Хаос. Создание новой науки

Как только процесс будет запущен и жидкий гелий начнет вращаться внутри ячейки, помещенной в вакуумный контейнер внутри емкости с азотом, экспериментатору нужно будет каким-то образом наблюдать за происходящим. Поэтому Либхабер встроил два микроскопических температурных датчика в верхнюю сапфировую пластину, покрывавшую ячейку. Графопостроитель непрерывно фиксировал их показания. Таким образом ученый контролировал температуру в двух точках на верхней поверхности жидкости. Это было настолько чувствительное и изящное устройство, что, по замечанию одного из физиков, Либхаберу удалось обмануть природу[270]

.

Эксперименты с миниатюрным сверхточным шедевром заняли два года, но, по признанию создателя, для его полотна то была самая подходящая кисть, достаточно удобная и не громоздкая. Он наконец увидел все. Проводя свой опыт днем и ночью, час за часом, Либхабер обнаружил на пороге турбулентности более запутанное поведение, чем мог себе представить. Появился целый каскад удвоений периодов. Либхабер ограничил и изолировал движение жидкости, поднимающейся при нагревании. Было установлено, что процесс начинается с первой бифуркации. Движение запускается сразу же, как только нижняя пластина из чистой меди нагревается достаточно, чтобы вывести жидкость из состояния покоя. При температуре на несколько градусов выше абсолютного нуля для этого требовалась лишь одна тысячная доля градуса. Жидкость на дне ячейки, нагреваясь, расширяется и становится легче прохладной жидкости на поверхности. Чтобы дать теплым нижним слоям вещества подняться, верхние, более холодные, должны «утонуть» – опуститься вниз. В процессе такого перемещения в жидкости образуются два вращающихся «цилиндра». Как только скорость вращения стабилизируется, в системе устанавливается динамическое равновесие. Тепловая энергия постоянно переходит в энергию движения, а затем, через трение, обратно в теплоту, которая рассеивается через прохладную верхнюю пластину.

До этого момента Либхабер воспроизводил настолько широко известный в гидродинамике опыт, что к нему уже относились с пренебрежением. «Это была классическая физика, – замечал ученый, – что, к несчастью, означало: старо, а значит, неинтересно»[271]

. Он рассматривал точно такой же поток, какой смоделировал Лоренц на базе системы из трех уравнений. Однако реальный опыт – проводившийся с реальной жидкостью, в ячейке, сконструированной инженером, в лаборатории, куда проникают вибрации с забитых транспортом улиц Парижа, – делал сбор данных проблемой куда более сложной, чем генерирование чисел с помощью компьютера.

Либхабер, как и другие подобные ему экспериментаторы, для записи показаний температурных датчиков, встроенных в пластину над ячейкой, использовал простой графопостроитель. В состоянии равновесия, после первой бифуркации, температура в любой точке оставалась более или менее постоянной – и перо чертило прямую линию. С увеличением нагрева обнаруживалась бо́льшая нестабильность. В каждом витке появлялся узел, который равномерно двигался взад и вперед, и такое его перемещение выявляло колебания температуры между двумя значениями – верхним и нижним. В этот период перо графопостроителя чертило на бумаге волнистую линию.

По одной непрерывно меняющейся и дрожащей от помех линии температур выяснить точное время появления новых бифуркаций или установить их природу невозможно. График образует беспорядочные подъемы и спады, которые кажутся почти такими же случайными, как и кривые продаж переживающего лихорадку фондового рынка. Либхабер проанализировал полученные данные, построив на их основе спектральные диаграммы. Он намеревался выявить главные частоты, скрытые в меняющихся значениях температуры. Создание спектральной диаграммы на основе экспериментальных данных похоже на построение графика звуковых частот, составляющих сложные аккорды симфонии. Внизу такого графика всегда проходит сбивчивая, дрожащая линия – фон, экспериментальные шумы. Главные тона проявляются как вертикальные пики: чем громче звук, тем выше пик. Сходным образом, если данные воспроизводят доминантную частоту, например, ритм пульсирует раз в секунду, эта частота тоже будет выглядеть на спектральной диаграмме как пик.