Ученые НИТУ «МИСиС» доказали несостоятельность классической теории строения Земли

Ученые Национального исследовательского технологического института «МИСиС» и их коллеги из École Polytechnique (Париж, Франция) выявили серьезную ошибку в вычислениях коллег из США. Это полностью опровергает классическую теорию геомагнетизма и образования магнитного поля Земли. 15 апреля 2016 года журнал Nature отозвал ранее размещенную статью. Ссылаясь на ученых из России и Франции, американцы признали ошибки в расчетах.

В январе 2015 года материаловеды из США Рональд Коэн и Пэн Чжан из института Карнеги (Вашингтон)  и Кристиан Хауле  из университета Рутгерса (Нью-Джерси)  опубликовали в журнале Nature статью «Effects of electron correlations on transport properties of iron at Earth’s core conditions» («Влияние электронных корреляций на свойства железа в земном ядре»). В своем исследовании американские ученые доказывали, что новая теория образования магнитного поля планеты, принятая после 2012 года, несостоятельна. Их расчеты, обоснованные компьютерным моделированием, подтверждали классическую теорию образования магнитного поля Земли.

Результаты их вычислений доказывали, что теплопроводность земного ядра не столь высока, как следовало из первых теоретических расчетов этой характеристики в 2012 году. Это вызвало большой резонанс, как в научных кругах, так и в общественных и научно-популярных СМИ.

В своей работе исследователи применили новый метод вычислительной физики –динамическую теорию среднего поля (ДТСП) – и подтвердили, что именно тепловая конвенция, существующая в ядре Земли, служит источником магнитных полей нашей планеты. Это означало, что предыдущие расчеты с использованием, так называемой, теории функционала плотности (ТФП), и показывающие, что тепловая конвенция не может генерировать магнитное поле Земли, – не состоятельны.

После публикации статьи Коэна, Чжана и Хауле традиционная теория тепловой конвенции вновь была принята за основу для объяснения процессов формирования магнитного поля Земли. Однако уже в конце 2015 года группа ученых из НИТУ «МИСиС», Линчёпингского университета в Швеции, Института Йозефа Стефана в Словении и École Polytechnique под руководством профессора Игоря Абрикосова обнаружила ошибку в вычислениях американских ученых, что снова привело к отказу от классической теории.

В результате американские исследователи согласились с аргументами российских и французских коллег, и отозвали свою статью из журнала Nature. Отзыв статьи и публикация опровержения в ведущем научном журнале мира – явление неординарное, а для исследований в области физики это произошло впервые.

Изучение поведения материалов, в частности железа, в  экстремальных условиях сверхвысоких давлений и температур – одна из областей работы научной группы профессора Абрикосова. Расчеты, проведенные этой группой на таком высоком уровне, в научном мире могут совершить лишь несколько научных коллективов, занимающихся динамической теорией среднего поля.

Профессор Игорь Абрикосов, руководитель научной группы

«Наша научная группа давно занимается динамической теорией среднего поля (ДТСП), с одним из ее авторов – профессором Антуаном Джорджем – мы активно сотрудничаем. И наши предварительные результаты использования ДТСП качественно отличались от тех, которые опубликовали Коэн, Чжан и Хауле. Они утверждали, что при условиях земного ядра поведение железа отклоняется от теории Ферми-жидкости Ландау, мы же в своих исследованиях видели практически идеальное соответствие этой теории. Это побудило нас проверить и главный вывод работы о сравнительно низкой теплопроводности железа. Задача была очень сложной, но мы смогли провести уникальные расчеты, используя наш супер-компьютерный кластер Cherry в НИТУ «МИСиС».

Результат оказался для нас очень неожиданным: несмотря на то, что мы использовали совершенно тот же метод, что и Коэн, Чжан и Хауле, наш ответ в несколько раз отличался от опубликованного в Nature. В итоге все стороны признали, что к сенсационному результату ученых привела численная ошибка в расчетах».

Теория Рональда Коэна, Пэна Чжана и Кристиан Хауле получила широкое распространение в научных кругах, нашла своих последователей и продолжателей, которые в новых работах уже напрямую ссылаются на ее данные. Однако теперь ученым придется вновь вернуться к расчетам 2012 года, показывающим, что тепловая конвенция не может генерировать магнитное поле Земли. И дискуссия о термической истории планеты возобновлена.

«Лаборатория моделирования и разработки новых материалов была создана в нашем университете в 2014 году, - говорит ректор НИТУ "МИСиС" Алевтина Черникова. - Команда исследователей под руководством ученого с мировым именем, доктора физико-математических наук, профессора Игоря Анатольевича Абрикосова достигла впечатляющих результатов. Используя возможности суперкомпьютера НИТУ "МИСиС", научный коллектив профессора Абрикосова сокращает период разработки востребованных решений в области материаловедения».

Краткая справка о теориях магнитного поля Земли

На сегодняшний день не существует окончательной и общепризнанной теоретической концепции геомагнетизма. Существовавшая до 2012 года и считающаяся классической теория, утверждающая, что источником существования геомагнитного поля Земли является ядро планеты, не была подтверждена никакими расчетами.

В 2012 году британскому профессору Дарио Альфе и его команде впервые удалось подсчитать теплопроводность Земли с использованием теории функционала плотности (ТФП). Их результаты показали, что тепловая конвенция, существующая в ядре Земли, не может служить источником магнитных полей нашей планеты, как предполагалось ранее. Исходя из новых данных, внутреннее ядро Земли начало формироваться всего лишь около 1 млрд лет назад, а не 3,4 млрд, о чем свидетельствовали полученные ранее результаты исследований магнитных минералов в древних породах.

Авторам ТФП в 1998 году была присуждена Нобелевская премия.

В 2015 году американские ученые Рональд Коэн, Пэн Чжан и Кристиан Хауле, используя в своих расчетах более новую и более точную теорию (по сравнению с ТФП) – динамическую теорию среднего поля (ДТСП) провели новые расчеты, которые подтверждали верность классической теории.

Однако в 2015 группа профессора Игоря Абрикосова нашла численную ошибку в расчетах Рональда Коэна и Пэна Чжана, которая отменяет полученный ими сенсационный результат. Их статья была отозвана из журнала Nature, а авторами опубликовано опровержение.