物理数理科学博士でモスクワ州立大学教授のドミトリー・ソコロフによる本、「HeavenlyMagnets。宇宙磁気の性質と原理「（出版社「アルピナノンフィクション」）は、物理学の特定の領域、つまり天体の磁気の研究に専念しています。ソコロフは、磁場の出現、構造、観測の理由についての質問に答えて、数学なしでは不可能な現代物理学の一部である、それに属する科学者がどのように、そしてなぜ働くのかを語ります。 N + 1は、磁場を生成するためのモデルの構築、ダイナモ波の伝播方向の決定、および太陽周期の長さを説明する一節を読むように読者を招待します。
磁場生成モデルの構築方法
専門家が特定の天体で磁場を生成するための理論モデルを構築しようとしている方法の話に移る時が来ました。約半世紀前、これを行う方法は1つしかありませんでした。結果の方程式が正確に解かれるように、説明できる問題の断片を強調する必要がありました。まあ、極端な場合、おおよそ-漸近展開を使用します。
もちろん、これについては、タスクを大幅に単純化してから、そのような分析的記述を別のフラグメントに許可する1つのフラグメントから不安定なブリッジをスローする必要があります。これは理論物理学の伝統的な方法です。それは数学の真に名人の習得を必要とします。 19世紀の初めにどうやって不思議に思うことができます。フレネルは、波動光学の基礎となる完全にクレイジーな積分を計算することに成功しました。航空の背後にあるすべてのアイデアは、同様の方法で開発されました。
第二次世界大戦中に新しい機会が現れました。エニグマコードを発見し、原子爆弾と水素爆弾を作成した人々は、最初のコンピューターを開発しなければなりませんでした。コンピュータの使用が記録破りのプロジェクトの分野から研究者の日常業務の武器庫に移行するのにさらに40年ほどかかりました。このプロセスは非常に困難で、しばしば苦痛を伴いました。おそらく、彼はそれほどタフではなく、時には残酷だったかもしれません。これまでのマイルストーンは、新しくて興味深いElbruseを分解し、外国のパーソナルコンピュータに切り替える必要があったときに記憶されていましたが、その時点でそれぞれに大金がかかりました。アラン・チューリングと彼の時代の学者たちが私たちに残したイデオロギーの遺産を完全に把握するのに数十年かかりました。
最後に、1990年代半ばに、計算物理学者は、天体での磁場の生成の詳細な再現について話すことが可能になるほど複雑な電磁流体力学の問題を解決する方法を学びました。人生は、ポール・ロバーツとハリー・グラズマイヤーの作品で地磁気を研究したときに初めて起こったような方法で発展しました。ロバーツは彼の人生の少なくとも半分の間イギリスで働いていたが、おそらく彼らはアメリカの科学者と見なされるべきである。その成果は非常に重要だったので、ニューヨークタイムズはそれについて書きたがっていました。
しばらくの間、理論物理学の古典的な方法は取り返しのつかない過去のものであるように思われました。確かに、質問を数値的に調査できるのに、なぜ正確に解決可能な問題の洗練された定式化を発明するのでしょうか。あなたはこれを言うこともできます：なぜあなたは平均場の複雑な電気力学を考え出し、アルファ効果を導入し、それを測定する方法を開発します、これがすべてなくてもできるなら、そして磁場生成の完全なモデルを直接構築します、そこでは何も無視されません？
さらに20年後、人々は直接数値法が誰にも完全に理解できない解決策を得ることができることに気づきました。理解と計算は、問題の研究の2つの補完的な側面であることが判明しました。あなたは両方の側面に対処しなければなりません。
当然のことながら、私たちの人気のある科学の本では、理解について具体的に話しますが、他の情報源でテラバイトとテラフロップスについて読む方が良いでしょう。ただし、問題の両側を調査することは非常に重要です。
理論家はどのようなモデルを構築しましたか？
最初に浮かび上がったのは、ダイナモがしきい値プロセスであるということでした。これは、ダイナモが十分に激しく回転しない場合、磁場は増加せず、消滅することを意味します。これは自然に見えます。なぜなら、私たちの近くの世界では、ダイナモのようなことは何も起こらない、つまり、ダイナモの強度が不十分だからです。もちろん、それを測定することを学ぶ必要があります。これは、原理的には、すでに説明した磁気レイノルズ数が導入されるのと同じ方法で行われます。
追加の問題は、ダイナモに回転する2つのノブ（2つの生成源）があることです。これは、同じアルファ効果と角速度の差、または回転の程度の差です。物理学部の2学期に教えられている線形代数コースは、この問題に対処するのに役立ちます。
詳細とは別に、目的の無次元数は次のように構成する必要があることがわかります。アルファと角速度勾配の積を取り、問題パラメータの適切な組み合わせで除算して無次元数を取得します。それはダイナモ番号と呼ばれます-どうやら、この名前の候補はありませんでした。
この機会に、私は有益な話をしなければなりません。ダイナモ理論に捧げられた彼の作品の1つで、V。I。アーノルドは、ラテンアルファベットの最初の文字にちなんで名付けられたA、B、Cの3つのパラメーターが使用された記述の流れを検討しました。この傾向は、ベルトラミやチャイルドレスを含む他の多くの物理学者や数学者によって考慮されました。これは何年も前のことだったので、残念ながらアーノルドはすでに亡くなっています。現在、これらの3文字は、アーノルドが自分の名前の頭文字と数学者のユージニオベルトラミとスティーブンチルドレスの名前から選んだものであると科学界では広く信じられています。私はもう一度フランス人の友人に、アーノルドは正気の人であり、彼自身の名前で物理量を呼ぶことは決してないだろうと説明しました。彼はすぐに答えた：「しかし、X、-ここで彼は私たちの共通の友人の名前を呼んだ-常に私たち、彼の学生に無次元数Xを導入するように促した」。明らかに異なる科学的伝統があります。
ダイナモ数が大きい場合（絶対値）、磁場が大きくなるか、振動とともに大きくなります。絶対値に関する節は偶然ではありません。アルファには符号があるため、ダイナモ数は正と負の両方になります。
また、多くの詳細を発見しました。特に、差動回転だけでなく、ポロイダル磁場をトロイダル磁場に変換できることがわかった。アルファ効果もその役割を果たします。もちろん、アルファは小さな値ですが、自然は多様です。回転が固体に非常に近い天体があります。その結果、トロイダルフィールドがどのように生成されるかを理解するために、いくつかのオプションを検討する必要があります。差動回転のみ、アルファ効果のみ、またはその両方です。これらのオプションは特別な指定を受けており、さまざまなオプションで研究されています。ダイナモの作品を学ぶには、読者の注意と細心の注意が必要ですが、今ではその詳細がわかりません。
太陽と地球では、ダイナモは全身ではなく、特定の球殻で機能します。地球では、これは多かれ少なかれ明白です。地球の外核だけが液体です。これは地震学的データによって証明されていますが、実際、日常の経験から（ダイナモにとって興味のない海を無視すると）、地球の表面はしっかりしていることがわかります。太陽の内部では、対流も星全体ではなく、対流と呼ばれる特定の殻でのみ発生します。これは、太陽の内部構造の理論とこの構造を診断する方法、主に日震学によって証明されています。これも個別に読む価値があります。
ダイナモは実際に球殻内に成長する磁場を生成するだけでなく、この成長には振動も伴うことがわかります。また、磁界波が発生します。同じ符号のダイナモ番号の場合、これらの波は太陽活動の波と同じように、太陽赤道に向かって走ります。ダイナモ数の反対の符号の場合、波は逆に極に向かって走ります。
もちろん、ダイナモ番号の符号は合意の問題です。ただし、この規則を変更する場合、つまり、右の座標系ではなく左の座標系を使用する場合、波の伝播の方向は同じままになります。
ダイナモ数の符号を決定する際には、差動回転に含まれる符号も含まれます。どちらがより速く回転しますか？太陽の深い層またはその表面？見つけるのは非常に難しいです。最初の太陽ダイナモモデルが開発されたとき、天文学者はまだこれを行う方法を知りませんでした。表面はより深い層よりもゆっくりと回転するはずであるように見えました。最も単純なクラウスの公式に従ってアルファ効果をとると、この差動回転の兆候により、観測に従って磁場波が太陽赤道に伝播するはずであることがわかりました。これは理論の勝利と見なされていました。
20年が経過し、人々は太陽の内部の回転の角速度を決定することを学びました。太陽は複雑に回転しているため、赤道付近の回転差の符号は予想とは逆になっています。理論家たちはさらに10年間考え、太陽のクラウスの公式で符号を変更する必要がある理由を説明しましたが、ここでは彼らの考えの過程を説明しません。再び彼らは理論の勝利について話し始めました。
今回も2つの話をしたいと思います。
太陽の予期しないアルファ記号の最初の説明の1つは、ウクライナの天文学者V. N. Krivodubskyによって提案されました。私は彼の論文の反対者に招待されました。現在の状況によると、レビューはロシア語で書くことができたが、防衛はウクライナ語で行われた。すべての詳細ではありませんが、すべてが一般的に明確でした。弁護側の主催者は自分たちの居場所を見つけることができず、言葉がわからなかったために苦しんでいたことをいつも謝罪しました。通訳が提供されました。私は彼らを安心させ、妻とのリトアニアへの旅行で、理解できない言語での会話を何度も聞いたことがあること、そしてウクライナ語はリトアニア語よりもロシア語にはるかに近いことを彼らに保証しなければなりませんでした。
2番目の話は、有名なロシアの物理学者Ya。I. Frenkelについてです。ある日、廊下の従業員が彼に新しい実験スケジュールを見せた。フレンケルはすぐに彼の容姿を説明したが、スケジュールが逆さまになって急いでいたことが判明した。フレンケルは少し考えて、さらに良い説明をしました。おなじみですね。
ダイナモ波の伝播方向に加えて、太陽周期の長さについても説明したいと思います。それは当然、磁場の振動の周波数によって決定されます。 Krauseの公式に基づく最も単純な見積もりでは、サイクル長は11年ではなく約1年でした。これは良いですか悪いですか？一方で、とても良いです。未請求の無線コンポーネントの最も近いダンプに行き、工場のマーキングなしでそこに抵抗、コンデンサ、インダクタを拾うと想像してみましょう。それらから発振回路を組み立てましょう。部品の外部検査と理論的考察に基づいて、その周波数を10の精度で予測することができれば、これは理論の勝利になります（もちろん、私たちが無線コンポーネントの外観の専門家でない限り） 。一方、数十年の間、理論家は正しいサイクル期間が得られるように太陽ダイナモモデルのパラメータを適合させることができませんでした。
その結果、理論では多くの二次効果を考慮に入れる必要があり、モデルで現実的なサイクル長が徐々に得られるようになりました。もちろん、これは理論の成功ですが、それでも完全な幸福にはほど遠いです。
銀河系の円盤では、角速度勾配の方向が重要であることが判明しました。観測によると、角速度はディスクの中心からの距離に応じて変化し、ディスクの中心面からの距離に応じて変化することはほとんどありません。これらのディスクは球殻とは大きく異なることがわかります。シェルの曲率は重要ですが、メインの曲率ではありません。したがって、単調に成長する磁場がディスク内で励起されます。ダイナモ数の1つの符号、正確にはクラウスの公式によって予測される符号でのみ励起されます。だからここで終わりが会う。
地磁気については少し後で説明しますが、ここでは次のことに注意してください。これまで、磁場がどのように成長するかについて説明してきました。常識では、この成長は非常に長く続くことはできません。太陽の磁場の成長が長い間止まっていることは明らかです。太陽活動の次の各サイクルの振幅が前のサイクルの振幅よりも大きかったことはまったく目立ちません。おそらく、太陽ダイナモの活動はいくつかの物理的プロセスによって抑制されているので、それは周期の振幅を維持するだけです。それでは、非線形ダイナモモデルについて説明します。
