Молния – это фазовый переход разрушения сплошной среды с поглощением тепловой энергии, которая расходуется на образование высокотемпературной плазмы. А электрический разряд в молнии – это короткое замыкание в плазме, который возникает тогда, когда появляется разность потенциалов. Поэтому электрический разряд в молниях всегда наблюдается при заземлении молнии.
Необходимо понимать, что является причиной возникновения электрического разряда, а что следствием. Известно, и это было проверено неоднократно, что в грозовых облаках отсутствует необходимая разность потенциалов для возникновения электрического разряда. А вот энергии, необходимой для фазового перехода, которая получается в результате конденсации паров воды, очень много. Именно из нее и образуется плазма.
Чтобы понять, что за фазовый переход происходит при разрушении воздуха как сплошной среды, давайте обратимся к аналогичным разрушениям в твердом теле. Разрушения твердого тела происходят по трещинам, когда возникают пластические деформации. Любые трещины в сплошной среде начинаются с дислокаций – линейных дефектов. Именно линейный дефект заполненный плазмой мы и наблюдаем во время молнии.
С середины прошлого века было известно, что дислокации в сплошной среде ведут себя подобно магнитному полю. В 1982 Кадич и Эделен построили теорию дислокаций в сплошной среде и проследили полную аналогию между теорией дислокаций и электромагнитными явлениями.
Покажем, что аналогия этих двух теорий распространяется и на фазовые превращения или фазовые переходы. Единственное превращение электромагнитного поля, которое известно – это переход в сверхпроводящее состояние, когда электромагнитный потенциал материализуется и становится, по сути дела, равен току (в обычном состоянии электромагнитный потенциал точно не определен, так как физический смысл имеет разность потенциалов, а не просто потенциал). При этом нарушается градиентная симметрия уравнений Максвелла. Известно, что в результате этого перехода магнитное поле выталкивается из сверхпроводника – это явление называется эффектом Мейснера.
Оказалось, что поле плотности дислокаций тоже выталкивается из сплошной среды, поэтому, собственно говоря, среда и называется сплошной. Искать плотность дислокаций в сплошной среде все равно, что искать магнитное поле в сверхпроводнике. Дислокаций нет в сплошной среде. Сейчас, когда выяснилось, что плотность дислокаций – такое же поле, как и магнитное поле, то это оказалось неожиданным. Ведь обычно под дислокациями понимают отсутствие локации атомов в решетке. Мы покажем потом, как поле плотности дислокаций связано с обычными дислокациями, а сейчас здесь плотность дислокаций – это поле, аналогичное магнитному полю, и оно проявляет себя, как линейный дефект.
Известно, что выталкивание магнитного поля из сверхпроводника происходит не всегда. Существует такое критическое магнитное поле, которое разрушает сверхпроводящее состояние. Критическое магнитное поле проникает в сверхпроводник и его состояние становится "нормальным" – не сверхпроводящим.
Вот точно так же и в сплошной среде существует такое критическое поле плотности дислокаций, которое при критических напряжениях проникает в сплошную среду и разрушает ее.
Что здесь нового спросите Вы? Просто никто никогда не рассматривал процесс разрушения сплошной среды как фазовый переход. А фазовые переходы имеют свои закономерности. Во–первых, при фазовых переходах изменяется симметрия состояния, во-вторых при фазовых переходах всегда есть конкуренция между двумя состояниями, которые могут реализовываться. Казалось бы, что разрушение сплошной среды в твердом теле процесс необратимый – разбитая чашка, например, а в воздухе этот процесс обратимый – молния прогремела и опять все спокойно.
Самое сложное здесь это понять причину процесса, что меняет симметрию и между какими состояниями существует эта конкуренция за минимум энергии. Ведь и в случае с разбитой чашкой поле дислокаций опять становится пассивным и не взаимодействует! Дело в том, что мы имеем дело с уникальным фазовым переходом, при котором изменяется симметрия не вещества, а изменяется симметрия поля взаимодействия! Поля плотности дислокаций нет в сплошной среде – оно выталкивается в обоих примерах! Чашку, конечно, не спасти, но каждый ее кусочек снова представляет собой сплошную среду.
Если разрушение сплошной среды это фазовый переход, то какая симметрия меняется? Здесь ответ такой же, как и для сверхпроводимости – изменяется градиентная симметрия уравнений состояния, она пропадает, и не наблюдаемые поля – становятся наблюдаемыми, они материализуются. В сплошной среде потенциал плотности дислокаций материализуется и становится пропорционален тензору напряжений. Это обычный закон Гука, когда смещение пропорционально силе.
Здесь все наоборот, то, к чему мы привыкли в обычной жизни, как раз происходит в сверхпроводящем состоянии. Для нас нормально, что деформации пропорциональны напряжениям, а для электродинамики это исключение, которое наблюдается только в сверхпроводимости. Получается, что состояние сплошной среды аналогично вырожденному сверхпроводящему состоянию! А не вырожденное состояние для потенциала плотности дислокаций соответствует плазме!
Никто не знает, почему не наблюдаемые поля, отвечающие за взаимодействия, вдруг становятся наблюдаемыми и материализуются. Не понятно, например, почему возникает сверхпроводящее состояние. Точно так же, не понятно, почему образуется сплошная среда в атмосфере. Такие состояния еще называют состояниями массивного бозона Хиггса! Хиггс описал переходы, когда поле взаимодействия вдруг перестает взаимодействовать с веществом и начинает взаимодействовать с самим собой – становится самосогласованным, когда поле пропорционально своему источнику.
Да, мы не оговорились – в сплошной среде мы имеем дело с массивным бозоном Хиггса для тензора дисторсии – потенциала плотности дислокаций. Это такое же состояния, которое ищут в адроном коллайдере! Но в адроном коллайдере ищут массивный бозон Хиггса для полей Янга-Милса, выдуманных внутренних симметрий фазового пространства волновых функций. Их еще называют калибровочными симметриями, чтобы всем было не понятно важно и солидно, а иначе денег не дадут. Наши поля они проще и связаны с обычной трансляционной симметрией пространства-времени. Временным трансляциям как раз соответствует электромагнитное поле, а сверхпроводимость это массивный бозон Хиггса электромагнитного поля. Потенциал плотности дислокаций, или тензор дисторсии, связан с обычными пространственными трансляциями, и звук в сплошной среде – это массивный бозон Хиггса тензора дисторсии.
Так вот, никто не знает, почему происходят такие переходы, когда поле взаимодействия вдруг становится материальным, сам Хиггс назвал их спонтанными переходами. Массивный бозон трудно получить. Однако, всем известно как его разрушить. До сих пор считалось, что воздух нельзя разрушить, так как воздух лучший амортизатор, все колеса накачены воздухом. Но оказалось, что и воздух при определенных условиях можно "сломать". Для этого надо создать избыточное давление в некотором объеме воздуха. Это избыточное давление является аналогом избыточного напряжения, которое действует, например, на опоры бетонных конструкций. Воздух как сплошная среда выталкивает плотность дислокаций, как сверхпроводник выталкивает магнитное поле, но при определенном критическом давлении в некотором объеме не в состоянии сопротивляться даже воздух, и он "ломается", и мы видим молнию в виде линейного дефекта или трещины.
Известно, что давление пропорционально плотности. Поэтому молнии в грозовом облаке продолжаются до тех пор, пока не изменится плотность грозового облака, т.е. пока не начнут выпадать осадки. Вы спросите, откуда возникает гром и высокотемпературная плазма в молнии? Со звуком – громом или треском, все ясно, так как уравнения для потенциала поля дислокаций – обобщения тензора деформации, мы получили при описании звука в сплошной среде, и даже назвали этот потенциал – фононным потенциалом, так как он описывает звук и диаграмму Флетчера-Мэнсона.
Собственно с постановки вопроса описания звука все и началось. А вот откуда возникает высокотемпературная плазма, мы расскажем в следующей статье, в которой покажем, что молния и взрыв это один и тот же фазовый переход. Но уже сейчас заметим, что при разрушении сплошной среды в твердом теле, в местах, где проходит трещина, тоже наблюдается сильный нагрев. Это известно, когда, например, мы ломаем проволоку – гнем ее из стороны в сторону, а она нагревается.
Давайте проследим все явления, при которых наблюдаются молнии, по аналогии с электромагнитными явлениями. Сразу оговоримся, что все свои вычисления мы проделали из первых принципов минимума энергии, а сейчас просто проследим аналогию.
Очевидно, что грозовое облако похоже на пластину с током. При этом произведение давления на толщину слоя грозового облака является аналогом линейной плотности тока. Поэтому задача вычисления поля плотности дислокаций, которое создается грозовым облаком, аналогична задаче: какое магнитное поле создается бесконечной пластиной с током. Вычисления показали, что критическое значение плотности дислокаций возникает тогда, когда среднее давление, умноженное на толщину грозового облака, превышает значение 200 бар на метр.
Параллельно с решением задачи: откуда берутся молнии в грозовом облаке, мы сейчас решили задачу: откуда берутся спрайты – молнии, которые распространяются выше грозового облака, и которые мы не видим с Земли. Спрайты были обнаружены всего двадцать лет назад.
Очевидно, что для пластины с током магнитное поле образуется как ниже, так и выше пластины с током. Так и молнии – они возникают как ниже, так и выше грозового облака. Спрайты примечательны тем, что имеют длину десятки километров, против обычных молний, которые имеют длину несколько километров. Как это можно объяснить? И здесь мы опять обратимся к сверхпроводимости. Дело в том, что магнитное поле хоть и выталкивается из сверхпроводника, но на границе проникает в сверхпроводник на определенную глубину, которая зависит от скорости света и величины энергетической щели, которая обратно пропорциональна квадрату глубины проникновения поля. В случае воздуха это будет скорость звука и жесткость воздуха, которая пропорциональна атмосферному давлению или плотности сплошной среды. Значит глубина проникновения, которая, очевидно, коррелирует с длиной молнии, обратно пропорциональна корню квадратному из плотности воздуха в атмосфере. Это и объясняет увеличение длины молнии на порядок выше грозовых облаков.
Где еще наблюдаются молнии? Молнии наблюдаются при больших торнадо и смерчах. Задача: какое поле плотности дислокаций создает пониженное давление в торнадо, аналогична школьной задаче: какое магнитное поле создает бесконечный проводник с током. Чтобы получить такой же результат, как и в грозовом облаке, нужно давление 0,1 атмосферы и диаметр 1-1,5 км. В этом случае будут наблюдаться молнии:
Еще известно, что молнии наблюдаются при извержении вулканов. Интересно, как можно объяснить это видео, если считать, что молния это электрический разряд? Между чем и чем образуется такая разность потенциалов?
Следуя нашей методике, мы легко объясним молнии в жерле вулкана повышенным давлением воздуха в жерле вулкана. Действительно, давление в воздухе пропорционально температуре, поэтому в жерле вулкана образуется повышенное давление, как и в грозовом облаке. Поэтому молнии будут продолжаться до тех пор, пока температура не уменьшится.
Почему все так просто, спросите Вы, и никто не догадался до такого очевидного ответа? Потому что была не понятна причина явления. Почему так произошло, попробуем объяснить.
Дело в том, что мы находимся в низко-симметричном состоянии, грубо говоря, сидим в энергетической яме, и для нас весь мир – это наша яма. Ведь атмосфера – это сплошная среда и она аналогична вырожденному сверхпроводящему состоянию. А как можно догадаться, сидя в яме, что там наверху? Никак. Для этого и работают физики, чтобы это все нам объяснить, а мы могли бы этим пользоваться. Вот молнии прорываются к нам, показывая как устроен "настоящий мир", а мы это не понимали, и сводили все только к следствию – к электрическому разряду, а не причине явления – фазовому переходу между различными состояниями тензора дисторсии.
Почему не заметили? Потому что смогли получить электрический разряд в лабораторных условиях, а взрыв грозового облака не смогли получить, или не смогли его разглядеть. Ведь действительно, молния, по сути дела, представляет собой взрыв критической массы грозового облака. Мы наблюдаем, как облако растет, увеличивается в размерах, меняет свой цвет, становится свинцовым от большой плотности, и взрывается! Доказательство того факта, что фононное поле (или тензор дисторсии) является проявлением сильного взаимодействия мы отложим на последующие статьи. А сейчас продемонстрируем взрыв воздуха, который индуцирован большим давлением на малых расстояниях, ведь соотношение 200 бар на метр никто не отменял.
Вот Вадим Заводченков объясняет, почему взорвался баллон с кислородом:
Давление в 120 атмосфер в баллоне как раз соответствует по порядку величины грозовому облаку, собранному на расстоянии двух метров. А вот еще один пример большого давления в малом объеме.
Очевидно, что давление в 200 атмосфер достигается при выхлопе отработанного топлива у ракеты.
В данной статье мы воспользовались аналогией со сверхпроводимостью и эффектом Мейснера. Но в сверхпроводимости есть, так называемое, смешанное состояние, в которое магнитное поле проникает, но только фиксированными порциями, с одним и тем же значением величины магнитного потока. Эти порции магнитного поля называются вихрями Абрикосова. В следующей статье мы покажем, что ионосфера является аналогом смешанного сверхпроводящего состояния в атмосфере. Поэтому в нее проникает плотность дислокаций, но дискретно, подобно вихрям Абрикосова, и эти вихри образуют картину Северного сияния.
По материалам исследований физика Александра Брагинского.
