Хаос. Создание новой науки

Все исследователи фазовых переходов, почувствовав под собой коварную трясину сомнений, ступали на спасительные камни аналогии. Фазовый переход от немагнитного состояния к магнитному оказался подобен переходу «жидкость – пар». Переход от обычной жидкости к сверхтекучей демонстрировал подобие перехода от проводника к сверхпроводнику. Математические вычисления, описывающие один опыт, применялись к множеству других, и в течение 1970-х годов проблема была почти решена. Вопрос заключался лишь в том, как далеко можно распространить вновь созданную теорию. Какие иные изменения в окружающем нас мире при их ближайшем рассмотрении окажутся фазовыми переходами?

Использование технических приемов, практикуемых при изучении фазовых переходов, для исследования потоков жидкости нельзя назвать ни сверхоригинальной идеей, ни самоочевидным подходом. На особую оригинальность он не мог претендовать, потому что еще в начале XX века величайшие ученые – пионеры гидродинамики Рейнольдc, Рэлей и их последователи – заметили, что в ходе тщательно контролируемого эксперимента с жидкостью движение ее качественно меняется: с математической точки зрения происходит бифуркация. Например, при нагревании снизу сосуда с жидкостью она из состояния покоя приходит в движение. Соблазн был слишком велик, и, поддавшись ему, специалисты предположили, что физическая природа такой бифуркации напоминает происходящее в веществе при фазовых переходах.

Подобные эксперименты были не самым очевидным решением в силу того, что описанные бифуркации в жидкости, в отличие от фазовых переходов, не вызывали изменения в самом веществе, но добавляли вместо этого новый элемент – движение. Жидкость из состояния покоя переходит к движению. По какой причине математическое описание подобных перемен должно соответствовать уравнениям для конденсирующегося пара?

В 1973 году Суинни преподавал в городском колледже Нью-Йорка, а Джерри Голлаб – серьезный, но временами впадавший в ребячество выпускник Гарварда – работал в Хаверфорде, на юго-востоке Пенсильвании[189]. Это учебное заведение, буколический, сельский колледж гуманитарных наук близ Филадельфии, было наиболее подходящим местом, чтобы угробить карьеру физика. Там некому было поручить работу в лаборатории или иные функции, доверяемые ментором своим протеже, – аспирантов там попросту не было. Но все же Голлабу нравилось преподавать физику студентам, и он начал преобразование физического факультета в центр, широко известный высоким качеством своих экспериментов. Тогда же, взяв оплачиваемый семестровый отпуск, он уехал в Нью-Йорк, чтобы поработать вместе с Гарри Суинни.

Помня об аналогии фазовых переходов и неустойчивости, наблюдающейся в жидкости, коллеги решили заняться классической системой – жидкостью, ограниченной пространством между двумя вертикальными цилиндрами. Один из них вращался внутри другого, заставляя жидкость двигаться между двумя поверхностями. Таким образом ограничивалось возможное движение вещества в пространстве, в отличие от волн, которые остаются после движения судна в море. Вращающиеся цилиндры воспроизводили так называемое течение Куэтта – Тейлора. Как правило, для удобства внутренний цилиндр вертится внутри закрепленного остова. Когда вращение начинается и постепенно набирает скорость, появляются первые признаки неустойчивости: жидкость образует изящный рисунок, напоминающий пучки трубок, а затем вокруг цилиндра возникают, одна над другой, размытые, похожие на ленты, зоны. Частицы жидкости движутся не только в направлении вращения цилиндра, но также совершают движения вверх и вниз, вращаясь вокруг этих зон. Подобное их поведение уже было рассмотрено Джефри Тейлором, который увидел это явление и измерил его количественные характеристики в 1923 году.

Чтобы изучить течение Куэтта – Тейлора, ученые сконструировали аппарат, помещавшийся на письменном столе и представлявший собой два цилиндра. Внешний стеклянный цилиндр походил на узкую банку для теннисных шариков высотой в фут и диаметром в два дюйма. Внутрь аккуратно помещался второй стальной цилиндр, оставлявший для воды пространство примерно в одну восьмую дюйма. «Это была весьма волнующая история, – вспоминал Фримен Дайсон, один из невольных очевидцев событий следующих месяцев. – Два джентльмена в тесной комнатке, оборудованной под лабораторию, почти без денег ставят прекрасный опыт, который ознаменовал начало полноценных количественных исследований феномена турбулентности»[190].