Обобщение этого результата на социальные системы дает основание предположить, что турбулентная жизнь является более разнообразной, а зачастую, более содержательной и более интересной, чем ламинарная. Для реализации больших возможностей турбулентной жизни нужны, конечно необходимые условия, которые могут быть реализованы лишь в открытых системах.

Юрий Климонтович 

Вернер Эбелинг

Из цикла «Штрихи к портретам ученых»

(продолжение. Начало в №4/2016 и сл.)

Впервые я увидел Вернера Эбелинга на физическом факультете Московского университета в 1959 году. Он окончил физический факультет университета Ростока и его руководитель профессор Фалькенгаген — известный специалист по теории растворов — направил его на годичную стажировку в Москву. Привел Вернера Эбелинга ко мне мой аспирант из Грейфсвальда Рональд Левен.

Естественно, что в то время Вернер был очень молодым. Вскоре выяснилось, что он не только молодой, но и умный и способный человек. По прошествии многих лет он остался молодым, способным и умным. Более того он стал также и мудрым и очень эрудированным. Круг его интересов очень широк — от принципиальных проблем теоретической физики до современных проблем биологии. Именно по этой причине всегда имеется длинная очередь желающих обсудить с ним самые различные научные проблемы. В этой очереди можно заметить не только молодых исследователей, но и знаменитых ученых.

Благодаря своим замечательным качествам он стал основателем известной Школы ученых широкого профиля.

Первые мои совместные с Вернером Эбелингом работы касались различных вопросов кинетической теории неидеальных газов и плазмы. Со временем круг совместных интересов существенно расширился. Для иллюстрации я приведу лишь один пример.

В 1982 г. я опубликовал книгу «Статистическая физика». Одно из ее отличий от известных руководств состояло в том, что основой в ней служила теория неравновесных процессов. При этом впервые в курс статистической физики была введена глава, посвященная теории турбулентности. Были приведены аргументы, позволяющие считать турбулентное движение более организованным, чем ламинарное.

В пользу этого говорил и результат расчета изменения производства энтропии при переходе от ламинарного течения к турбулентному, выполненный совместно с Харальдом Энгелем — стажером из ГДР. Расчет показал, что в процессе такого перехода производство энтропии уменьшается.

Возник вопрос об общем критерии относительной степени упорядоченности состояний открытых систем. На примере развития генерации в системе Ван дер Поля мной была сформулирован критерий, названный «S-теорема». Этот критерий и был использован для доказательства большей упорядоченности турбулентного движения по сравнению с ламинарным.

Большая упорядоченность турбулентного течения проявляется и в увеличении вязкости. При ламинарном движении вязкость определяется передачей импульса на молекулярном уровне. При турбулентном же движении передача импульса от слоя к слою осуществляется коллективными степенями свободы. Это означает, что индивидуальное сопротивление сменяется коллективным (организованным) сопротивлением. Это является несомненным признаком его большей упорядоченности.

Впервые публичное обсуждение вопроса об относительной степени упорядоченности ламинарного и турбулентного движений происходило во время международной конференции «Synergetics 83». Она происходила в биологическом научном центре в городе Пущино под Москвой. На ней собралось много замечательных ученых. Во время моего доклада известный механик Г.И. Баренблат кричал на весь большой зал: «Все механики прекрасно знают, что турбулентное движение является более хаотическим». Сторонников моей точки зрения были немного. Среди них И. Пригожин, Г. Хакен и В. Эбелинг.

В результате наших совместных усилий с Вернером Эбелингом в 1984 году на английском языке издательством Teubner была опубликована небольшая, но весьма содержательная книга «Самоорганизация и турбулентное движение в жидкости».

Я хочу также отметить и следующее.

Вернер Эбелинг стал одним из ведущих авторитетов в теории неидеальной плазмы. В Ростокском университете образовалась одна из сильнейших в мире теоретических групп. В ее состав, кроме Вернера Эбелинга вошли профессора университетов Ростока и Грейфсвальда: Дитрих Кремп, Вольф Крефт, Гердт Репке, Манфред Шлангес. Эта группа успешно проводила и проводит исследования процессов в неидеальной плазме с учетом связанных состояний. Написанные ими книги переведены на русский язык и широко используются специалистами.

Поражает широта научных интересов Вернера Эбелинга и его необъятная эрудиция. Благодаря этому с ним можно и интересно обсуждать самые разные проблемы современной физики, теории эволюции и биологии, в частности, круг проблем, которые можно объединить названием: «Физика открытых систем».

Недавно я опубликовал последний том монографии «Статистическая теория открытых систем». Он посвящен целиком квантовой теории открытых систем. Первым и, что особенно важным, активным читателем этой книги был Вернер Эбелинг. Он далеко не всегда соглашается с моей точкой зрения на ряд принципиальных вопросов современной теории. Именно это и делает наши обсуждения особенно интересными и полезными. Иногда, но не всегда, мне удается убедить его в моей правоте. Лишний раз подтверждается известное утверждение: В дискуссиях рождается истина.

Среди спорных — вопросы о роли самодиффузии в кинетической теории, о структуре квантовых флуктуационно-диссипационных соотношений, о физической природе явлений сверхпроводимости и сверхтекучести и многие другие. Определенное согласие достигнуто, например, в вопросе о критерии относительной степени упорядоченности состояний открытых систем, в частности ламинарного и турбулентного течений. Однако, до сих пор нет согласия в вопросе о роли самодиффузии в кинетической теории. Дискуссия по этому поводу продолжается!!!

В сентябре 2001 года в Берлине состоялся Симпозиум, посвященный юбилею Вернера Эбелинга. Собралось много участников. Были интересные доклады. Я выступил с небольшим докладом, на котором были затронуты два вопроса. Начну здесь со второго.

Речь шла о природе явления сверхтекучести.

Несколько эпизодов из истории.

В. Кеезом обнаружил в 1932 году при некоторой критической температуре аномальную температурную зависимость теплоемкости жидкого гелия, напоминающую форму буквы лямбда. Такая зависимость свидетельствует о наличии в жидком гелии фазового перехода второго рода.

В 1938 году П.Л. Капица обнаружил явление сверхтекучести гелия. Наиболее поразительно следующее.

Представим схему установки. Имеется маленькая бульбочка, наполненная гелием. В нее вмонтирован слабый нагреватель. Внизу от бульбочки горизонтально отходит стеклянный капилляр. Против свободного конца капилляра на кварцевой нити подвешен диск. При нагревании гелия в бульбочке из капилляра выходит струя гелия. Сила давления на мишень определяется по закручиванию нити. При этом количество гелия в бульбочке не убывает!!! Это и указывает на наличие встречного потока сверхтекучего гелия. Можно сказать, что имеется безвязкое течение в вязкой среде.

Для объяснения этого явления Капица принял модель двух жидкостей «нормальной» и «сверхтекучей», предложенную в работе Тиссы и существенно усовершенствованную Ландау. По поводу этой модели Ландау писал:

«Еще раз подчеркнем, что понятия “сверхтекучей” и “нормальной” компонент является лишь удобным способом описания явления».

Приняв двухжидкостную модель, Капица отметил:

«Если это теоретическое представление не было бы подкреплено экспериментальными доказательствами, то оно звучало бы как идея, которую очень трудно признать разумной».

Таким образом, двухжидкостная модель даже для физиков столь высокого уровня, как Капица, не представлялась достаточно ясной. Двухжидкостная модель предсказывает, однако, существование второго звука. Она объясняет многое и в опытах Андроникашвили по исследованию течения гелия между вращающимися цилиндрами.

Существенный вклад в теорию сверхтекучести внесли работы Н.Н. Боголюбова (1947) и Р. Фейнмана (1955). Однако и по настоящее время остаются открытыми два основных вопроса:

1. Физическая природа фазового перехода в жидком гелии.
2. Физическое объяснение существования сверхтекучести — безвязкого течения в вязкой среде.

Аналогичный вопрос возникает и в теории сверхпроводимости. Сверхпроводимость — незатухающий электрический ток в диссипативной среде.

Представим современную позицию о физической природе этих явлений ведущих специалистов в теории сверхпроводимости и сверхтекучести — В.Л. Гинзбурга и В.П. Минеева. Для этого лучше всего обратиться к написанным ими популярным работам. Ведь именно популярные работы, рассчитанные на широкий круг читателей, требуют особенно четких формулировок при объяснении фундаментальных явлений.

В популярной книге «Сверхпроводимость» В.Л. Гинзбурга и Е.А. Андрюшина (Москва, «Педагогика». 1990) на с.64—65 читаем:

«Сверхтекучая компонента гелия II движется без трения…».

Это лишь констатация наблюдений П.Капицы. Читаем дальше в надежде найти объяснение:

«Как понять движение гелия без трения?»

Представим себе, что все частицы жидкости связаны вместе и не одна из них не может быть отделена без нарушения всего состояния системы…»

Такая картина не отвечает, однако, физике процесса. Действительно, аномально большие значения радиуса корреляции и времени корреляции имеют место лишь для температур в критической области. При значениях температуры значительно меньших эти масштабы принимают микроскопические значения и, следовательно, нет оснований говорить о корреляции всех атомов.

В предлагаемой же нами теории ситуация меняется, поскольку при фазовом переходе возникают теперь корреляции на макроскопических масштабах.

Продолжим, однако, цитату из книги «Сверхпроводимость»:

«По аналогии со сверхпроводимостью и сверхтекучестью, мы можем сказать, что электрон в его состоянии “движения по орбите” (боровским орбитам, Ю.Л. К[лимонтович]) движется без трения. Оно не может быть нарушено если энергия воздействия меньше разности энергий стационарных состояний».

Используемая аналогия соответствует и точке зрения на природу сверхтекучести известного специалиста по теории сверхтекучести В.П. Минеева (сотрудника Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау) В популярной статье «Сверхтекучесть» (Соросовская образовательная энциклопедия («Наука», т.4, 2000 г.)) читаем:

«Таким образом, бездиссипативный поток в жидком гелии имеет ту же квантовую природу (скорость пропорциональна постоянной Планка), что и вечное бездиссипативное движение электрона в атоме.»

Вернер Эбелинг перед моим докладом сказал, что в Германии существует поговорка: «Аналогия хромает на одну ногу» (Die аnаlogie hinkt аuf ein Bein; The аnаlogy limps on one leg).

Обобщая немецкую поговорку на аналогию, проводимую В.Л.Гинзбургом и В.П. Минеевым, можно сказать:

«Аналогия хромает на две ноги» (Die аnаlogie hinkt аuf zwei Beine; The аnаlogy limps on two legs).

Аналогия с «вечным» движением электрона в атоме демонстрирует лишь отсутствие физического объяснения явлений сверхпроводимости и сверхтекучести — возможности существования незатухающего (постоянного) электрического тока в диссипативной среде и безвязкого течения жидкого гелия в вязкой среде.

Действительно, реальные атомы, например, атомы в флуктуационном электромагнитном поле, являтюся примером диссипативной сиcтемы. Из-за спонтанного излучения все возбужденные состояния атомов с отличным от нуля током являются неустойчивыми. Спонтанное излучение приводит к переходу в основное состояние, которому отвечает нулевое значение средней скорости.

Таким образом, принципиальный вопрос объяснения явлений сверхпроводимости и сверхтекучести — возможности существования незатухающего (постоянного) электрического тока в диссипативной среде и безвязкого течения жидкого гелия в вязкой среде, остается открытым.

Нами сделана попытка дать ответы на эти фундаментальные вопросы теории сверхпроводимости и теории сверхтекучести. Естественно, что предложенные ответы представляют лишь попытки объяснения этих сложных и необычных явлений. Едва ли они будут окончательными. Несомненно, однако, что они помогут сдвинуть «с мертвой точки» определенный застой, который имеет место после классических работ Ландау, Боголюбова и Фейнмана.

Ответы автора на эти вопросы изложены в статье «Сверхтекучесть — безвязкое течение в вязкой среде» (Доклады Академии Наук России, 2001), а также в главах 16, 17 книги «Статистическая теория открытых систем» Т.III (Москва, Янус-К, 2001).

Мне было очень интересно обсуждать эти вопросы с Вернером Эбелингом. Я не могу сказать, что достигнуто согласие, но «лед тронулся».

Второй вопрос, затронутый в моем докладе на этом Симпозиуме, касался изменения степени хаотичности при переходе от ламинарного течения к турбулентному. Приведенные выше физические аргументы и расчеты на основе критерия «S-теорема» дают основание рассматривать турбулентное движение как более упорядоченное и более разнообразное движение.

Обобщение этого результата на социальные системы дает основание предположить, что турбулентная жизнь является более разнообразной, а зачастую, более содержательной и более интересной, чем ламинарная. Для реализации больших возможностей турбулентной жизни нужны, конечно необходимые условия, которые могут быть реализованы лишь в открытых системах.

Мои многолетние наблюдения дают основание заключить, что до сих пор жизнь Вернера Эбелинга была в большей мере ламинарной, чем турбулентной.

Однако, теперь Вернер будет иметь больше времени, которым он может распоряжаться. Это одно из условий перехода к более турбулентной — более разнообразной жизни. То, что такой переход действительно происходит следует из слов Вернера Эбелинга, которые он произнес при нашей первой встречe после Симпозиума: «Теперь денег меньше, но работы больше!»

(продолжение следует)