Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

История магнетизма, как и электричества, началась в далекой древности. Еще более двух тысяч лет назад греки, индусы и китайцы знали, что некоторые камни – со временем их назвали магнитным железняком – притягивают мелкие кусочки железа (практически так же, как древние греки установили, что натертый янтарь притягивает кусочки листьев). Сейчас мы называем это вещество магнетитом; это естественный магнитный минерал, по сути, самый магнитный материал природного происхождения на планете. Магнетит представляет собой комбинацию железа и кислорода (Fe3O4) и, соответственно, известен также как окись железа.

Но, кроме магнетита, есть много других видов магнитов. Железо сыграло в истории магнетизма такую значимую роль и по-прежнему остается настолько важным компонентом многих чувствительных к магнитному полю материалов, что те материалы, которые сильнее всего притягиваются к магнитам, назвали ферромагнитными («ферро» – приставка, указывающая на присутствие железа). Это, как правило, металлы или их соединения: само железо, конечно, а также кобальт, никель и диоксид хрома (раньше его активно использовали в магнитных пленках). Некоторые из них при помещении в магнитное поле намагничиваются, оставаясь такими и впоследствии. Другие, называемые парамагнитными, находясь в таком поле, намагничиваются слабо и размагничиваются, когда магнитное поле исчезает. К ним относятся алюминий, вольфрам, магний и – хотите верьте, хотите нет – кислород. А так называемые диамагнитные материалы при наличии магнитного поля создают довольно слабые противоположные магнитные поля. Эта категория включает в себя висмут, медь, золото, ртуть, водород и поваренную соль, а также древесину, пластмассы, спирт, воздух и воду. (То, что одни материалы ферромагнитные, другие парамагнитные, а третьи диамагнитные, зависит от того, как именно электроны распределяются вокруг ядра, но это слишком сложная тема, чтобы детально обсуждать ее в этой книге.)

Существуют даже жидкие магниты, которые скорее являются не ферромагнитными жидкостями, а растворами ферромагнитных веществ, красиво и ярко реагирующими на магниты. Вы можете довольно легко изготовить один из жидких магнитов самостоятельно, следуя набору подробных инструкций по адресу: http://chemistry.about.com/od/demonstrationsexperiments/ss/liquidmagnet.htm. Если налить такой довольно тягучий раствор на кусок стекла и положить под него магнит, результат будет весьма любопытным – намного интереснее, чем те железные опилки, которые банально выстраиваются вдоль линии магнитного поля. Этот «фокус» вам наверняка показывали в школе.

В XI веке китайцы намагничивали иглы, прикладывая их к магнетиту, а затем подвешивали их на шелковой нити. Намагниченные иглы выравнивались в направлении север-юг, то есть вдоль силовых линий магнитного поля Земли; по сути, это был компас. Уже в следующем столетии компасы использовались для навигации и в Китае, и на Ла-Манше. Первые компасы состояли из намагниченной иглы, плавающей в миске с водой. Гениально, не так ли? Куда бы ни поворачивала лодка или корабль, миска поворачивалась вместе с ним, но игла неизменно указывала одним концом на север, а другим на юг.

Но природа еще более гениальна и изобретательна, чем человек. Сегодня нам известно, что в телах мигрирующих птиц имеются крошечные кусочки магнетита, которые они, по-видимому, используют в качестве внутренних компасов, помогающих им не отклоняться от маршрута миграции. Ряд биологов даже считают, что магнитное поле Земли стимулирует оптические центры некоторых птиц и других животных, например саламандр, то есть в определенном смысле эти животные способны «видеть» магнитное поле Земли. Ну разве не круто?

В 1600 году замечательный врач и ученый Уильям Гильберт – не обычный простой доктор, а врач самой королевы Елизаветы I – опубликовал книгу De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure («О магнитах и магнитных телах и земном магнетизме»), в которой утверждал, что сама Земля является магнитом, о чем свидетельствуют его эксперименты с терреллой, сферой из магнетита, моделью Земли. Эта сфера была чуть больше грейпфрута, а маленькие компасы, прикрепленные к ней, вели себя точно так же, как если бы находились на поверхности Земли. Гильберт утверждал, что компасы указывают на север, потому что Земля – это магнит, а не потому, что, как думали некоторые, на Северном и Южном полюсах находятся магнитные острова, поскольку в этом случае компасы указывали бы в сторону Полярной звезды.

Гильберт был совершенно прав, утверждая, что у Земли есть магнитное поле. Более того, у нее имеются даже магнитные полюса (точно такие же, как у магнитиков на наших холодильниках), которые не вполне совпадают с географическими Северным и Южным полюсами. И это еще не все – эти магнитные полюса еще и немного «блуждают», каждый год километров на пятнадцать или около того. Так что в некотором смысле Земля действительно ведет себя как обычный стержневой магнит – простой прямоугольный намагниченный кусок металла, продающийся в любом магазине «Сделай сам». Однако в других отношениях она совершенно иная. Ученым потребовалось очень много времени даже для того, чтобы предложить жизнеспособную теорию, объясняющую, почему у Земли есть магнитное поле. Дело в том, что хотя в ядре Земли много железа, его наличия недостаточно, поскольку выше определенной температуры (мы называем ее температурой Кюри) тела теряют свои ферромагнитные свойства, и железо не исключение; его температура Кюри составляет около 770 °C, а, как нам известно, ядро Земли значительно горячее!

Имеющаяся теория довольно сложная и связана с электрическими токами, циркулирующими в ядре Земли, и с тем фактом, что Земля вращается, – физики называют это динамо-эффектом. (Кстати, астрофизики используют теорию динамо-эффектов для объяснения магнитных полей в звездах, в том числе в нашем Солнце, магнитное поле которого полностью переворачивается в обратную сторону каждые одиннадцать лет.) Вам это может показаться удивительным, но ученые до сих пор работают над созданием полной математической модели Земли и ее магнитного поля; вот насколько она трудна. Их задача усложняется еще и тем, что сегодня есть четкие геологические доказательства того, что магнитное поле Земли за тысячелетия серьезно изменилось: полюсы сдвинулись намного сильнее, чем за время их ежегодной прогулки, и, судя по всему, магнитное поле тоже переворачивалось в противоположную сторону – более 150 раз только за последние 70 миллионов лет. Невероятно, правда?!

В наши дни благодаря спутникам (например, первому спутнику Дании, названному в честь физика Ганса Эрстеда), оборудованным чувствительными магнитометрами, мы смогли составить довольно точную карту магнитного поля Земли. Нам, например, известно, что оно уходит в космическое пространство более чем на миллион километров. Мы также знаем, что ближе к Земле оно создает одно из самых красивых природных явлений в нашей атмосфере.

Солнце, как вы помните, испускает огромный поток заряженных частиц, состоящий в основном из протонов и электронов и известный как солнечный ветер. Магнитное поле Земли направляет часть этих частиц вниз в нашу атмосферу на магнитных полюсах. Когда эти частицы, движущиеся со средней скоростью около 400 километров в секунду, сталкиваются с атмосферным кислородом и молекулами азота, часть их кинетической энергии (энергия движения) преобразуется в электромагнитную энергию в форме света – кислород высвобождает зеленый или красный, а азот – синий или красный. Вы, наверное, уже догадались, к чему я веду. Правильно – это то, что создает впечатляющее световое шоу, известное как полярное сияние; северное сияние в Северном полушарии и южное сияние в Южном. А почему мы видим это шоу только на крайнем севере или юге? Потому что солнечный ветер преимущественно проникает в атмосферу Земли вблизи магнитных полюсов, где магнитное поле самое сильное. А причина, по которой полярные сияния в одни ночи сильнее, чем в другие, заключается в том, что при каждой солнечной вспышке высвобождается больше частиц, они и создают это световое шоу. При огромных солнечных вспышках такие эффекты могут быть очень мощными, приводя к геомагнитным бурям и создавая сияния далеко за пределами обычных зон, а иногда и препятствуя передаче радиосигналов, работе компьютеров и спутников и даже вызывая перебои в снабжении электроэнергией.

Если вы не живете рядом с Северным (арктическим) или Южным (антарктическим) полярным кругом, то вряд ли часто видите такое сияние. Поэтому, если вам доведется лететь вечерним рейсом в Европу из северо-восточной части США (а большинство этих рейсов вечерние), постарайтесь купить билет на место в левой части самолета. На высоте около одиннадцати километров в атмосфере вы получите отличный шанс увидеть из иллюминатора северное сияние, особенно если Солнце накануне было чрезвычайно активным, информацию о чем всегда можно найти в интернете. Я видел это атмосферное явление много раз именно таким образом, потому что всегда стараюсь сидеть в самолете слева. Я считаю, что кино можно посмотреть и дома. А в самолете предпочитаю любоваться северным сиянием в ночное время суток и глориями в дневное.