких, у которых другая физика измерения, другие источники ошибок, другая команда и другие привычки. Пока согласия нет, число считается мнением.

Я хочу показать, что это правило стоит применять шире, чем принято, не только к приборам, но к методологиям целиком. И что у теоретической физики есть недооценённый прибор другой марки: грубая механическая модель.

Точное измерение в современной физике - это не взгляд природе в глаза. Это цепочка: теория самого прибора, десятки вспомогательных констант, взятых из чужих работ, модель обработки сырых данных, конвенции: какие прогоны считать удачными, какие поправки вносить, на каком знаке остановиться. Каждое звено ковали честные люди. Но цепочка длинная, звенья наследуются из работы в работу, и у неё есть свойство, о котором не пишут в аннотациях: она склонна согласовываться сама с собой.