ШАРОВАЯ МОЛНИЯ-ДИТЯ КВАЗИЧАСТИЦЫ

Что нам известно о шаровой молнии? Как правило, это одиночное, стабильное и долгоживущее образование в форме шара, обладающее большой светимостью и подвижностью. Наблюдаемый "огненный шар" - эфемерная, иногда вращающаяся масса "газа", который, как показал И. Л. Стаханов, по плотности близок к воздуху. По размеру и цвету его часто сравнивают с крупным апельсином. Если шар прозрачен, то кроме его радиальной структуры (концентрические слои, которые имеют различные цвета, яркость и скорость вращения, возрастающие к центру) в нем просматривается очень яркий и компактный источник света - ядро.

В процессе существования это аномальное атмосферное явление (ЛАЯ), как правило, "не привязано" к проводникам или каким-нибудь другим телам. В атмосфере и помещениях, молния, свободно перемещаясь в пространстве, сохраняет размер, форму и цвет. Измеш'- ние хотя бы одного из этих параметров - предвестник ее распада. Он может произойти либо с оглушительным взрывом, либо совершенно бесшумно. Добавим, что

шаровая молния, проявляя электрические свойства, всегда является излучателем в радиочастотном диапазоне и иногда ее наблюдение сопровождается интенсивными акустическими эффектами. Заканчивая портрет шаровой молнии, необходимо сказать, что она ведет себя как автономное образование, не нуждающееся во внешнем подводе энергии и несущее огромный электрический заряд.

В чем тут дело? Какие загадки таит в себе это аномальное атмосферное явление? В чем причины неудач поиска его сущности? Сделаем анализ методологии построения самой известной теории шаровой молнии. Эта теория принадлежит академику Л. Л. Капице. Ее исходной точкой послужил экспериментально открытый физический эффект-образование и свечение парящих в нитогроне сверхвысокочастотных (СВЧ) разрядов. Факел СВЧ-разряда внешне очень похож на шаровую молнию. Для отыскания сущности ЛАЯ П. Л. Капица применил теорему вириала. В современной интерпретации она звучит так: "Для устойчивого существования замкнутой плазменной системы (сгустка), то есть для самоудержания ее от распада, необходимо и достаточно, чтобы в ней гравитационная потенциальная энергия, определяемая как энергия взаимного тяготения всех частиц ее составляющих, внутренняя энергия плазмы, а также энергия электрического и магнитного полей, излучаемых системой, были взаимно уравновешены".

Иными словами, физический смысл теоремы вириала заключается в том, что источником энергии замкнутой плазменной системы, находящейся в равновесии, является гравитационная потенциальная энергия (для любой замкнутой системы она же равна энергии связи частиц ее составляющих). То есть гравитационная потенциальная энергия системы расходуется на нагрев вещества, из которого она состоит, и на электромагнитное излучение.

Опираясь на внешнее сходство шаровой молнии с СВЧ-разрядом и введя критерий их подобия - плотность энергии, Л. Л. Капица сделал очевидное допущение: энергия ААЯ аккумулирована в плазме, из которой в обоих случаях состоит "огненный шар". Поэтому в теореме вириала, записанной для любой известной и но размерам, и по массе шаровой молнии

мы), в соответствии с формулами теории гравитации можно пренебречь величиной гравитационной потенциальной энергии в силу ничтожности ее величины. При этом она, теряя изначально заложенный в нее физический смысл, трансформируется в фундаментальный закон физики - закон сохранения энергии. Идентификация явления природы и физического эффекта состоялась!

Однако возник парадокс. Из замкнутой макросистемы, находящейся в равновесии, исчез источник ее энергии.

Тем не менее, Л. Л. Капица, используя закон сохранения энергии и сверхнадежные экспериментальные данные, теоретически разгромил все известные до него концепции о физической природе шаровой молнии и создал свою - "волноводную". В соответствии с ней шаровая молния - плазмоид, который образуется в атмосфере Земли и располагается в пучности электрического поля мошной стоячей СВЧ-радиоволны, подпитываясь ее энергией. Таким образом, для реализации ААЯ нужен внешний источник электромагнитного излучения, которым могут служить грозовые тучи.

Широкомасштабные экспериментальные поиски необходимых СВЧ-радиоволн в атмосфере Земли до, во время и после грозы не увенчались успехом. Увы, теория не состоялась.

Естественно, после этого не только возродились разгромленные конценпции, а родились и новые, например, кластерные. Б. М. Смирнов считает, что шаровая молния может существовать только за счет внутренней энергии

"плазмы", из которой состоит всеми наблюдаемый эфемерный "огненный шар". Но такая концепция имеет еще больший скрытый недостаток. Он состоит в том, что концепция Б. М. Смирнова накладывает очень жесткие ограничения абсолютно на все параметры ААЯ. Причем эти ограничения вытекают только из фундаментальных законов физики и химии, но отнюдь не из наблюдений и не подкрепляются среднестатистическим портретом ЛАЯ. Отсюда, например, следует, что запас энергии шаровой мо.-шии никак не может превышать 1000 килоджоу л е и.

Ну а как же быть с достоверными фактами, в которых по самым скромным оценкам запас энергии ААЯ превышает указанный предел в 100 и даже в 1000 раз?

Такое положение, как известно, привело к антагонистическому разделению концепций о физической природе шаровой молнии, а их известно уже более трехсот, на низко- и высокоэнергетические. Низкоэнергетические базируются на законе сохранения энергии и поэтому не способны объяснить энергозапас ААЯ, превышающий миллион джоулей. Высокоэнергетические - на допущениях, позволяющих тем или иным способом обойти закон сохранения энергии.

Подводя итоги анализа, видим, что существующие представления о физической природе шаровой молнии, базирующиеся на законе сохранения энергии, ущербны. Они до сих пор не привели никого к однозначному и убедительному ответу на два фундаментальных и вечных вопроса решаемой проблемы. Что является источником энергии шаровой молнии? И где он все-таки находится: то ли внутри нее, то ли снаружи?

В поисках выхода из сложившейся ситуации и построения образной модели ААЯ примем качественно новое допущение. Оно заключается в том, что шаровая молния-естественное природное тело, которое в соответствии с определением академика В. И. Вернадского имеет свои границы, овей законы раз.вития, существует только в своей среде, неразрывно с ним связанной, сохраняясь за счет динамического равновесия внешних и внутренних процессов, и является логически замкнутой природной системой.

Общеизвестным примером естественных природных тел, а следовательно и наиболее вероятным аналогом

ААЯ, являются звезды-объекты мегамира. Однако проводить только масштабную аналогию по внешнему сходству (шаровые молнии, как и звезды,- устойчивые, светящиеся и вращающиеся "газовые шары"), как мы убедились выше, опасно. Дело в том, что элементарная оценка массы шаровой молнии по формулам астрофизики, например, при запасе энергии в 20 килоджоулей дает величину массы "огненного шара" в несколько десятков тонн. Этот результат противоречит не только наблюдениям, но и здравому смыслу.

Вот здесь-то и вскрываьгся методологическая ловушка для всех известных концепций о физической природе шаровой молнии. Она требует либо упрощения теоремы вириала до закона сохранения энергии в соответствии с допущением Л. Л. Капицы, либо огромной массы "огненного шара", что явно противоречит наблюдаемым фактам.

Чтобы пойти дальше в формулировании задачи и установлении аналогии, нам, кроме внешнего сходства объектов, необходимо найти существенные признаки, которые позволяют объединить ААЯ и звезды в класс естественного природного тела.

Во-первых, сравниваемые объекты, имея четкие границы, существуют в различных средах. Звезды - в вакууме, ААЯ - в газовой среде, например, атмосфере Земли.

Во-вторых, их объединяет структура. Звезды состоят из компактного и массивного ядра (его масса равна 99,99 процента от массы всей звезды) - источника энергии, атмосферы - зоны диссипации (рассеяния) энергии ядра по каналу электромагнитного излучения и фотосферы (тонкий слой атмосферы), в которой

руется доходящий до нас непрерывный спектр оптического излучения.

Отличие же структуры ААЯ от звезды, как следует из наблюдений, состоит в том, что у шаровой молнии, как правило, имеется несколько фотосфер. Самая яркая (интенсивная) внутренняя - ядро и наружная, то .есть видимая внешняя граница эфемерной оболочки. Если по наружной фотосфере ААЯ, как мы убедились выше, нельзя проводить аналогию, то о его компактном ядре (объекте макромира) этого сказать мы просто не можем. Здесь нужен анализ.

Понимая, что различие количества фотосфер у сравниваемых объектов обусловлено различием сред, в которых они находятся, мы можем сформулировать тезис: шаровая молния -сложный объект макромира, который состоит из компактного ядра (светящейся точки) - естественного природного тела и эфемерной оболочки-локальной области атмосферы Земли. Иными словами, ядро - источник энергии ААЯ - микрозвезда в макромире, а эфемерная оболочка шаровой молнии-возмущенная, локальная область атмосферы Земли.

Отсюда вывод: аналогом звезды, то есть естественным природным телом в шаровой молнии, является только ее компактное ядро.

Ну, а теперь перейдем к обоснованию тезиса, то есть образной модели ААЯ. Для этого примем энергию, запасенную в ядре, равной, например, миллиарду джоулей.

Почему именно такая величина? Во-первых, она следует из оценок наблюдений. И, во-вторых, эта величина была подтверждена экспериментально М. Т. Дмитриевым и Б. И. Бахтиным. Суть экспериментов состояла в

том, что в лаборатории на специальной установке потоком лучистой энергии облучали образцы грунта, измеряя при этом затраты энергии. Облучали до тех пор, пока не образовывался "грунт", идентичный образцу, взятому с места распада шаровой молнии.

Поскольку ядро ААЯ - объект макромира, то мы имеем полное право запас его энергии отнести к энергии связи микрочастиц, его составляющих. Поэтому, исходя из закона сохранения полной энергии системы (ядра), с учетом того, что наблюдаемая скорость движения ААЯ много меньше скорости света в вакууме, мы можем по формуле Эйнштейнаоценитьвеличинуэффективной массы ядра. Она получается по порядку величины близкой к планковской массе (Ю-о кг). Связь спектра наблюдаемых энергий ААЯ с величиной массы ядра линейная, что говорит о том, что принятое допущение полностью исключает антагонизм между высоко- и низкоэнергетическими концепциями о физической природе шаровой молнии. Она одна, и поэтому запас энергии любой шаровой молнии, как и звезды, определяется только величиной эффективной массы ее ядра.

Чтобы найти веществу ядра ААЯ аналог среди известных в природе, оценим среднюю плотность его массы, исходя из того, что его радиус из-за погрешности визуальных оценок может лежать в диапазоне от 10-* до 10-9 м. Расчеты показывают, что средняя плотность массы вещества ядра шаровой молнии очень близка по величине к плотности вещества Белых карликов (миллиард килограммов в кубическом метре). А раз это так, то можно уверенно сказать, что вещество ядер ААЯ, находясь при температуре в несколько миллионов градусов и давлении порядка 10'" атмосфер, является вырожденным. Используя формулы квантовой механики,

получаем, что средняя плотность частиц в единице объема ядра ААЯ примерно равна to* килограммов в кубометре.

По известным параметрам ядра исследуем его устойчивость, используя условия гидростатического равновесия вещества в нем. Расчеты показывают, что давление на его ловерхности примерно в 50 раз превышает атмосферное. А это означает, что "пылинка" вещества Белого карлика в земных условиях существовать не может. Для ее устойчивого существования нужны мощные либо внешние, либо внутренние воздействия. В атмосфере Земли и ее окрестностей такие внешние воздействия естественного происхождения, причем долгодействующие, способные удержать ядро ААЯ от теплового взрыва, на1м неизвестны. Однако, несмотря на это, шаровая молния все-таки существует! Значит, остается одно - искать их внутри ядра.

Обратившись к теореме вириала, мы однозначно устанавливаем их гравитационную природу. Но и здесь оценка величины гравитационной потенциальной энергии для плазменной системы массой 10-' кг и радиусом 10-* м дает величину всего 10-' джоулей, которой явно недостаточно не только для самоудержания ядра от распада, а и для существования самого явления природы.

Выход из этой критической ситуации нам подсказывает подобие строения ядра ААЯ и звезд. Дело в том, что нам известна пока только средняя плотность массы вещества ядра, поэтому, применив к ядру (микрозвезде) закон изменения плотности вещества звезд в зависимости от их радиуса, мы можем, правда мысленно, заглянуть в его "недра". Из закона следует, что при приближении к центру ядра ААЯ его плотность должна неограниченно увеличиваться (стремиться к

Насти). Но еще Макс Планк показал, что в природе бесконечной плотности массы вещества (материи) быть не может. У нее есть естественный предел, равный lOЩ кг*. Следовательно, внутри ядра ААЯ, как ядро у звезды, для обеспечения его устойчивости должно находиться очень массивное (по масштабам микромира) и компактное центральное тело с планковскими параметрами: массой, радиусом (К)-* м) и энергией, то есть своеобразная элементарная частица.

Реальны ли такие объекты микромира в природе? Ответ на этот вопрос следует из книги В. С. Барашенкова "Протоны, кварки, Вселенная": "Сегодня доводов в пользу их существования больше, чем против". Эти объекты называют максимонами, планкеонами и фридмонами, обобщая в класс фундаментальных сверхтяжелых частиц или квазичастиц.

Главным отличием сверхтяжелых частиц и квазичастиц от известных элементарных является наличие у них, наряду с электрическим полем, мощного гравитационного. Оценка интенсивности гравитационных эффектов в их окрестностях, в соответствии с известным правилом, состоит в том, что они исчезающе малы, если безразмерный параметр "альфа" много меньше единицы. Для всех известных элементарных частиц он равен всего 10-*. Однадад для оверхтяжелых частиц он близок к единице, скажем, меньше 1,0 но больше 0,01. Поэтому в окрестностях сверхтяжелых частиц приходится иметь дело с очень мощными гравитационными эффектами (как у черных дыр в мегамире), способными полностью уравновесить силы электрического расталкивания одноименных зарядов-частиц, например, из которых состоит вырожденное вещество компактного ядра шаровой молнии.

Из теории, разработанной академиком М. А. Марковым, известны три возможных способа образования сверхтяжелых частиц.

Первый-реликтовые сверхтяжелые частицы, образовавшиеся в момент "Большого взрыва" и дожившие до наших дней, что маловероятно.

Второй - их образование сейчас в глубинах Вселенной из-за неизбежных флуктуаций гравитационного поля или "испарения" черных дыр. И, наконец, третий-они образуются как и другие

элементарные частицы - во взаимодействиях, но при уровнях энергии взаимодействия, близких к планковской. Не исключено, что при этом в природе могут образовываться системы: максимоний (связанное состояние максимона и антимаксимона) с эффективной массой, превышающей планковскую, макситритий, максигелий и т. д. Понятно, что эти системы должны вести к образованию гигантских ААЯ с энергосодержанием, существенно превышающим миллиард джоулей.

Теперь, априори, с целью проверки принятого допущения и найденной аналогии для доказательства необходимости и достаточности существования ААЯ, оценим размер ядра. Для этого воспользуемся уравнением изменения ускорения свободного падения пробного (легкого) тела в зависимости от расстояния его до поверхности централыного (тяжелого) тела, прирааняв его к 9,81 м/с*. Вычисления дают радиус ядра порядка 10 ангстрем, что удовлетворительно согласуется с известными фактами. Масса такого сгустка, в пересчете на протоны, равна IO-'l кг. А это значит, что масса центрального тела ядра ААЯ составляет 99,99 процента от всей массы ядра. То есть мы получили результат, который однозначно подтвердил правильность выдвинутого тезиса при построении образной модели шаровой молнии.

Из вышесказанного следует, что образование шаровых молний в природе инициируется либо появлением, либо образованием в атмосфере Земли сверхтяжелой частицы или квазичастицы.

В ясную погоду наиболее вероятно, что ААЯ образуются в результате попадания их в атмосферу Земли из Космоса. Но чаще они возникают в результате ускорения силами природы известных элементарных частиц до супервысоких энергий и их последующего взаимодействия, либо между собой, либо с мишенями. Обладая мощным гравитационным полем, сверхтяжелые частицы или квазичастицы путем захвата компонентов атмосферы формируют вокруг себя компактный сгусток вырожденного вещества объемом около 10-" кубических метров, а следовательно, и шаровую молнию.

В природе, как известно, мощными ускорителями частиц, о которых мы можем пока только мечтать, служат всплески (импульсы) электромагнитного поля, сопровождающие различные метеорологические и

скис явления, а именно: сверхмолнин, смерчи, извержения вулканов и т. д. Ну, а мишеней хоть отбавляй. Ими могут служить и атомы, и молекулы, и пылинки, и батареи парового отопления, и электророзетки.

Проиллюстрируем сказанное. Известно, что у средней линейной молнии, являющейся мощным источником электромагнитного излучения, поток энергии равен одному килоджоулю с сантиметра ее длины. Следовательно, при ее длине порядка 1000 м энергия в импульсе электромагнитного излучения составит сто миллионов джоулей. Энергия же, необходимая для образования сверхтяжелой частицы, в 10-1000 раз больше. Отсюда - не каждая линейная молния ведет к образованию шаровой, даже если она почему-то свернется в клубок, как предполагает академик Н. А. Шило.

Известно, что максимум наблюдений шаровых молний связан с очень мощными грозовыми разрядами. Здесь, вероятно, работает эффект А. В. Чернетского, ведущий более чем к четырехкратному увеличению энергии импульса электромагнитного излучения из-за трансформации линейной молнии в самогенерирующий разряд.

Однако здесь возникает вопрос: куда исчезает субсветовая скорость новорожденной частицы? Ведь характерная скорость движения ЛАЯ, а значит, и его ядра, порядка один метр в секунду. Ответ на него однозначно следует из закона сохранения импульса. Дело в том, что новорожденная частица своим мощным гравитационным полем сразу же путем захвата формирует вокруг себя компактный, вращающийся сгусток вырожденного вещества из компонентов атмосферы.

Оценка массы и размера сгустка по изменению скорости новорожденной частицы от субсветовой до одного метра в секунду дает течь в течь ранее полученные величины.

Те, кто непосредственно наблюдал процесс образования ААЯ, сообщают о двух противоречивых вариантах. Первый - образовавшаяся в атмосфере короткая и стремительная огненная стрела, затормаживаясь, трансформируется в огненный шар. Стрела, как легко догадаться,- трек новорожденной частицы, образовавшейся на очень легкой мишени, например, пылинке. Второй - "выдувание" шара из электророзетки или шляпки гвоздя. Здесь новорожденная частица, образовавшись на

очень тяжелой мишени и уже заторможенная, формирует вокруг себя компактный сгусток.

Видим, что эти противоречивые варианты, которые ранее просто избегали объяснять, впероые нашли простое физическое объяснение в рамках предлагаемой модели шаровой молнии.

Б.Н. Игнатов Москва