Ежедневные салюты в честь Уинклера

В новом научно-популярном проекте Laba.media выходят подкасты по истории науки «Научно-спиритический сеанс „Не верьте лорду Кельвину“». В этом цикле научный журналист Ольга Орлова предлагает действующим ученым «поговорить» с умершими предшественниками, сообщить им важные новости, задать интересующие вопросы. В этом выпуске научно-спиритического сеанса канд. физ.-мат. наук, зам. директора МИЭМ НИУ ВШЭ Александр Костинский «оживляет» Джона Уинклера.

— Саша, с кем бы тебе хотелось поговорить из умерших предшественников?

— Мне очень хотелось бы поговорить с человеком, который сделал выдающееся открытие совсем недавно и с которым я не успел встретиться, — это Джон Рэндольф Уинклер.

Историческая справка

Джон Рэндольф Уинклер (John R. Winckler) — американский физик-экспериментатор, открывший спрайты. Родился в 1916 году в Нью-Джерси, а умер в 2001-м в Миннесоте.

— Чем он тебе интересен?

— История и судьба Уинклера показывает, как работает современная наука. Это настоящий научный подвиг, который говорит о том, что выдающееся открытие можно сделать в любом возрасте, имея индекс Хирша 11 и общее цитирование 172.

— Но ведь современная наука делает ставку на молодых.

— Да, верно, а вот Уинклеру было 73 года, когда он открыл явление, которое было предсказано за 65 лет до него и забыто. В истории науки XX века я не знаю другого случая, когда великое предсказание нобелевского лауреата — а это был Чарлз Томсон Вильсон — было забыто так надолго. В XX и тем более в XXI веке наука развивается очень динамично. И такие лакуны, которые закрываются так медленно, — большая редкость.

— О каком же предсказании Вильсона идет речь?

— Речь идет об эффекте, который порождает самая обычная молния. Мы думаем, что, если видим молнию много раз в своей жизни, то всё про нее понимаем. А это совсем не так. История была такая. В июле 1989 года Джон Уинклер был уже пенсионером NASA, специалистом по авроральным явлениям (северные и южные сияния). И вот однажды он работал у себя в огороде в Миннесоте… А надо сказать, что то место, где он жил, находилось на достаточной высоте, поэтому на грозы, которые шли в долине ниже, он мог смотреть сверху и иногда видеть, что происходит над грозовым облаком. Идут удары молнии. Он поднимает голову и видит, что высоко над облаком происходят странные объемные вспышки и они поднимаются вверх. Он как глубокий специалист по авроральным явлениям мгновенно понимает, что это не северные сияния и не молнии. Догадывается, что видит какие-то гигантские, неописанные разряды над молнией. Он бежит в библиотеку и пытается разобраться, но ничего не находит.

— Получается, что никто не видел такие вспышки раньше, а он увидел?

— Видели и раньше, конечно, но не понимали, что они видят, не могли отличить от северных сияний… Поскольку в Миннесоте продолжается сезон дождей и гроз, он идет к декану факультета физики и астрономии местного университета в Миннесоте и пытается убедить его, что увидел удивительное явление, которое длится несколько миллисекунд и его необходимо записать на скоростную камеру. Поэтому надо восстановить имеющуюся у него списанную камеру. Тогда в 1989 году починить эту скоростную камеру и сделать к ней обвес, систему запуска, стоило 7 тыс. долл. И он уговаривает декана дать ему эти деньги. Он быстро ремонтирует эту камеру и сидит в засаде, ждет очередной грозы, и ему везет. Он записывает эти вспышки. Когда он приходит в университет, где ему разрешили пользоваться техникой, проявляет пленку и находит эти вспышки, то по примерному расстоянию до грозы оценивает расстояние до этих вспышек и их высоту. И тогда понимает, что сделал открытие. Он снял несколько вспышек в течение всего июля, пока были мощные грозы и ураган Хьюго. А затем опубликовал результаты в ведущем гео­физическом журнале — Geophysical Research Letters (далее — GRL), потом в самом Science.

— Хвала журналу Science, если ведущий научный журнал берет статью пенсионера из Миннесоты…

— Ну, во-первых, это уже после публикаций в GRL. Дело в том, что у него до этого уже были заслуженные публикации по авроральным явлениям. Он не был человеком с улицы. Публикации вызвали шок, удивление и недоумение коллег, которые не понимали, как можно публиковать такие непроверенные статьи. Было несколько писем от серьезных ученых, которые занимаются атмосферным электричеством, на тему «Как это можно было опубликовать в Science, когда есть только одна работа. Может быть, это артефакт камеры». И тут Уинклер делает гениальный административный ход — идет к руководству NASA со своими статьями и пишет «телегу» о том, что «в области, где взлетают ракеты, мною обнаружены огромные электрические разряды, природа которых неизвестна. Они могут повредить ракеты, самолеты, дальнюю связь, потому что это точно плазма, и это опасно». Официально зарегистрированная «телега» начинает жить своей жизнью. Вынуждены собираться большие начальники и ученые, часть из которых критиковала Уинклера. Большие начальники решают, что опасность нельзя игнорировать и необходима проверка результатов Уинклера. И вот через три года близ форта Коллинз (штат Колорадо) собирается большая экспедиция, расставляется много камер, тратится много денег, примерно раз в 15 больше, чем затратил Уинклер. И за один вечер удалось снять больше 240 вспышек!

— И это были те самые вспышки, которые заснял Уинклер?

— Да, это явление получило имя — «спрайты», поскольку физики любят всякие шутливые названия. Назвали так, потому что спрайт — веселый персонаж шекспировской комедии, легкий, как дух. Эти вспышки появляются, как «духи молнии».

— А как называл Уинклер это явление?

— Он ему не дал названия. Он был уже пожилой человек и совсем не думал про пиар. Потом уже были другие публикации о спрайтах в 1993, 1994 годах.

— Но как он понял, что это новый тип разряда?

— Потому что он был хороший профессионал в своем деле, знал абсолютно всё про северные сияния. Дело в том, что северное сияние легко распознать, оно обычно длится долго — минуты и часы. Но не всегда. Бывают короткие вспышки, бывают пульсирующие, редко возникающие северные сияния. Более того, они бывают и в низких широтах. Ведь Миннесота далеко от северного полюса, однако изредка северные сияния бывают и там. Например, по легенде, когда был убит Юлий Цезарь, северные сияния дошли до Италии. Так вот, Уинклер настолько хорошо знал свойства всех северных сияний, понимал их форму, цвет, что сразу определил: он имеет дело с другим явлением. Те ученые, что до Уинклера видели подобные явления, списывали их на полярные сияния. Более того, NASA запускало спутники, которые снимали из космоса скоростными камерами явления над облаками на протяжении тридцати лет. Когда подняли из архивов эти старые записи, то нашли эти спрайты.

— То есть на самом деле эти разряды фиксировали, не понимая, что у них другая физическая природа? Но почему?!

— Это частая в науке вещь. Видим мы не глазами — видим мы мозгами. Пока ты не понял, что в принципе должен увидеть, то ничего и не увидишь. Люди видели спрайты, но не обращали на них внимания. Когда ты просматриваешь огромное количество пленки, ты должен знать, что искать. Например, записи из космоса: вспыхивают молнии, засвечиваются огромные области облаков, горят на земле фонари и на их фоне надо отыскать не такие яркие вспышки, да еще и понимать, что это не блики на оптике камеры и т. д. Поэтому люди обычно ищут то, что они в состоянии осознать и понять. К открытию нужно быть заранее готовым, часто не зная об этом. Поэтому, на мой взгляд, абсолютно случайных открытий не бывает.

— А после того, как большая экспедиция зарегистрировала в штате Колорадо 240 вспышек за один вечер, наступил ли триумф Уинклера?

— Вот дальше начинается грустная история из области скорее научной социологии и психологии. Я посмотрел публикации о спрайтах 1995, 1997, 2001, 2003 годов. Замечу, что Уинклер умер в 2001 году. Так вот, на его публикации ссылок мало, а в некоторых работах просто нет. Хотя с ним консультировались перед экспериментами, его официально не включили ни в один большой проект. Его дело продолжили люди, которые дали спрайтам названия. Но в соавторы они его не взяли, оставив на обочине.

— Но ведь появление спрайтов предсказал Вильсон. Ссылались ли они на Вильсона?

— Да, конечно. Ссылаясь на Вильсона, некоторые коллеги посчитали возможным не ссылаться на Уинклера. Логика была такая: «Да чего ты там открыл, парень? Ведь всё давно было предсказано!» Работа Томаса Вильсона была опубликована в 1924 году в рамках дискуссии об ионизации атмосферы в Proceedings of the Physical Society of London, где он предсказал это явление¹. Было найдено еще несколько работ, где упоминались непонятные вспышки над облаками.

— То есть то, что они нашли это предсказание, дало возможность выбросить Уинклера из этой цепочки?

— Его не выбросили, это не был заговор против Уинклера, на нем просто не акцентировали внимание. Тем более, что сразу после этого начала разворачиваться целая новая физика разрядов в средней атмосфере. Были сделаны новые открытия. Дело в том, что после спрайтов эти явления получили название transient luminous events, то есть переходные световые явления. Были открыты новые явления, были открыты ELVES (Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources). По-русски — эльфы, огромные расходящиеся круги на высоте над Землей около 100 км. Чуть позже были открыты джеты, потом гигантские джеты, которые поднимались с верхней кромки облака. Если представить грубо облако, у него есть два больших заряда — положительный вверху, отрицательный внизу — и небольшой положительный ниже отрицательного. Молнии, которые бьют в землю, в основном отрицательные, и при этом большой отрицательный заряд переносится на землю. Если у вас дипольный заряд (один плюс, другой минус), то электрическое поле падает обратно пропорционально кубу расстояния. А давление падает экспоненциально, т. е. гораздо быстрее, подобно геометрической прогрессии. Если, например, молния разрядила часть одного из зарядов облака, то у вас другой заряд остается почти неизменным, и поле начинает падать квадратично, а его абсолютная величина на высоте резко возрастает. Таким образом, когда в землю бьет мощная молния, у вас резко возрастает заряд облака, видимый в средней атмосфере, и, соответственно, возрастает электрическое поле — настолько, что превышает порог пробоя на данной высоте, и у вас возникает электрический разряд. Это и есть спрайты.

— Так рождаются спрайты?

— Да, нам на поверхности Земли для пробоя нужно электрическое поле 30 кВ/см. А высоко над облаками может хватить всего нескольких вольт на сантиметр, потому что плотность молекул очень мала и электрон успевает разогнаться, чтобы ионизовать атомы. Поэтому у нас возникают условия для обыкновенного разряда. Как в трубках газоразрядных ламп, которые горят над нами в комнате сейчас, напряжение же в сети 220 В, а не 30 кВ. Почему они горят? Потому что внутри лампочек очень низкое давление. Фактически, там в мезосфере происходит то, что происходит в обыкновенных газоразрядных лампочках, только мезосфера «заправлена» не аргоном и ртутью, а воздухом низкого давления. При низком давлении не нужно высокое напряжение.

— А Вильсон именно вот так описал физическую природу спрайтов?

— Да, он приблизительно так и предсказал физическую природу этих разрядов и предсказал, что они могут возникать при разряде молнии. Но Уинклер, как и все современные ему ученые, не знал про работу Вильсона, поэтому у него не было цели подтвердить его предсказание.

— Ну а что бы ты хотел рассказать Уинклеру? Ведь он умер не так давно, в 2001 году. Нам есть, что рассказать ему после смерти? Какие есть для него хорошие новости?

— Дело в том, что изучение транзиентов — переходных плазменных явлений в атмосфере — было на пике, когда он умер. Он умер пожилым человеком, ему было 85 лет. Но через год после его смерти физики Виктор Пасько и Умран Инан открывают гигантские джеты…

Оказалось, что существуют разряды, стартующие с вершины облака на высоте 15–20 км и непрерывно распространяющиеся вплоть до нижней ионосферы. Это не спрайты, не механизм Вильсона, это новый тип разряда во время грозы. Уинклер был бы поражен, что такие разряды существуют. Статья была опубликована в Nature, и все осознавали, что это новое замечательное открытие.

Затем Уинклеру было бы интересно узнать, как были открыты и подтверждены компактные внутриоблачные разряды, и мы до сих пор не знаем, что это такое. Мы знаем, что есть фантастической мощности радиоизлучение внутри облака, которое на порядок больше, чем излучение на этих частотах обычного грозового облака. Разряды, судя по излучению, компактные, но какова их природа, у нас нет ясного представления, только гипотезы. Больше всего он бы обрадовался тому, что была открыта тонкая структура спрайтов. Он заснял большие светящиеся вспышки. А аспирантка Инана — Лиза Геркин, молоденькая девушка-аспирантка, ей еще не было 20 лет, — направила простенький телескоп схемы Добсона диаметром 400 мм на спрайты, фиксируя изображение скоростной камерой. И она увидела тонкую структуру спрайтов. Оказалось, что это гигантские стримеры, те самые, которые возникают, когда гудят провода высоковольтных линий, маленькие, тонкие шипящие голубые иголочки. Оказалось, что в верхней атмосфере при низком давлении эти иголочки превращаются в гигантские столбы диаметром 10–100 м. Весь спрайт внизу состоит из гигантских стримеров, а вверху он более или менее однороден. Это прямое продолжение работ Уинклера. Он же очень хорошо понимал, как развиваются в электрических и магнитных полях северные сияния, которые порождаются солнечными протонами и электронами. Поэтому ему такие новости были бы очень важны, потому что это продолжение его работ.

— А что бы тебе хотелось у Уинклера спросить?

— Я очень жалею, что при жизни не поговорил с ним. Я знал об открытии спрайтов, читал теоретические работы моих коллег, например Михаила Шнейдера, но я не знал судьбу этого человека. Я бы хотел у него спросить, как он догадался и понял, что это не авроральные явления. Как, на каком основании он исключил все возможные другие варианты. Все-таки просить 7 тыс. долл., ставить на кон свою научную репутацию, убеждать декана нужно иметь мужество. Он очень настойчивый человек. С одной стороны, по отношению к нему поступили несправедливо, но на самом деле он счастливец! Многим ли везло открыть у себя над головой совершенно новые явления? В честь Уинклера салюты взмывают каждую секунду — это спрайты отдают ему должное. Если бы была такая возможность, то я бы хотел устроить встречу на троих — я бы еще Чарлза Томсона Вильсона пригласил. Тот из 1924 года, и этот из 1989-го. Я представляю, как Вильсон реагировал бы, узнав, что совершил открытие в геофизике на кончике пера. Им бы было, о чем поговорить.

— А часто ли такое бывает в геофизике?

— Нет, в геофизике это бывает очень редко. Как ни странно, физика вокруг нас, до которой мы порой можем дотянуться пальцем, иногда сложнее, чем физика явлений, происходящих через микросекунды после рождения Вселенной. Поэтому в геофизике чаще бывает, как в случае Уинклера, что вначале фиксируют что-то, что людей поражает, а потом мы находим, что кто-то, может быть, и предсказал это явление. Есть области науки, где теория без эксперимента — это просто прикладная математика по мотивам физики. И большинство ученых в этих областях читает такие теоретические работы одним глазом, не вникая. Такая область — физика молний, физика высотных атмосферных разрядов. И в этом смысле, может быть, например, лабораторная квантовая физика при всей своей безумности и красоте в чем-то проще. Более того, вот мы сейчас разговариваем, а сто раз над нами гремит молния, обычная линейная молния. И у нас нет общепризнанной качественной теории зарождения молнии в облаках.

— Тогда в какой современный проект хорошо было бы Уинклера позвать?

— Заняться теорией происхождения молний. Человеку, который так хорошо знал физику плазмы верхней атмосферы, я уверен, было бы что нам подсказать.

— Это был научно-спиритический сеанс «Не верьте лорду Кельвину» на Laba.media. Его проводили Ольга Орлова и Александр Костинский. Они пытались поговорить с физиком-экспериментатором Джоном Уинклером.

Подкаст:
laba.media/materials/fizika-bez-vozrasta-kak-perevernut-nauku-na-pensii

¹ iopscience.iop.org/article/10.1088/1478-7814/37/1/314/meta