Торчигин В.П., Торчигин А.В. Шаровая молния:
От невероятного к очевидному

Оглавление

Введение

Феномен шаровой молнии (ШМ) остается неразгаданным до настоящего времени. "Шаровая молния: нерешенная проблема физики атмосферы" - это название последней изданной монографии в 1999 году. Мы можем уточнить это утверждение и сказать, что шаровая молния – это позор современной физики. Она проникла в тайны ядра и вселенной, изобрела лазеры и транзисторы, которые в корне изменили условия жизни и деятельности человечества. Однако загадочное природное явление, которое наблюдается и изучается учеными в течение многих веков, не нашло удовлетворительного объяснения до настоящего времени. Известно более 200 различных теорий ШМ, проведена их систематизация и классификация, однако ни одна из них даже приблизительно не может объяснить загадочное и интригующее поведение шаровых молний, которое в определенной мере напоминает поведение некой высокоорганизованной материи. Физики не могут представить себе объект, подчиняющийся общепринятым законам физики, свойства которого совпадали бы со свойствами шаровой молнии. Действительно, невозможно представить себе автономный объект, который мог бы чувствовать и обходить препятствия, проникать в помещение сквозь оконные стекла и узкие щели, изменяя при этом свою форму, мог двигаться против ветра, мог сопровождать летящий самолет и не сдуваться потоком воздуха, скорость которого больше, чем в сильнейшем урагане. Этот объект излучает холодный белый свет, который не жжет, в отличие от белого света, излучаемого любым телом, нагретым до белого каления. Это что-то принципиально новое.

В 1838 году известный французский ученый Араго впервые опубликовал обзор 20 сообщений о встречах с шаровыми молниями. После 16 лет исследований этого явления он писал в 1854 году: "Шаровые молнии, о которых я упоминал много раз и которые привлекают к себе внимание, во-первых, плавностью и неопределенностью своего движения и, во-вторых, величиной разрушений, которые они производят при взрыве, на мой взгляд являются наиболее необъяснимой проблемой современной физики. Эти огненные шары казалось бы должны быть агломератами некоторой материальной субстанции, совпадающей с субстанцией самой молнии. Как такие агломераты формируются? Из какого участка молнии они происходят? Откуда берется вещество для их образования? Какова их природа? Почему они иногда останавливаются при движении, а после начинают двигаться более быстро? Наука бессильна ответить на эти вопросы".

В настоящее время, спустя полтора века, наука не может ответить ни на один из поставленных вопросов. Более того, перспективы разгадки этого явления весьма туманны. Изучение физики шаровой молнии зашло в тупик. Например, известный журнал Nature, в котором в течение последнего века опубликованы десятки гипотез, в последнее время с отчаяния прекратил публикации о шаровой молнии. Нужны какие-то принципиально новые идеи. Это весьма трудная задача, так как в течение веков уже были предложены все мыслимые гипотезы. Однако ни одна из них не смогла объяснить наблюдаемые свойства шаровых молний. По образному выражение репортера известного американского журнала New Scientists Роберта Метьюза "Шаровая молния представляет собой летающий мешок парадоксов".

Авторам удалось придумать совершенно новый объект, а затем тщательно исследовать его свойства, опираясь на известные законы физики. Разумеется, он совершенно необычен, о его существовании никто ранее не подозревал. Поэтому такой объект не мог изучаться ни теоретически, ни экспериментально. Более того, о нем не было даже ни одного упоминания. Авторы сначала полагали, что подобный объект может быть только плодом необузданного или воспаленного воображения, либо насмешкой над физиками. Однако, допустив априори невероятное, что подобные объекты существуют, они к своему большому изумлению обнаружили, что поведение этих объектов в земной атмосфере полностью совпадает с загадочным и интригующим поведением шаровых молний. Они с удовлетворением замечали, что им постепенно открывались все новые свидетельства, как бы специально для того, чтобы подтвердить справедливость из предположения. После этого пропали все сомнения в том, что в природе существуют такие объекты. Оставалось лишь обосновать это теоретически. Это задача с известным ответом. Ниже на суд читателя выносятся наши соображения. Пусть читатель судит, насколько они убедительны.

Рассматриваемый объект действительно представляет собой летающий мешок. Однако он наполнен не парадоксами, а совершенно пуст. Вернее внутри него находится такой же воздух, как и вне его. Шаровая молния (ШМ) представляет собой саму замкнутую прозрачную пленку. В качества такой пленки выступает тонкий слой сильно сжатого воздуха, в котором по всем направлениям циркулирует обычный интенсивный белый свет, поддерживая избыточное давление воздуха в пленке благодаря создаваемому светом электрострикционному давлению. Показатель преломления пленки больше показателя преломления окружающего пространства. Пленка выступает как планарный световод, кривизна которого отлична от нуля. Свет, введенный в такую пленку, может распространяться в ней по всем направлениям, но остается в пленке и не излучается в окружающее пространство. Таким образом, шаровая молния – это комбинация света и пленки сжатого воздуха. Сжатый воздух обеспечивает циркуляцию света в пленке. Циркулирующий свет, в свою очередь, обеспечивает сжатие воздуха. Можно сказать, что ШМ – это самоограниченный свет, циркулирующий в тонком замкнутом слое сжатого воздуха, который этим светом и образован. Иными словами, свет циркулирует в замкнутой ловушке, которую он сам создает. Когда это образование становится неустойчивым, свет разлетается во все стороны свободного пространства, а воздух расширяется. При этом шаровая молния, как обычно говорят, исчезает "бесследно". В этом абзаце полностью описана физическая природа шаровой молнии.

Если ШМ находится в однородном воздухе, где нет избранного направления, оболочка под действием сжатого в ней воздуха приобретает сферическую форму. В этом случае ШМ представляет собой световой пузырь, напоминающий мыльный. Однако вместо мыльной имеется тонкая пленка сильно сжатого воздуха. В некоторых случаях световой пузырь может быть заряжен, в других случаях пленка может состоять из других газов. Однако во всех случаях ШМ состоит из тонкой сферической пленки, в которой циркулирует интенсивный свет. Таким образом, ШМ – главным образом явление оптической природы. Физические процессы, которые привлекаются к объяснению этого явления, известны более века. Поэтому такое объяснение ШМ могло появиться много лет назад.

Предложенное объяснение сразу вызывает много возражений физиков, и чем эрудированнее физик, тем больше возражений. Все эти возражения обоснованны, и ответ на них первоначально был неизвестен. Это и хорошо, и плохо. Хорошо в том смысле, что наша гипотеза достаточно "сумасшедшая", чтобы сразу быть отвергнутой специалистами. Все мыслимые "не сумасшедшие" гипотезы уже были высказаны по нескольку раз в течение двух веков и не привели к положительному результату. Плохо в том смысле, что специалисты могут быть правы. Прежде чем отвечать на возражения, авторы решили исследовать свойства своих гипотетических пузырей и их поведение в земной атмосфере, опираясь при этом на общепринятые законы физики. К удивлению, эти свойства оказались такими же, как перечисленные интригующие и загадочные свойства ШМ. После этого было принято за аксиому, что в природе существуют световые пузыри и природные шаровые молнии являются экспериментальным подтверждением их существования. При таком подходе любое возражение должно рассматриваться как непонимание оппонентом некоторого явления, на которое он ссылается. Осталось только найти источник заблуждений, что в некоторых случаях является непростой задачей.

Таким образом, приняв a priori, что в природе существуют световые пузыри, и изучив теоретически их поведение в соответствии с общепринятыми законами физики, мы получили веские основания утверждать, что это наше предположение полностью себя оправдало. Многие авторитетные физики с большим интересом относятся к рассматриваемой гипотезе. Свидетельством тому служит тот факт, что книга написана на основе более десятка научных статей, прошедших тщательное рецензирование и опубликованных в международных физических журналах, таких как "Доклады Академии наук", "Physics Letters", "Optics Communication", "European Physical Journal", "Laser Physics", "Physica Scripta" и др.

Представленная в этих работах теория далека от завершения. Физики-профессионалы найдут для критики бесконечное число моментов, которые не были приняты во внимание, или трактовка которых упрощена. Авторы не ставили задачу – разработать модель шаровой молнии, которая бы являлась основным аргументом, подтверждающим правильности выбранного подхода, ибо любая модель – это прекрасная мишень для критики. Действительно, в любой модели невозможно учесть все многообразие явлений, происходящих в реальном мире. Задача была гораздо скромнее. Необходимо было опровергнуть основные возражения теоретического характера, которые наиболее часто высказывались оппонентами. Основным аргументом, подтверждающим правильность подхода, служат не выводы теории, а поразительное совпадение свойств ШМ и световых пузырей.

Книга состоит из четырех глав. Предполагается, что читатель знаком с основными особенностями шаровой молнии и многовековыми попытками раскрыть ее сущность. Этот материал может быть найден во многих публикациях. Настоящая книга посвящена рассмотрению исключительно одного подхода, который позволяет объяснить все странности поведения ШМ. Сознательно из книги исключены все математические формулы, чтобы книга была понятна более широкому кругу читателей. При желании с формулами можно ознакомиться в цитируемых работах авторов. Специалисты могут рассматривать эту книгу как руководство по этим работам. Объяснение физических процессов в ШМ производится на основе простых примеров, в которых имеют место подобные физические явления. Это в корне противоречит принятому во многих журналах по теоретической физике подходу, согласно которому необходимо сформулировать физическую проблему в виде математических уравнений, а затем исследовать их свойства. Применительно к исследованиям явлений в шаровой молнии такой подход привел к исследованию многих математических моделей, хотя можно было сразу понять, что они даже приблизительно не могут объяснить бросающиеся в глаза странности поведения шаровой молнии. Явно прослеживается закономерность, что каждый ученый пытается применить свои знания. Химики пытаются использовать химические процессы для объяснения природы ШМ, специалисты по плазме - особенности возникновения и поведения плазмы, специалисты по электродинамике – процессы, связанные с движением электрических зарядов, специалисты по ядерной физике – особенности ядерных превращений и т. д.

Существует достаточно простой критерий, по которому, не будучи выдающимся физиком, а руководствуясь обычным здравым смыслом, сразу можно забраковать 99% существующих гипотез. Действительно, если ШМ может проникать через стекло, то ШМ не может состоять из частиц, поскольку любые частицы (электроны, ионы, атомы, молекулы, наночастицы и микрочастицы, не говоря уж о более крупных), не могут проникать через стекло. Такой же вывод можно сделать из того факта, что ШМ могут двигаться против ветра. Независимо от того, какие внутренние процессы имеет место между частицами в ШМ, внешняя сила в виде ветра увлечет за собой эти частицы, а следовательно и ШМ. Эти выводы следуют из знаний, полученных по физике в средней школе. Не является исключением из указанных 99% и наиболее популярная в настоящее время теория ШМ Абрахамсона и Динниса [Abrahamson. 2000], согласно которой ШМ возникает благодаря процессам окисления наночастиц кремния в воздухе. Эти частицы образуются в результате реакции окислов кремния и углерода при ударе линейной молнии в землю. Исключение может представлять несколько теорий, где появление ШМ связывается с присутствием некоторых внешних полей, в местах концентрации которых происходит разряд. Поля прекрасно проникают через стекло и не сдуваются ветром. Однако эти гипотезы не в состоянии объяснить странности поведения ШМ, которые в значительной мере зависят от специфики окружающих ШМ объектов. Например, ШМ проникает в помещение через щель или через окно, а не через стену, ШМ обходит в помещении препятствия. ШМ движется около пола, а не около потолка.

В первую очередь указанному критерию удовлетворяет электромагнитное излучение и, в частности, свет. Свет может проникать через окна. Окна для того и предназначены, чтобы через них проникал свет. Световой луч не сдувается ветром. Как известно свет распространяется прямолинейно. Обычно световой луч приводят в качестве примера прямой линии. Вообще говоря, световой луч может изогнуться в направлении увеличения показателя преломления атмосферы, в которой он распространяется, а не в направлении ветра. Этим обстоятельством объясняются миражи в пустынях. Скорость света более чем в миллион раз превосходит обычную скорость других объектов на земле, имеющих массу.

Однако невозможно представить, чтобы свет мог быть сконцентрирован в некотором ограниченном объеме, размером с шаровую молнию без помощи других частиц. Правда, ШМ существует в атмосфере, где множество молекул воздуха. Оказывается, что они могут решить эту задачу. Это утверждение кажется совершенно неправдоподобным и невероятным. Цель книги – сделать его очевидным. В 2007 году небольшим тиражом вышло первое издание книги [Торчигин, 2007]. Получив положительные отзывы, авторы подготовили второе издание для более широкого круга читателей.

В первой главе на элементарном уровне рассмотрена физическая природа ШМ. Приведены сведения об основных физических эффектах, ответственных за ее существование. Затем на основе общепринятых законов физики и оптики анализируется теоретически как такие пузыри должны были бы вести себя в реальных условиях земной атмосферы. Показано, что их поведение в точности соответствует всем странностям поведения ШМ. Авторы надеются, что после прочтения этой главы у читателя не останется сомнений в справедливости гипотезы, поскольку слишком много странностей ШМ она позволяет объяснить. Все эти объяснения собраны в одном месте, чтобы развеять скептицизм читателя количеством приводимых доводов.

Вторая глава посвящена анализу свойств и особенностей поведения в земной атмосфере объектов, изучаемых в течение последних двух веков в лабораториях в попытках получить искусственную ШМ. Обычно эти объекты представляют собой светящиеся шары различного размера. Экспериментаторы по-разному называют наблюдаемые ими объекты. Среди них встречаются такие названия, как долгоживущие светящиеся объекты, шарообразные плазменные образования, экзотические вакуумные объекты, сферические автономные объекты, светящиеся шарообразные объекты, аномальные плазменные образования и др. Показано, что все эти объекты имеют одну и ту же физическую природу и представляют собой световые пузыри с малым временем жизни и малой запасенной энергией. В дальнейшем для краткости все подобные объекты называются просто аномальными объектами (АО).

Высказанное ранее утверждение, что световые пузыри никем ранее не изучались, требует уточнения. Такие пузыри в виде АО давно получались и изучались в лабораториях, однако ни один из исследователей не подозревал, что изучает световые пузыри. Исследование АО имеет неоспоримое преимущество перед исследованием ШМ, так как условия эксперимента могут быть многократно воспроизведены, а параметры АО тщательно измерены.

В третьей главе представлена теория ШМ. Вообще говоря, разработка теории – это задача физиков-теоретиков. Однако эту работу пришлось выполнять авторам. При этом пришлось преодолеть множество неопровержимых и неоспоримых, на первый взгляд, аргументов со стороны этих физиков в пользу того, что световые пузыри в принципе не могут существовать. Это относится к возможности света циркулировать в воздухе по траекториям с малым радиусом кривизны, к стабильности световых пузырей, к их аномально большому времени жизни. Пришлось заново изучать и уточнять природу создаваемого светом электрострикционного давления в газах.

Эти исследования оказались весьма полезными, так как не только прояснили происходящие в ШМ процессы, но и позволили выявить на основе анализа уже существующих экспериментальных данных новые физические эффекты, которые могут иметь место не только в ШМ. Необходимо подчеркнуть, что вся эта деятельность проводилась в рамках существующих общепринятых физических представлений. Многие сведения были взяты из пятитомного учебника физики Д. В. Сивухина и пятитомной "Физической энциклопедии". Эти работы проводились в условиях, когда заранее известен положительный ответ и необходимо только отыскать решение. Безусловно, уверенность в положительном исходе исследований способствовала их успеху.

Были большие сомнения в целесообразности добавления в книгу четвертой главы, в которой анализируется объективно существующая взаимосвязь между упоминаниями о ШМ и упоминаниями о низкотемпературных ядерных реакциях (НЯР). Известно, что официальная наука с большим подозрением относится к тематике, связанной с НЯР, полагая, что этими вопросами занимаются псевдо-, лже- и квазиученые. Несмотря на это четвертая глава была добавлена в книгу, так как полученные в ней результаты могут оказать большое влияние на решение проблемы разработки новых альтернативных источников энергии на основе НЯР.

По тематике НЯР ежегодно проводятся международные конференции, в которых принимают участие сотни ученых из всех индустриально развитых стран мира. Труды этих конференций доступны через Интернет. Именно в этих трудах часто упоминаются миниатюрные шаровые молнии. В конце концов, естественный радиоактивный распад безусловно является НЯР. В октябре 2008 года состоится "15 Российская конференция по холодной трансмутации химических элементов и шаровой молнии". Само названии этой конференции предполагает некую связь между шаровыми молниями и ядерными процессами.

Высказана и обоснована гипотеза, что физические условия внутри ШМ благоприятны для осуществления НЯР. Эта гипотеза нашла теоретическое обоснование при рассмотрении модели, в которой ядра представлены осцилляторами, взаимодействующими при приближении друг к другу. Показано, что такое взаимодействие может накапливаться в быстроприготовленном долгоживущем газе из плотно упакованных осцилляторов. Именно такой газ имеет место в ШМ. Оказалось, что этот вывод обладает большой предсказательной силой. На основе анализа различных источников, в которых упоминается о НЯР, показано, что во всех известных нам экспериментах присутствует быстроприготовленный долгоживущий газ из плотно упакованных молекул. Эти результаты могут быть использованы при разработке новых альтернативных источников энергии на основе НЯР.

Поскольку было выявлено существование в природе совершенно новых объектов, то естественно проанализировать наличие подобных явлений в других областях. В этой связи предпринята попытка рассмотреть поведение ядер элементов в предположении, что в них существуют такие же процессы и явления, как в ШМ. Постепенное уменьшение запасенной в ШМ энергии приводит к тому, что она становится нестабильной и распадается. Рассмотрены следствия из предположения, что энергия каждого изолированного ядра также постепенно уменьшается во времени, оно становится нестабильным и распадается. Возникающая при этом нестабильность ядер позволяет объяснить явление естественной радиоактивности. Показано, что взаимодействие ядер приводит к тому, что средняя энергия ядер остается при радиоактивном распаде неизменной во времени.

Пять лет назад авторы ничего не знали ни о шаровых молниях, ни о низкотемпературных ядерных реакциях. Проявив любопытство и задавшись простым вопросом – может ли в однородной нелинейной оптической среде существовать самоограниченный свет в виде светового пузыря, авторы погрузились в мир аномальных явлений, которые накапливались веками. Оказалось, что многие из этих явлений могут быть объяснены с привлечением концепции световых пузырей. Исследования были проведены по личной инициативе авторов. Все идеи и выводы отражают их личное мнение.

За помощь в подготовке книги и ценные замечания, способствовавшие значительному улучшению ясности и наглядности изложения, авторы выражают глубокую благодарность Е. Н. Арутюнову и Р. Б. Сейфуль-Мулюкову.

Об авторах

Доктор технических наук, профессор. Окончил Московский физико-технический институт (МФТИ). Автор более 100 научных работ. Занимался разработкой компьютерных систем для обороны. Затем в рамках программы Академии наук разрабатывал логические элементы и архитектуру оптического компьютера. После перестройки при поддержке международных грантов исследовал свойства параметрических систем с чрезвычайно низкой частотой накачки. В частности, им был исследован альтернативный эффекту Доплера механизм красного смещения длины волны света при его распространении в межзвездном пространстве. С 2002  г. приступил к исследованиям вопроса о возможности существования самоограниченных сгустков света в однородной нелинейной оптической среде. Полученный положительный ответ на этот вопрос привел к гипотезе, что шаровая молния является экспериментальным подтверждением существования таких сгустков. За период 2003–2007 гг. опубликовал более десятка научных статей в международных физических журналах с обоснованием этой гипотезы.

В настоящее время занимается применением светодиодов в принципиально новых устройствах отображения информации. Имеет патенты РФ и США.

Александр Владимирович ТОРЧИГИН

Окончил Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА). Занимается новыми системами для погружения в виртуальное окружение больших зрительских аудиторий, а также исследует возможность создания стереоизображений с помощью систем, не требующих от зрителя наблюдения изображений через специальные очки. В период 2003–2007 гг. исследовал стабильность самоограниченных сгустков света в однородной нелинейной оптической среде. Автор более десяти научных работ. Имеет патент РФ.