Бесконечность познания в капле воды
или 35 лет рука об руку с Его Величеством Случаем
Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
18 декабря 2011, Санкт-Петербург
Постепенно и неуклонно скатываюсь в состояние мемуарности. Это когда удаление от событий становится достаточным, чтобы оценивать их объективно. При этом то, что казалось раньше значительным, истончается до величины погрешности, а то, что представлялось локальным и не имеющим особого значения, приобретает характер системности. Ну, что ж, попробую рассказать так, как это мне кажется сегодня...
Всё началось с того, что, получив образование, которое называлось «общая радиотехника», я работал схемотехником на кафедре радиоэлектроники ЛГИ (Ленинградский Горный институт).
Так случилось (то, что касается участия Случая, в дальнейшем я буду помечать жирным курсивом), что вдруг, перед самым началом осеннего семестра 1973-го года был вызван в Москву на полугодовую переподготовку преподаватель, доцент той же кафедры, где я работал. У преподавателя этого было несколько курсов, которые он раскидал коллегам. За исключением одного, который имел очень длинное название, но, в общем, по смыслу, это был курс шахтной геофизики.
Так случилось, что никто не желал даже на время, на один семестр, брать эту дисциплину, и произошло непонятное. При наличии большого количества профессоров и доцентов, курс этот отдали мне, неостепененному и не имеющему опыта чтения лекций 30-летнему радиоинженеру. И я стал преподавателем-почасовиком.
Любая геофизика - это на 95% сейсморазведка. И если все остальные геофизические методы (электроразведка, магниторазведка, гравика и пр.) были мне немного понятны из предыдущего моего опыта, то информацию о сейсморазведке я стал черпать из популярных учебников, и на лекциях старался доносить до студентов содержание этих учебников.
Таким образом, для меня начался первый этап познания сейсморазведки.
Познание бесконечно, но этот процесс имеет три этапа. На первом этапе, когда мы находимся от некоторой области знания далеко, нам кажется, что ничего сложного там нет. На этом этапе мы считаем возможным изучать предмет издалека, на основании разного рода очевидностей, математического описания мысленных моделей, а также путем различных аналогий.
Вкратце о сейсморазведке:
Точно так же, как дельфины (в воде) и летучие мыши (в воздухе) используют принцип звуковой локации для определения препятствия, представляется очевидным, что принцип этот можно использовать и в твердых средах, и, в частности, в земной толще. Вот так, на основе этой очевидности возникла идея сейсморазведки. До тех пор, пока не начались практические сейсмоизмерения (то есть, до начала ХХ века) это всё представлялось настолько простым, что уже в конце XIX века считалось, что как научная область, сейсморазведка завершила свое развитие, так как уровень математического обеспечения был столь высок, что позволял описать любую ситуацию. Тем более, что в 30-х годах ХIХ века Пуассон дал глубокое математическое обоснование модели сейсморазведки, которое и по сей день является основой этого геофизического метода.
Для меня этот первый этап познания сейсморазведки заключался в изучении учебной литературы на эту тему. Но дело в том, что, как я позже понял, вся существующая научная и учебная литература по сейсморазведке опирается не на эксперимент, как вообще-то должно быть, а на некие представления, базирующиеся на очевидности и на абстрактную математику, также не имеющую никакой связи с экспериментом.
Я заметил, что в многотомных трудах по общей физике, том, посвященный акустике, одинаков до мелочей у всех авторов. Будь то Ландау, Фейнман или кто-то другой, уже не помню всех авторов, кого я изучал, содержание совершенно одинаковое. В других томах, посвященных другим областям физики, содержание, в общем, тоже одинаковое, но есть нюансы, расхождения в трактовке различных физических эффектов. Я никак не понимал, как могут талантливые, явно успешные физики переписывать чужие труды даже без переосмысления их.
Первый этап продолжался у меня примерно год. За этот год я осознал необходимость для моего лекционного курса лабораторных работ. Как я выяснил со временем, это была правильная догадка. Геофизика - это физика, а физику читать без лабораторных работ нельзя. Ведь сама по себе физика - это, в первую очередь, совокупность физических эффектов, и лабораторные работы должны демонстрировать студентам их реальность.
При постановке лабораторных работ по электроразведке, магниторазведке и прочим геофизическим методам, проблем не возникло. При попытках же поставить лабораторные работы, демонстрирующие фундаментальные положения сейсморазведки, для меня начался второй этап познания этой области знания. То есть, когда не понятно ничего.
Второй этап начинается при первом практическом прикосновении к предмету. Как правило, ожидание простоты при переходе от мысленной модели к реальности не подтверждается. То, что при этом обнаруживается, что называется, не лезет ни в какие ворота, и буквально опускаются руки. И если достанет воли не отказаться от дальнейшего общения с предметом, то остается один путь - планомерное, маленькими шагами, с привлечением методологических наработок и законов метрологии, постижение данной области знания.
Двигаясь, естественно, от простого к сложному, я решил поставить первую лабораторную работу для демонстрации абсолютно очевидной истины, заключающейся в том, что скорость распространения упругих волн в однородных монолитных твердых средах есть величина постоянная, но при этом индивидуальная для каждого материала. По причине недостаточного методологического образования, я еще не знал, что в физике очевидность - слово неприличное. В физике нет очевидностей, нет ничего, что не требовало бы экспериментального доказательства. Ставя эту лабораторную работу, я фактически должен был экспериментально доказать фундаментальный принцип сейсморазведки. Но, увы, как я ни старался, у меня ничего не получалось. Определяемая величина скорости для одного и того же объекта изменялась в зависимости от того, как велись измерения - вдоль объекта или поперек, а также от расстояния между излучателем и приемником. И когда я обнаружил, что даже для стекла (как наиболее однородного материала) эта величина изменялась в несколько раз, то я окончательно понял, что ничего не понимаю.
В результате, и студенты остались без лабораторной работы, и я погрузился в состояние, характерное для человека, который убедился в полном собственном непонимании предмета, который читает студентам.
Спустя какое-то время я узнал, что этим своим измерением я коснулся болевой точки сейсморазведки. Тем, кто пытался осуществить экспериментальное определение скорости звука в твердых средах, известно, что результаты этих измерений характеризуются погрешностью, многократно превышающей погрешность применяемой аппаратуры, и разные методы измерений дают различные величины скорости. Но поскольку «этого не может быть», то в отчетах, а также в научной и учебной литературе эти факты не приводятся. Эти, как считалось, неудачи, породили массу запретов на проведение подобных измерений.
В любой области физики наряду с теоретическими работами обязательно существуют разного рода лабораторные практикумы, с помощью которых можно метрологически корректно осуществлять измерения, позволяющие наблюдать те или иные физические эффекты. Акустика твердых сред и сейсморазведка, как часть ее, являются исключением. Здесь существуют только запреты. Причем обоснования этих запретов при кажущейся их обоснованности, на самом деле, носят чисто декларативный, демагогический характер.
Самым мощным и универсальным аргументом запретов является следующий. «Измерения недопустимы, так как величина исследуемого объекта не согласуется с длиной волны». Скажем, расстояние между излучателем и приемником больше (или меньше) длины волны. Но ведь длина волны λ характеризует только гармонический сигнал. Она и определяется-то как отношение скорости распространения волнового процесса V к его частоте f0:
λ = V / f0 (1)
А так называемый момент первого вступления частотой не определяется. Это лишь момент, и величина его определяется при осуществлении измерения скорости распространения волнового процесса. Эти измерения ничем не отличаются от измерения скорости движения любого движущегося объекта. Мы регистрируем моменты прохода этого объекта через определенные точки, отстоящие друг от друга на известном расстоянии, и берем отношение расстояния между этими точками к интервалу времени прохода объекта мимо этих точек. Ну причем здесь частота?
Момент первого вступления - это момент разрыва бегуном ленточки, и никого не интересуют какие-либо параметры бегуна. То есть, когда эту линию пересечет его голова, ноги и т.д. При измерении скорости распространения поля момент первого вступления разделяет состояние отсутствия сигнала от состояния его наличия.
Совсем уж не обращать внимания на явно несуразные результаты измерений скорости ученые-сейсморазведчики не могут, но здесь уж каждый выкручивается, как может, в меру своего таланта. Так, в справочнике физических величин горных пород (под редакцией Дортман Н.Б.) скорость распространения упругих волн в песчанике дается от 1900 до 7000м/с, «в зависимости от месторождения». На самом деле, как я сейчас это понимаю, в зависимости от размеров, формы и геометрии измерительной установки и образцов.
Далее, какой-то остроумный ученый ввел понятия фазовой и групповой скорости распространения упругих колебаний. Сначала было предложено считать фазовой скоростью скорость распространения фазы, а в дальнейшем, было принято фазовой скоростью считать любую скорость, которая может быть получена экспериментально, и что величина ее значения не имеет. Групповая же скорость - это скорость распространения энергии, и потому является величиной постоянной независимо от результата эксперимента.
Понятия фазовой и групповой скорости акустики позаимствовали из электродинамики, но там эти понятия имеют вполне определенный физический смысл.
Впрочем, это я сейчас, когда разобрался в предмете, мне кажется, что глупости в этих заявлениях и формулировках очевидны всем. Все-таки, наверное, не всем.
Так сложилось, что начало моей преподавательской деятельности совпало с началом моего увлечения методологией развития научного познания. Произошло это благодаря замечательным преподавателям кафедры философии (разумеется, марксистско-ленинской), к которым я попал в процессе подготовки к кандидатскому минимуму по философии. Читали в своих лекциях они, разумеется, то, что тогда (в СССР) было положено, а вот тему реферата они мне предложили классную, что называется, на всю жизнь. Тема эта - методология развития научного познания.
Знание этого предмета - непременное условие успешности научной деятельности. Ученый, обнаруживший что-то принципиально новое, оказывается в условиях человека, не имеющего зрения. И вот единственным поводырем может быть только методология.
Из трудов методологов я узнал, что столько, сколько существует натурфилософия (как называлась раньше физика), столько существует непримиримая война между теоретиками и эмпириками (экспериментаторами). Вроде бы, по логике, это не имеет смысла, потому что теория, по определению - это совокупность представлений, позволяющих обобщать и экстраполировать в перспективу свойства экспериментально выявляемых физических эффектов. Но, с другой стороны, разве не понятно стремление людей, которые не дали себе труда освоить основы метрологии и не владеющие способностями к экспериментаторству, объявить себя главными потому, что они имеют математическое образование!
Но как бы мы ни относились к этому вечному спору, он продолжается, и верх в нем попеременно одерживают обе стороны. В частности, в сейсморазведке победа теоретиков весьма убедительна, и там у эмпириков шансов нет. А вместе с тем, беспристрастно и объективно здесь судить можно только с позиции методологии.
Предлагаю взглянуть еще раз на фразу «групповая скорость есть величина постоянная, даже если это невозможно доказать экспериментально». Такое мог сказать только тот, кто не понимает главенствующей роли эксперимента в физике.
Мне вот очень интересно, могут ли математики не знать и не понимать, что принадлежностью к физике может быть только такое уравнение, аргументы которого могут быть определены в эксперименте? Вот, к примеру, волновое уравнение - основной инструмент сейсморазведки - имеет бесчисленное количество решений. Конкретное решение может иметь место только в том случае, если задать граничные условия, то есть параметры поля упругих колебаний на границе объекта. Но, увы, на сегодняшний день это невозможно, потому что не существует датчиков каких бы то ни было параметров поля упругих колебаний. И, стало быть, граничные условия задаются мысленно. И, следовательно, математика не имеет ни малейшего отношения к сейсморазведке, как к предмету.
Впрочем, чьё-либо (и моё, в том числе) мнение не имеет особого значения. Главное ведь заключается в том, даёт ли что-то на практике применение того или иного исследовательского метода. В отношении сейсморазведки никаких сомнений быть не могло, потому что, как известно, этот геофизический метод является главным при поисках нефти...
В тот момент, когда я получил свой первый результат с помощью несостоявшейся лабораторной работы, когда я понял, что ничего не понимаю, то решил отказаться от курса. Мне представлялось, что читать студентам то, что сам не понимаешь, недопустимо.
Но тут вмешался Случай.
По основному месту моей работы (лаборатория кафедры Разработки пластовых месторождений ЛГИ, куда я перешел с кафедры радиоэлектроники, упраздненной в 1974 году) я получил в начале 1977-го года задание изготовить аппаратуру для осуществления сейсмоизмерений в условиях угольной шахты.
Смысл сейсмоизмерений в угольных шахтах заключался в том, чтобы найти ключик для создания методики прогнозирования внезапного обрушения пород кровли. Предполагалось попытаться увязать звукопроводность пород кровли подземной выработки с вероятностью их обрушения. О важности и актуальности этой темы свидетельствует то, что внезапное обрушение пород кровли - это явление, которое дает половину травматизма подземных рабочих во всем Мире.
Замысел моего научного руководителя, поставившего мне задачу сделать аппаратуру, был следующим. Чем выше трещиноватость пород кровли, тем больше вероятность их обрушения. С другой стороны, чем больше трещиноватость пород, тем хуже их звукопроводность и тем резче падение звукопроводности с увеличением частоты зондирующего акустического сигнала. И, стало быть, представляется логичным увязать величину затухания поля в горной породе, залегающей в кровле, и частотную зависимость этого затухания с вероятностью обрушения.
Каждый из пунктов этого замысла представлялся очевидным и не противоречил общепринятым положениям, и логика построения аппаратуры также была понятной. Некоторое осложнение было вызвано тем, что нигде было не найти никаких цифр, никаких характеристик ни затухания, ни тем более, зависимостей затухания от частоты. Универсальной аппаратуры не существует, и непонятно было, какой коэффициент усиления должен иметь приемник, какой частотный диапазон должен имеет генератор напряжения для излучателя. Не имея этой информации, пришлось существенно усложнить аппаратуру. Ну, в общем, так или иначе, аппаратура была сделана, и мне пришлось спуститься в шахту, чтобы осуществить эти измерения.
Поставив в основе повествования Случай, я должен рассказать, как он помог мне в этом деле. В гидроакустике используется метод, позволяющий осуществлять измерение затухания звука при распространении его в воде. Чтобы использовать этот метод для определения затухания звука в твердой среде, необходимо было иметь преобразователи (излучатель и приемник). Они должны быть обратимыми и одинаковыми, и в процессе измерения их следует менять местами, то есть время от времени излучатель использовать как приемник, и наоборот, приемник использовать как излучатель. Или, как говорят гидроакустики, использовать принцип взаимности.
Такая аппаратура мне была известна. Это так называемый ИВПШ (измеритель вибрации корпуса корабля и подводных шумов). Но где же его в условиях Ленинграда достать-раздобыть? В СССР была засекречена любая аппаратура, отличная от ширпотреба. И вот, когда я вдоволь настрадался, разыскивая что-нибудь, чтобы самому сделать два преобразователя, я случайно оказался в так называемом мелкооптовом магазине, торгующем по безналичному расчету, и увидел там ИВПШ, который, естественно, немедленно купил. С тех пор прошло 34 года, а я до сих пор не могу об этом вспоминать спокойно.
Когда через несколько дней после этого я хотел зайти в этот магазин, чтобы посмотреть уже внимательно на всё остальное, что там могло быть, магазин исчез. И куда он переехал, спрашивать было не у кого...
Опущу драматизм первого в жизни спуска в шахту при полном отсутствии представлений о том, что такое шахта. Здесь этот момент не первостепенной важности. Главным же оказалось то, что породный слой при этих измерениях проявил свойство одночастотной колебательной системы.
Вот это был сюрприз! Колебательных систем в природе не так уж много. Это маятник, струна, камертон, электрический колебательный контур. Вот, пожалуй, и всё. Неожиданность заключалась в том, что плоскопараллельная структура (пластина, слой, породный или из какого-либо другого материала) не должна проявлять свойства колебательной системы. По определению, колебательная система - это устройство, в котором происходит преобразование ударного воздействия в гармонический (синусоидальный) затухающий сигнал. По идее, в пластине такого преобразования быть не должно. В пластине из однородного материала нет механизма для преобразования удара в синусоиду. По всяческой логике, удар по пластине должен вызвать короткий упругий импульс, который несколько раз переотразится от границ внутри пластины. А последовательность импульсов - это отнюдь не синусоида. Я же увидел именно синусоиду.
Обнаружение новой колебательной системы в двадцатом веке - это совсем рядовое событие, и я должен объясниться подробнее.
Для объекта, у которого коэффициент передачи k (или коэффициент усиления или затухание) не зависит от частоты f, частотная зависимость k(f) будет иметь вид, приведенный на рис.1 (график а). Если коэффициент k уменьшается с увеличением частоты f, график k(f) будет таким, как это показано на рис.1 (график b). Как мой шеф, так и я рассчитывали увидеть именно такую зависимость, и по углу наклона α этой зависимости судить о степени нарушенности этих горных пород. Казалось очевидным, что чем больше будут разрушены породы, тем больше будет угол α.
Рис. 1
Каково же было мое удивление, когда оказалось, что зависимость эта имеет вид, показанный на рис.1 (график с).
Апеллирую к радиофизикам. В этой области знания частотная зависимость коэффициента передачи в виде графика с на рис.1 связана с колебательным контуром. Подобный график - это в чистом виде амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) колебательного контура, который является идеальным представителем одиночной колебательной системы. Увидев кривую, геометрически подобную графику с, при частотной оси абсцисс, любой радиофизик скажет не задумываясь, что это характеристика колебательной системы.
Если на вход усилителя, имеющего АЧХ, геометрически подобную графику с, подать импульс, то на выходе мы получим затухающий гармонический процесс.
Кроме того, сказанному выше есть строгое математическое доказательство. Дело в том, что частотная характеристика, геометрически подобная графику с, есть не что иное, как спектральное изображение затухающей синусоиды. И человек, знакомый с разделом математики, имеющим название «спектральные преобразования», увидев график с, не колеблясь, скажет, что это изображение затухающего синусоидального сигнала. Ну, и, кроме того, затухающую синусоиду человечество может создать одним-единственным способом - путем импульсного (ударного) воздействия на колебательную систему.
Я так долго и с разных сторон рассказываю об этом потому, что за прошедшие с тех пор 35 лет я так и не смог доказать эту несложную истину ни геофизикам, ни горнякам, и вообще никому кроме радиофизиков, которым это и вовсе не нужно доказывать.
Получив такую частотную зависимость затухания поля упругих колебаний в породном слое (это был песчаник), я не мог говорить ничего иного, кроме как назвать этот слой колебательной системой. Иначе говоря, слоем-резонатором. Вот здесь без понятия длины волны не обойтись, потому что толщина слоя-резонатора h, из общих принципов резонаторов, непременно соизмерима с длиной волны:
h = n λ или, с учетом выражения (1),
h = n V / f0 (2)
Является ли данная колебательная система полуволновой (n=0,5) или волновой (n=1), я не знал, но произведение nV, которое я назвал коэффициентом k, для того первого случая, когда в кровле залегал слой песчаника, оказалось равным 2500м/с.
И опять не обошлось без помощи Случая.
Величина частоты f0 была известна из самого эксперимента. Она задавалась моей аппаратурой. А вот чтобы определить значение коэффициента k, нужно было знать толщину (геологи говорят - мощность) породного слоя h, залегающего в кровле, в котором и осуществлялось измерение затухания. И вот тут оказалось, что величину h никто никогда не знает. Угленосная толща является принципиально слоистой средой, и уголь залегает в этой среде пластом, но вот чему равны мощности слагающих породную толщу слоев, никто не знает. В самом деле, ну как узнать толщину потолка в том помещении, где мы находимся?.. Только бурением снизу вверх, из помещения, в котором мы находимся. Но в шахтных условиях это почти всегда невыполнимая задача.
Это мне растолковал технолог шахты, к которому я пошел консультироваться по этому поводу. А потом он добавил, что мне очень повезло, так как в той точке, где я работал под землей, проходит скважина, пройденная при заложении шахты, где-то лет 40 назад относительно того момента, еще до Войны. Нашли паспорт этой скважины, и оказалось, что мощность слоя песчаника, залегающего непосредственно над угольным пластом, составляет примерно 2,5 метров. Частота f0 была равна примерно одному килогерцу, вот и получился коэффициент k равным 2500м/с.
Это действительно было везение невероятное. И когда я в дальнейшем получил задание проверить мои выводы в точно таких условиях, я в течение трех лет объездил десятки шахт в различных угольных регионах, но ни разу больше информации о значении h получить не удалось.
И еще. Обычно и практически всегда кровля угольного пласта не однослойная, а многослойная. В моем Случае, когда я впервые в жизни оказался в шахте, этот 2,5-метровый породный слой, находящийся непосредственно над моей головой, был отделен от вышележащей толщи такой границей, что оказался акустически изолированным от вышележащих породных слоев. Если бы кровля тогда была многослойной, то верблюд (график с) был бы не одногорбым, а многогорбым (как практически всегда в дальнейшем и было), и тогда я бы не распознал в породном слое колебательную систему.
Однако известно, что если удается ответить на один вопрос, поставленный Природой, то возникает несколько новых. Вот так и здесь получилось. Не успел я в себя прийти от сделанных находок (что породные слои являются колебательными системами и что теперь можно определять мощности этих слоев без бурения), как получил встречный вопрос силы просто убойной.
Вся сейсморазведочная наука заточена на осознание наличия множества скоростей, характеризующих упругие волны в твердых средах. Для оправдания множественности этих субстанций сконструированы понятия различных типов упругих волн - продольные, поперечные, волны Рэлея, волны Лява, волны Стонли и т.д., десятки типов. Для каждого типа и для каждой горной породы - свои значения. А тут вдруг возникла какая-то скорость, равная 2500м/с. Это бы, может, и ничего, хотя я, как мог, не указывал в отчетах, что коэффициент k имеет размерность скорости. Но произошла скверная история.
Как оказалось, коэффициент k равен 2500 для всех горных пород. Не только для песчаника, как было первый раз, но и для известняка, аргиллита, алевролита и различных комбинаций состава горных пород. Это было определено с помощью лабораторных исследований. Вот этого, с позиций сейсморазведчиков, да и горняков, моих сотрудников по кафедре, просто не могло быть. Все на Свете, имеющие отношение к этой проблеме, настроены на то, что горные породы должны характеризоваться различными значениями скорости. Но на самом-то деле, ведь никто никому ничего не должен, а наша задача - не подгонять, а искать причины того или иного явления. Мои попытки доказать, что наша задача изучать природу, а не навязывать ей наши представления, успеха не имели.
Рассказывая о становлении нового научного направления, я понимаю, что должен освещать эту историю со всех сторон. Немаловажную роль в этом играло отношение к тому, что я делал, а через это, и ко мне, со стороны сотрудников, ну и конечно, заказчиков, на чьи деньги мы существовали.
Первый же мой успех, еще в 1977 году, я докладывал на Ученом Совете у заказчика - во ВНИМИ (маркшейдерский институт). Заседание вел доктор технических наук Ардашев. Решением этого Ученого Совета мои исследования должны были прекратиться и больше не оплачиваться. А, следовательно, на всей работе можно было поставить крест.
Но ВДРУГ заговорил присутствующий там весьма пожилой джентльмен. Ему было явно за 70, а может быть, и за 80. Он привстал над столом, за которым все сидели (и при этом все закричали: «Сидите, сидите, Григорий Николаевич!»), и тихим голосом с резко ненормативной лексикой (что характерно для горняцкой аудитории) обратился к Ардашеву: «Ты всегда был у меня плохим учеником, да так до сих пор ума и не набрался. Сколько у тебя геофизических лабораторий? А сколько там сидит дармоедов? Что они тебе дали за 10 лет, кроме никому не нужных отчетов? А этот (скрюченный подагрой палец в мою сторону) за полгода сделал такое! Определять строение пород кровли угольного пласта без бурения! Ты о таком слышал? Он (опять в меня палец) подобрался к прогнозу внезапного обрушения пород кровли! Или ты в своих кабинетах забыл, что это такое? Ты когда в шахте был последний раз?» И замолчал. На этом Ученый Совет заседание закончил, и мой доклад получил высшую оценку.
Я спросил у людей, кто это был. И вот тут они крайне удивились. Не знать Гэ-эНа... Кузнецова Г.Н. никто иначе не называл. Это была легендарная личность. Думаю, это был единственный не боящийся (и умеющий) думать ученый не только во ВНИМИ, но и во всем горняцком научном Мире. Авторитет у него был абсолютный и непререкаемый. Сказанное им не обсуждалось. В ТО время он ездил на семинары или для научных контактов в ЛЮБУЮ страну, и когда хотел. Для тех, кто понимает, что это было за время, это, пожалуй, самая сильная характеристика. Но для меня здесь главным было то, что он не должен был находиться на этом Совете.
Гэ-эН вернулся за день до этого из Америки и еще не акклиматизировался. Зайдя к Ардашеву за подписью на командировочных документах, он случайно оказался на Совете... Думаю, всю эту историю я должен был бы изложить жирным курсивом.
Время с 1977-го по 1993 год пролетело как одна минута. С февраля по сентябрь - работа на шахтах, с сентября по февраль - лекции, на которых обобщались и осмысливались результаты шахтных исследований. Известна шутка: так старался растолковать студентам, что и сам начал понимать. И это действительно так. По-настоящему начинаешь понимать то, что получается, только тогда, когда кому-то рассказываешь об этом. А принципиально новый материал только студентам и можно рассказать. Кто же станет слушать то, что еще даже не опубликовано...
Новое, только что возникшее знание беззащитно, как только что родившийся человек. Оно нужно только родившему его, а у всех остальных вызывает настороженность и недоверие. Новое знание в той или иной степени непременно перечеркивает предыдущий уровень, и потому несет в себе угрозу для ученых, уже остановившихся в своем развитии. А таких среди достигших прочного положения, к сожалению, подавляющее большинство.
За это время, за эти 16 лет удалось обнаружить еще несколько интереснейших физических эффектов, понять механику преобразования удара в синусоиду в пластинах и осмыслить результаты самого первого моего эксперимента с измерением скорости.
Из обнаруженного и эксплуатируемого эффекта, заключающегося в том, что породные слои проявляют свойства резонаторов, потихоньку проявились несколько весьма важных выводов:
Ударное воздействие на слой-резонатор вызывает отклик в виде затухающей синусоиды, но ведь сам-то инициирующий импульс при этом отсутствует. Так же точно, как когда мы наносим удар по клавише фортепьяно - самого удара не слышно. Слышна только нота (гармонический затухающий процесс). Распространяется в земной толще при этом затухающая синусоида, причем только вдоль слоя-резонатора, не выходя за его пределы. Но это противоречит принципу сейсморазведки, согласно которому упругий импульс, возникающий в результате ударного воздействия, распространяется во все стороны, и в том числе, в глубину. Следовательно, эхо-сигнал приходит не снизу, а сбоку, в результате отражения от границы плоскопараллельной структуры. Но тогда как относиться к сообщениям о том, что сейсморазведка «видит» на километровые глубины, что используется при поисках нефти?
Если я всё правильно понял в физике этих процессов, значит, сейсморазведка не должна иметь приписываемых ей свойств. Или я всё-таки что-то понимаю неправильно. Косвенные данные о том, что сейсморазведка не дает вообще никакой информации, были. Но уточнить ничего не удавалось.
Но вмешался Случай...
Году примерно в 1980-м у меня случилась командировка в Тюмень, где совершенно случайно образовалась очень неформальная встреча с геофизиками, открывшими с помощью сейсморазведки тюменскую нефть.
Дело в том, что я угодил в Тюмень во время какого-то общегородского праздника, и, что называется, гуляли все, в том числе, и та организация, в которую я приехал. И вот, я жил в гостинице и ждал, когда смогу приступить к своим обязанностям. Как вдруг, человек, к которому я, собственно, и приехал, вспомнил обо мне. Пришел ко мне в гостиницу и потащил в ресторан приобщить к всенародному празднику. Огромный зал ресторана был заполнен до отказа, и после поисков мой провожатый нашел одно незанятое место, на которое мне и указал. И при этом сообщил мне, что за этим столиком сидят сейсмики, открывшие тюменскую нефть.
Случай мне помог с ними встретиться, но как же я ломал голову, чтобы узнать от них в столь нерабочей обстановке то, что меня столько лет мучило!
В конце концов, ход был изобретен. На мое замечание, что мне их рекомендовали как сейсмиков, нашедших нефть, они очень смеялись, а потом объяснили, что нефть ищут исключительно бурением. А вот когда ее находят, то подтаскивают сейсмостанцию, делают измерение, а результат, то есть, разрез «подтягивают» к разрезу, полученному при бурении. Но зачем же этот обман, удивился я. Отсмеявшись на мою наивность, они объяснили, что по стоимости сейсмоработы примерно в 20 раз дороже, чем любой другой геофизический метод. И поэтому у кого сейсморазведка, у того всё - и жилфонд, и транспорт, и вообще преимущество во всём. Деньги, в конце концов, хотя в СССР это особого значения не имело. И не беда, что сейсморазведка ничего не дает. Потому что она дает главное - статус сейсморазведчика. А теперь, сказали они, можешь смело об этом рассказывать кому угодно, потому что всё равно никто не поверит.
Они оказались правы, потому что этому не поверили даже мои коллеги. И тогда я придумал вот что. Мы (моя лаборатория) стали ходить всем составом по геофизическим выставкам, которые в Ленинграде проходили и проходят довольно часто. Любая выставка геофизической аппаратуры и геофизических методов - это всегда на 95% выставка сейсморазведки. Мы подходили к каждому участнику выставки, представлялись денежными мешками и предлагали заключить договор на проведение работ. Но при этом ставили условие, что в зоне исследования будет полностью отсутствовать какая бы то ни было информация о геологическом строении земной толщи.
Мы с таким предложением в течение нескольких лет обошли несколько выставок и порядка 100 фирм. Среди фирм, к которым мы обращались, были и иностранные, всемирно известные. И поскольку ни одного согласия на выполнение работ на таких условиях мы не получили, то с тех пор мы имеем полное право говорить, что ни один сейсморазведчик в Мире не будет осуществлять геофизические исследования, если ему не известно строение земной толщи.
Так что же это за исследовательский метод, если для его осуществления необходима информация, которую он, собственно, и должен получить в результате своих исследований!..
А в 1986-м году произошла катастрофа на Чернобыльской АС. Спустя некоторое время я услышал от человека, владевшего информацией, что там всё началось с того, что в машинном зале 4-го блока началась вибрация, которая возросла до невероятного уровня и завершилась тем, что всё оборудование провалилось со страшным взрывом. Но это еще не было взрывом реактора. Реактор взорвался спустя полминуты после этого.
Человек этот был, что называется, с «самых верхов», видимо, действительно обладал какой-то информацией, и ему необходимо было продемонстрировать свою осведомленность и причастность. Что он и делал в не слишком трезвом виде. В этом замечательном государстве, имевшем название СССР, ведь всё секретилось, всё от нас скрывалось. И если мы что и узнавали, то только вот так, друг от друга.
Сейчас это всё можно без труда найти в интернете. Да, всё началось с возникновения вибрации и роста ее амплитуды. А вибрация началась в ходе перенастройки турбины, что планировалось давно, а сейчас, наконец, до этого дошли руки. И действительно, чернобыльская авария имела вид двух взрывов, разделенных во времени примерно на полминуты, что было зафиксировано всеми сейсмостанциями Мира как два сейсмотолчка с эпицентром непосредственно под 4-м блоком ЧАЭС.
Но тогда, когда я об этом услышал, я вдруг понял, что это было на самом деле. Я понял природу первого взрыва! Ведь это же учебный тест, известный всем радиофизикам! Если начинается неконтролируемый рост амплитуды гармонических колебаний, который завершается разрушением объекта, то это значит, что имело место резонансное разрушение.
Когда началась эра переменного тока, сколько было аварий трансформаторов и электрических контуров, которые происходили по этой схеме! Резонанс - это совпадение частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебательной системы, на которую воздействует эта внешняя сила. Как только возникает это совпадение, начинается рост амплитуды колебаний (в механике - вибрации), и возрастание этой амплитуды может быть десятикратным, а может увеличиться в сто и более раз. Это зависит от параметра колебательной системы, который называется добротностью. Чему равна добротность, во столько раз на резонансе увеличится амплитуда колебаний (вибрации).
Явление резонанса требует наличия колебательной системы. Или, иначе, наличие колебательной системы предполагает возможность резонанса, ну, и при достаточной добротности колебательной системы, резонансного разрушения.
Меня поразило, почему, после того как я выяснил, что породный объект проявляет свойства колебательной системы, я не понял, что земная толща - это совокупность колебательных систем?! Ведь это же крохотный логический шаг, так почему мне понадобилось столько лет и авария на ЧАЭС, чтобы его сделать?
А если нет колебательной системы, то и резонанс невозможен. Именно поэтому подобные разрушения, хотя и происходят нередко, никогда не воспринимаются как резонансные. Ведь в основе сейсморазведки лежит утверждение, что земная толща по акустическим свойствам - это совокупность отражающих границ, но ни в коем случае, не совокупность колебательных систем.
В 1986-м году, когда произошла авария на ЧАЭС, я понял, что имело место резонансное разрушение, и что колебательной системой служила геологическая структура, залегающая под 4-м блоком. Для того, чтобы сделать более определенные выводы, мне необходимо было иметь возможность определять добротности колебательных систем, залегающих в земной толще. Но в то время еще не было цифровой техники, а аналоговая не позволяла получать необходимую информацию.
Но это я сегодня понимаю, а тогда, не зная возможностей не существовавшей еще цифровой техники, я развивал шахтные методы измерений и даже методики прогнозирования ряда событий. К тому времени уже методика прогнозирования обрушения пород кровли была, что называется, внедрена на многих угольных шахтах и реализовывалась с помощью аналоговой аппаратуры, имевшей название «Резонанс». И на то, чтобы уйти в сторону развития представлений о Земле как совокупности колебательных систем, у меня не было ни сил и возможностей, ни даже понимания этой перспективы.
За все эти годы было много драматических моментов, и некоторые из них я просто обязан рассказать.
Примерно в 1990 году для меня началась эра цифровой техники, и нашлись (в Донецке) энтузиасты, которые сделали для меня первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Я мог бы уже определять добротности породных структур, но вместо этого с помощью АЦП обнаружил непригодность для этого тех сейсмоприемников, которыми пользовался. Вот тогда-то я и узнал, что все существующие в Мире сейсмоприемники не пригодны для спектральных измерений, потому что сами являются колебательными системами.
Вот это был тупик! Не иметь датчика для проведения измерений - это конец всему. Я понял, что есть возможность сделать нужный мне сейсмоприемник, но для этого нужна в качестве чувствительного элемента пьезопленка, поскольку она не является резонатором. В то время уже были сообщения, что японцы создали пьезопленку, но как, живя в СССР, ее раздобыть... В общем, понял я, что нужно подчиниться обстоятельствам и прекратить исследования в этой области. А под занавес решили всей компанией съездить на конференцию по проблемам шахтной геофизики в Грузию, в Телави.
После окончания конференции принимающая сторона организовала банкет, как это умеют делать только в Грузии. Происходило всё в огромном спортзале, столы были накрыты человек на 400. И когда мы (вся наша компания) выпили за то, что на этом заканчиваем сотрудничество, в зал вошел человек и стал искать место для себя. Рядом со мной было свободное место, и я ему показал на него. Это был доцент какого-то свердловского института. Странно было то, что он обратил внимание на мой доклад. На конференциях обычно все участники слышат только себя. Он поинтересовался, как мы мыслим развивать то, что я докладывал. Ну, я и сказал, что вот сейчас напьемся, и поставим жирую точку на всяческом развитии, потому что пьезопленку мы всё равно не достанем. На что он очень удивился, потому что за пьезопленкой он ездил именно в Ленинград, на завод Пластполимер, и дал телефон людей, которые занимаются на этом заводе пленкой...
Меня поразило, что Случай воспользовался второй раз одним и тем же приемом.
А в 1993 году Случай опять обо мне позаботился, и нас, всех участников этой истории «ушли» из ЛГИ. Забота заключалась в том, что оставаясь в ЛГИ, и работая на шахтах, мы не смогли бы увидеть тех эффектов, к открытию которых мы и направились, надо полагать, волей провидения.
Оказавшись на вольных хлебах, мы потеряли доступ в шахты, и у нас просто никакого другого пути не было, кроме как попытаться использовать наши шахтные наработки с дневной поверхности.
Уверенности, что у нас что-то получится, не было. Горные породы на больших глубинах представлены вполне конкретными субстанциями, и границы между породными слоями достаточно конкретны, и подлежат выявлению и исследованию. На малых глубинах - это супеси, суглинки, и никаких закономерностей. Но делать было нечего, и мы выбрали линию профиля вдоль Торфяной дороги (СПб), от Серафимовского кладбища до Богатырского проспекта, и далее, всего 1000м. Сделав этот километровый профиль с шагом 5м, мы обнаружили наряду с вялой слоистостью, характерной для осадочных пород, четыре совершенно непонятных, никогда никем не виданных воронкообразных (V-образных) объекта. Знакомые геологи сделали предположение, что на нашем разрезе таким образом прорисовались зоны тектонических нарушений. Сделав радоновую съемку, они обнаружили, что над каждым таким объектом уровень радона во много раз выше, чем в стороне от него. Это подтвердило сделанное предположение о том, что на разрезах земной толщи, полученных с помощью нашей аппаратуры, мы видим зоны тектонических нарушений (ЗТН).
Метод был назван спектрально-сейсморазведочным профилированием (ССП). И, стало быть, разрез, полученный этим методом - ССП-разрезом.
Интересно вспоминать реакцию на то, что возник новый геофизический метод, который позволяет выявлять зоны тектонических нарушений. Основной довод о ненужности такого метода состоял в том, что тектонику выявляют все существующие геофизические методы. Но вот мы стали привлекать различные геофизические методы, и выяснилось, что ни один из них эти зоны не видит. Тогда и вовсе непонятно: ведь о тектонике написано великое множество книг - так откуда брали информацию, когда писали эти книги? Оказалось, в подавляющем большинстве наука о тектонике основана на неких кажущихся очевидностях...
Не знаю уж, как изучали зоны тектонических нарушений, но если хоть как-то изучали, то как могли тектонисты (а в геологии есть такая специализация) не заметить столь потрясающе интересные, многочисленные и крайне важные для судеб всего населения Земли свойства.
Но сначала позвольте еще один реверанс в сторону Случая. За 18 лет изучения ЗТН мы выявили, пожалуй, тысячи ЗТН. Но такого, чтобы на километровом профиле было четыре четких воронкообразных объекта, как было на самом первом нашем профиле, не бывало. Видимо, было так уж организовано (не знаю кем), чтобы я никак не проморгал этот объект.
Первое свойство ЗТН, которое мы заметили, лежало, что называется, на поверхности. Те дома, которые находились в непосредственной близости от выявленных ЗТН, находились в состоянии хорошо видимого разрушения. Среди остальных домов, мимо которых проходил профиль, не было ни одного, на стенах которого были бы трещины.
С тех пор, основной нашей работой стало изучение и прогнозирование разрушений инженерных сооружений. При этом в ходе профилирования идет постоянная регистрация добротности залегающих в земной толще колебательных систем. Средняя величина добротности равна примерно десяти, но в отдельных случаях она увеличивается до 100 и даже более. И происходит это увеличение в зонах тектонических нарушений. Это означает, что силовая установка (в общем случае, оказывающая вибрационное воздействие на опору), оказавшаяся в ЗТН, имеет наибольшую вероятность резонансного разрушения. Наиболее ярким случаем в последнее время является авария на Саяно-Шушенской ГЭС, где увеличение вибрации непосредственно перед аварией было в 600 раз.
Я хотел бы рассказать еще об одном свойстве ЗТН, которое открывает уж совершенно запредельные глубины (в прямом и в переносном смысле) познания нашей планеты.
В 1997 году совершенно случайно удалось обнаружить, что ЗТН водоносны. Если заглубиться в этой зоне, начнется поступление воды. Внутри этого свойства есть два момента. Это интенсивность поступления воды и ее состав.
По составу вода, получаемая в ЗТН, идентична составу воды в близлежащем к этой точке роднике. Несмотря на то, что воду в ЗТН мы можем брать на глубине десятков и сотен метров, а родник дает воду прямо на поверхности земли, состав воды в обоих этих случаях оказался одинаковым.
По характеру водопритока, вода в ЗТН - напорная. Бывает, что добурившись до воды, мы получаем фонтан высотой в несколько метров. Бывает, что зеркало воды колодца стоит выше уровня поверхности земли. Причем как фонтан не иссякает, так и зеркало колодца не опускается. Как следует из гидрогеологии, вода поступает в землю из осадков и находится в земле под гидростатическим давлением. Но в таком случае, вода не могла бы подняться выше уровня земли.
Далее. Вода в ЗТН поднимается с каких-то очень больших глубин. Об этом свидетельствует тот факт, что если подземная, шахтная выработка пересекает ЗТН, начинается мощное поступление в эту выработку воды, вплоть до затопления шахты. Это явление возникает на любой достижимой глубине. Даже на глубине 4км, которой достигли в ЮАР. Значит, и родниковая вода поднимается с больших глубин?..
Но насколько, всё-таки, велика глубина, с которой поднимается вода в ЗТН? И смежные вопросы: какой глубины достигают сами тектонические нарушения, эти проницаемые для жидкостей и газов каналы, образованные разрушенными породами? И что же это за гигантские емкости, которые являются источником воды в ЗТН? И почему давление в этих емкостях превышает гидростатическое? И вообще, как она туда попадает, эта вода?
На некоторые из этих вопросов удалось ответить. Ответы возникли в результате общения с физиком из Германии, проживающим в Аахене, Ильей Бейлиным. Как оказалось в результате исследования вулканологов, в том материале, что извергают вулканы, содержится до 90% водяного пара. Согласно гипотезе известного геолога Ларина В.Н., автора книги «Наша Земля», вода, выходящая через кратер вулкана, изготавливается в центре Земли путем окисления водорода - этой праматерии всех планет.
Получается, что источник воды, получаемой в ЗТН, тот же самый, что и для той воды, которая извергается вулканами. Она не содержится в каких-то емкостях, а изготавливается, синтезируется в центре Земли, и находится под повышенным давлением. И не только вода, но и все субстанции, которые выходят из земли в ЗТН, получается, синтезируются в центре Земли.
То есть, ЗТН - это каналы между поверхностью Земли и ее центром. Это как бы лабораторные установки, такие микровулканы для изучения вулканических явлений и общепланетарных процессов.
Крайне интересное занятие - проверять справедливость законов методологии развития научного познания. Один из них гласит, что новый физический эффект непременно становится основой нового исследовательского метода, который даёт принципиально новую информацию. А что есть новая информация? Это опять же новый физический эффект или новое, неизвестное ранее свойство. Но обнаружение нового физического эффекта приводит к создания новых исследовательских методов... и так до бесконечности.
Вот этот снежный ком и возник, инициированный физическим эффектом, обнаруженным в 1977 году. Давно уже не считаю количество обнаруженных мною новых физических эффектов. Всё, что я описал в этой работе, ограничено тем, что может быть воспринято людьми, знакомство которых с физикой ограничено школьным курсом. Те эффекты, для понимания которых школьного курса мало, я не стал описывать.
Как правило, ответы на возникающие новые вопросы удается получить, когда не ставишь такой задачи. Часто бывает, что сдаешься и появляется уверенность, что на понимание этого явления оставшейся жизни уже не хватит. И вдруг, внезапно, ... как бы само возникает понимание.
Много существует определений науки как понятия. Мне ближе всего точка зрения Менделеева, который считал, что наука - это поиск истины. Но по этому алгоритму работает ничтожно малое количество людей, считающих себя учеными. И вот когда ученый занимается поиском истины, то это всегда детектив с роковым исходом, потому что при этом обязательно идет борьба не на жизнь, а на смерть с уже существующими научными направлениями. У сторонников подхода Менделеева сил всегда меньше. Любая истина безусловно победит, но обычно, за очень малым исключением, это происходит, когда нашедшего её уже нет на Свете.
Познание бесконечно. Каждый шаг вперед порождает множество новых вопросов, и иногда кажется, что при этом растет уровень непонимания. Это и есть третий, высший этап познания. Когда кажется, что вроде бы что-то начинаешь понимать.
Пока существует наша цивилизация, развитие и расширение познания так же неизбежно, как расширение вселенной. Как бы ни казался малозначимым исследуемый объект, исследование его неизбежно выводит на глобальный уровень. И если приложить при этом все силы ума, то Его Величество Случай непременно поможет.
