ЮБИЛЕЙ УРАВНЕНИЯ БОЛЬЦМАНА
В декабре 2002 года в Институте теплофизики имени С.С.Кутателадзе
СО РАН проводился Всероссийский семинар "Кинетическая теория и
динамика разреженных газов". Этот семинар оказался важным научным
событием, поскольку после Всесоюзной конференции по динамике
разреженных газов, состоявшейся в 1990 году в Ленинграде
(С.-Петербурге), таких конференций в России больше не
проводилось.
А.Ребров, академик
В.Рудяк, профессор
 |
|
Семинар был приурочен к юбилею — 130-летию опубликования
уравнения Больцмана, ставшего вехой классической физики ХIХ
столетия. Людвиг Больцман был очень молод, когда построил
кинетическую теорию. А молодость, как известно, очень
революционна. Фактически это была первая попытка создания единой
физической теории, объединяющей механику, термодинамику и
гидродинамику. Следствием этой теории стала знаменитая Н-теорема,
согласно которой состояние замкнутой системы стремится к наиболее
вероятному, равновесному. Больцман пришел к концепции
статистического описания системы многих взаимодействующих
частиц — атомов. А ведь это было время, когда само существование атомов
и молекул вещества все еще не было принято научным сообществом!
Гениальный шаг Больцмана, состоявший в переходе от
детерминированного механистического описания сложной системы к
вероятностному, явился исходным при создании статистической
физики, статистической механики, статистической термодинамики,
термодинамики необратимых процессов.
На основе больцмановских идей сегодня сформировалось большое
междисциплинарное научное направление, включающее собственно
кинетическую теорию, статистическую механику, теорию процессов
переноса в газах, жидкостях и плазме, теорию релаксационных
явлений, теорию динамического хаоса. Во второй половине прошлого
столетия требования создававшейся космической отрасли привели к
быстрому развитию еще одной фундаментально-прикладной области
кинетической теории газов — динамики разреженных газов. Столь
активная "деторождающая" функция кинетической теории является
следствием богатейшего физического содержания уравнения
Больцмана. По существу, уравнение Больцмана — это запись законов
сохранения для системы взаимодействующих частиц в терминах
функции распределения их скоростей. Предельное выражение такой
функции, называемой максвелловской, определяет равновесие в
газовой системе. Если известна функция распределения, состояние
газа полностью определено даже тогда, когда понятия температуры,
давления теряют смысл. Для читателей без специализированного
образования хочется добавить, что из уравнения Больцмана при
различных приближениях можно получить всю гидродинамику (причем в
замкнутом виде!), уравнения Эйлера — для течения идеальной,
невязкой жидкости, уравнения Навье-Стокса — для движения вязкой
теплопроводной среды, далее путь — к более высоким приближениям.
Важно подчеркнуть, что, в отличие от механики, уравнение
Больцмана оказалось необратимым. В нем заложена "стрела времени",
которая и определяет наблюдаемую нами необратимую эволюцию.
Мост от уравнения Больцмана к фундаментальному обоснованию
описания неравновесных процессов в газах строился поколениями
выдающихся ученых. В СССР выросли целые научные школы,
основателями которых являются Н.Боголюбов, С.Валландер,
В.Струминский, М.Коган. Без их вклада трудно представить
космические успехи Советского Союза. Оглядываясь на прошлое, надо
отметить высокую научную культуру исследований по кинетической
теории газов, особенно в России. В наш век стремительных успехов
компьютерного моделирования, в значительной степени основанного
на статистических законах, наследие кинетической теории остается
ценным элементом физико-математической культуры, а в будущем,
по-видимому, потребует дальнейшего развития для анализа и
систематизации результатов физического и математического
моделирования в целом.
На наш призыв обсудить проблемы кинетической теории,
неравновесной статистической механики, необратимости и
динамического хаоса, процессов переноса и релаксационных явлений
в газах и жидкостях, взаимодействия газа с поверхностью, методов
решения кинетических уравнений, методов динамики разреженных
газов активно отозвались ученые Москвы, Санкт-Петербурга,
Екатеринбурга и, конечно, Новосибирска — всего из 40 организаций 14
городов России и из Алма-Аты. Было заслушано около 80 докладов.
Кроме этого, четыре напряженных дня работы вершились "круглыми
столами": "Необратимость и динамический хаос", "Численные методы
решения уравнения Больцмана и метод Монте-Карло", "Место
кинетической теории в развитии технологий, в частности,
нанотехнологий" и "Обобщенные кинетические уравнения".
Конечно, отсутствие регулярных встреч и связанное с этим желание
участников выговориться (среди участников было 2 академика, 3
члена-корреспондента, около 40 докторов наук) сделало программу
семинара несколько перегруженной. Но, несмотря на это, "круглые
столы", начинавшиеся после 6 часов вечера, рождали жаркие
дискуссии, продолжавшиеся затем в "Золотой долине".
Как представляется, семинар достиг своих основных целей.
Нам удалось активизировать научные связи в области, в которой
СССР занимал в мире передовые позиции. Мы опасались, что
обсуждение концептуальных проблем статистической механики и задач
современных космических и нанотехнологий окажутся, мягко говоря,
несовместимыми. К счастью — совместимы и взаимновозбуждающи.
Анализ представленных научных достижений выходит за рамки
газетной статьи. Об этом можно сказать лишь иллюстративно.
Обсуждение современных проблем аэродинамики космических
летательных аппаратов, теории электроракетных двигателей,
миграции наночастиц в верхней атмосфере и других были столь же
активны, как дискуссии по поводу обобщений уравнения Больцмана
или статистического равновесия по Гиббсу и Пуанкаре. Кстати,
последнее было темой доклада академика В.Козлова (МГУ), ныне
вице-президента РАН. Он впервые был в Академгородке и впервые
выступал в этом сообществе. "Нового" человека подвергли активной
научной атаке, особенно вечером на "круглом столе", и он оказался
на высоте. Некоторые выяснили лишь позже, что атаковали академика
и вице-президента.
Участникам семинара-конференции были весьма интересны темы
выступлений приглашенных докладчиков, которых было 14, в том
числе, наши земляки — член-корреспондент РАН А.Шалагин ("Газовая
кинетика в поле резонансного излучения") и профессор А.Петров
("Лазерное разделение изотопов"). Нам показалось, что эти
докладчики, в свою очередь, были довольны квалифицированной и
заинтересованной аудиторией. В этом сказалась цементирующая роль
семинара в научной междисциплинарности.
Молодежи было сравнительно немного. Одна из причин в том, что
семинар сразу был ориентирован на "смотр" лучших сил России,
поэтому значительная часть финансовых ресурсов была направлена на
материальную помощь известным профессорам, способным возродить и
передать традиции. Большинство таких специалистов преподает в
университетах. И это одна из причин того, что на семинаре
зазвучала проблема преподавания студентам богатейшего наследия
кинетической теории и ее практических следствий. А ведь это на
самом деле задача исторического масштаба. И, может быть, вообще
серьезная проблема ассимиляции накопленных знаний, их отбора для
будущих цивилизаций. Словом, на заключительном заседании
договорились о включении в программу последующих конференций
секции проблем современного преподавания механики жидкости и газа
в вузах страны.
Официальные организаторы семинара — Институт теплофизики им.
С.С. Кутателадзе СО РАН и Новосибирский государственный
архитектурно-строительный университет Минобразования России.
Видную роль в организации семинара сыграл Институт теоретической
и прикладной механики СО РАН.
Если конкретизировать организационные ячейки, это — отдел
разреженных газов ИТ, которым руководит один из авторов этой
статьи (академик А.Ребров), кафедра теоретической механики
НГАСУ (заведующий — профессор В.Рудяк), лаборатория вычислительной
аэродинамики ИТПМ (заведующий — профессор М.Иванов). Гости с
Урала и западного Зауралья были единодушны в пожелании, — чтобы
ближайшие конференции по кинетической теории и динамике
разреженных газов проводились именно этим коллективом.
Семинар 2002 года, первое после научного "дефолта" собрание
специалистов, не состоялся бы без поддержки РФФИ, ФЦП
"Интеграция" и Европейского отдела аэрокосмических исследований и
разработок. Вложения последнего почти втрое превосходили
суммарный национальный грант. Причина внимания заокеанских
благотворителей — высокая оценка уровня научных исследований в
данной предметной области в России, и в понимании того, что эти
исследования — достояние человечества в целом. Возрождение в
России конференции по кинетической теории и динамике разреженного
газа придаст импульс дальнейшему развитию этого плодотворного
научного направления. Напомним, что первый международный
симпозиум с данной тематикой был инициирован запуском первого
советского спутника Земли и проведен в 1958 году.
стр. 7
|
