Страница:
Магнитное притяжение. XX век
Что мы понимаем под магнетизмом в наши дни? Прежде всего — это совокупность явлений, обусловленных магнитным воздействием, которое передается и осуществляется с помощью магнитного поля.
Честно говоря, я бы не стал утверждать категорически, что приведенная выше формулировка дает полную ясность человеку, ну скажем… чисто гуманитарного образования. Что такое — магнитное поле? И вообще, в чем заключается механизм взаимодействия? Помните: земля притягивает подброшенный камень, магнит притягивает железо, электрон-янтарь притягивает сор.
Mы часто употребляем слова, не очень задумываюсь над их внутренним смыслом. Возьмем хотя бы слово «взаимодействие». Два сотрудника заняты одним делом — они взаимодействуют. Два собеседника беседуют. И это — взаимодействие. На спортивной площадке две команды играют в волейбол: игроки одной команды, взаимодействуя друг с другом, не дают упасть мячу на землю.
Не значит ли это, что взаимодействие — совместное действие отдельных частей, объединенных этим взаимодействием в систему? А почему бы и нет? Прекратился разговор, вы разошлись, распалась система из двух собеседников. Закончилась игра в мяч — нет. больше команд, нет игровой системы.
Всякое действие предполагает обмен силами. А что является переносчиком этих сил? В разговоре — слова. В игре — мяч. А в окружающей природе?
Пожалуй, самым первым видом взаимодействия, на которое обратил внимание человек, было взаимодействие тяготеющих масс — гравитация, или тяготение. Ведь это оно обеспечивает всем предметам на Земле их вес, а подброшенному камню — возвращение к поверхности. Оно же определит движение спутников вокруг планет, планет — вокруг звезд, а потом и самих звезд и даже галактик…
Следующим по старшинству шло электромагнитное взаимодействие. Электромагнитные силы по своему действию оказались похожими на гравитационные. Они также проявляются на большие расстояния и ослабевают постепенно, обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Изучая их проявление, ученые создали стройную теорию электромагнитного поля, во многом похожую на классическую механику. И вопрос о том, что же является переносчиком сил, ученых сначала особенно не беспокоил.
Но в начале XX века возникла квантовая теория Макса Планка и теория фотоэффекта, предложенная Альбертом Эйнштейном, и они заставили физиков посмотреть — на явления под иным углом зрения. Оказалось, что для электромагнитных сил переносчиками являются фотоны, световые частицы, — или кванты.
Представьте себя с приятелем в паре. Условие вашего совместного существования — взаимодействия — постоянный обмен мячом, как в баскетболе — задерживать его у себя нельзя, но и бросить на произвол судьбы вы не имеете права. Чем мяч легче и меньше, тем дальше вы можете отойти, друг от друга, перебрасываясь им, тем больше у вас свободы. А если, это не мяч, а чугунное ядро от старинной пушки?
А, теперь, разделим, электромагнитное взаимодействие, на два — электрическое и магнитное. При электрическом носителями сил являются элементарные, маленькие, заряды-электроны. А при магнитном взаимодействии?
Давайте подойдем к вопросу с другой стороны. Сегодня мы знаем, что все вещества в той или иной степени обладают магнитными свойствами. Одна меньше, другие больше. Магнитные поля существуют у многих космических тел и играют важную роль в фундаментальных, астрофизических и космогонических явлениях. Магнитные моменты есть и у электронов, протонов и нейтронов, из которых построены атомы. Но как же они взаимодействуют, чем обмениваются?
Магнитные свойства многих, веществ мы знаем и с успехом применяем в электро — и радиотехнике, в автоматике и вычислительной технике, в телемеханике, в морской и космической, навигации, в геофизических методах разведки полезных ископаемых, наконец, для контроля качества металлических изделий, но… как же все-таки притягивает один постоянный магнит другой? Как взаимодействуют их магнитные поля?
В 1931 году замечательный английский, физик Поль Адриен Морис Дирак опубликовал статью, в котой наряду с фундаментальным квантом электричества — электроном, обладающим единичным, электрическим зарядом, ввел и фундаментальный квант магнетизма — частицу, обладающую, единичным магнитным зарядом, магнитный полюс. Он тут же получил название монополя. Дирака, или просто — монополя.
С электричеством, все было в порядке. Электрон был открыт еще в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Развитие теории электрона, способствовало созданию теории относительности. Из нее выросла физика XX века — квантовая теория взаимодействия.
А зачем нам магнитный монополь? Неужели только для того, чтобы наглядно понять магнитное взаимодействие? Конечно, нет! Мы бы сконструировали из них источники невиданных энергий, создали бы микрогенераторы и микродвигатели, построили бы ускорители в сто раз более мощные, чем существующие сегодня, для разгона заряженных частиц. Мы бы осчастливили медиков и биологов, мы бы… Да что там говорить! Разве мог кто-нибудь в 1897 году сказать, к чему приведет открытие крошечного электрона! Так и сегодня — трудно даже перечислить, что могло бы дать нам получение магнитного монополя!
Первый эксперимент был поставлен в том же году, когда вышла статья Дирака. Ученые пытались найти монополь опытным путем. Однако их постигла неудача. Следующая попытка была совершена в начале сороковых годов. Снова неудача! 1951 год — тот же нулевой результат при поиске монополей в потоках космических лучей. Затем исследовали метеориты. Опять ничего! Начиная с 1959 года — поиски на самых мощных ускорителях мира, в глубинах Тихого океана…
Нет, нет и нет!
В 1975 году, — во второй половине августа, почти все газеты и многие журналы мира опубликовали сообщение о том, что группа американских физиков под руководством Прайса нашла следы неизвестной частицы, которая, может быть, могла бы претендовать на роль магнитного монополя… Большинство ученых отнеслось к этому сообщению скептически. А поскольку результат эксперимента не повторился, то открытия магнитного монополя пока, увы, не состоялось.
Существует мнение, что монополи слишком тяжелы, чтобы их можно было бы открыть на современном ускорителе. Теоретики предполагают, что значение массы монополя может быть более трех тысяч масс протона. А на такие частицы нашим земным ускорителям еще долго не будет хватать энергии.
А может быть, никаких магнитных монополей в природе не существует? Но тогда непонятной становится причина, почему их нет. В чём заключается принцип запрета на их существование?
Вот вам и простой древний магнит! Он еще далеко, не раскрыл своих тайн человеку. И кто знает, когда это произойдет…
Глава 3
Кто изобрел компас — неизвестно. Разные народы приписывают себе эту честь. Говорили, что в древние времена у китайцев уже существовали повозки, снабженные «указателем юга», прибором, который не давал заблудиться странникам. Может быть, это и были первые компасы?
В Европе этот прибор появился в XII веке. Во всяком случае, о нем есть упоминания в хрониках, относящихся примерно к этому времени. Но знали тогда о свойствах магнита мало. И применяли компасы редко. Ориентировались в основном ло солнцу или ночью по Полярной звезде (если иметь в виду мореплавателей нашего Северного полушария). Было это не слишком удобно. Во-первых, требовалась ясная погода, во-вторых — неподвижная палуба. Впрочем, и нужда пока была невелика. Эпоха Великих путешествий еще не наступила.
Все переменилось, когда наступил XV век. На корабле Колумба компас уже был. Матросы и офицеры верили ему безусловно. И именно по его указаниям Адмирал Моря-Океана направлял небольшую эскадру на запад.
Но как только из виду скрылись берега последнего из известных в то время островов, обстановка на судах Колумба стала накаляться. Матросы, набранные из портовых тюрем насильно, и их более профессиональные коллеги волновались, а сказать попросту — трусили. Это не должно нас с вами удивлять. Ведь на то, чтобы отправиться в XV веке в неизвестное «Море Мрака», именно так назывался Атлантический океан, требовалось мужества наверняка не меньше, чем для полета на космическом корабле на Луну, Там и техника обладала меньшей надежностью, и жизнь была не так комфортна, как на борту пилотируемых космических кораблей. Да и знаем мы о нашем естественном спутнике куда больше, чем знали во времена Колумба о Мировом океане. Зато рассказов о всяких ужасах и о поджидающих там чудовищах было предостаточно. Сегодня, отправляясь в заатмосферный полет, космонавты ни на минуту не теряют связи с Землей. Нужно ли говорить, что во времена Колумба радио не существовало. Единственная отрада, единственная вещь, обещающая возможность возвратиться, — был компас. Немудрено, что, когда адмирал подходил к рулевому и взглядывал на стрелку, плавающую в котелке на куске пробки, за ним следила не одна пара глаз…
Через несколько дней плавания Колумб почувствовал что-то неладное. Моряки давно знали о том, что стрелка в принципе указывает не совсем точно на север. Угол ошибки (склонение), был постоянен при каботажных плаваниях, всем известен и на него спокойно вводили поправку, сверяя показания компаса с точным направлением на путеводную Полярную звезду. Но стал Великий Адмирал примечать, что угол склонения почему-то постепенно уменьшается. Вот уже стрелка точно направилась на Полярную звезду и даже собирается перейти на другую сторону… Это катастрофа! Матросы зароптали, требуя немедленно повернуть обратно. Назревал бунт.
И тогда во время ночной вахты Колумб тайком от всех повернул шкалу компаса — картушку так, чтобы вернуть привычное склонение, а угол преднамеренной ошибки записал шифром в журнал.
Наутро он вызвал на флагман, преданных ему офицеров, зарядил пистолеты и вышел со свитой на бак, где объявил команде, что в этой части моря Полярная звезда кажется смещенной со своего обычного места, а компас, конечно, показывает правильное направление. После посещения Индии, куда сейчас плывут они разбогатеют и по верному компасу счастливо возвратятся в родную Кастилию.
И что вы думаете? Матросы поверили своему адмиралу. Другой надежды у них не было. Кроме того, очень уж внушительно выглядели пистолеты за поясом у Колумба. А весь экипаж знал, что он отлично стрелял. Да и поверить в то, что звезда сошла со своего места, было куда легче, чем разувериться, в компасе. Так Колумб, открыл сначала магнитное склонение, а уж потом — Америку.
Мы с вами со школьных лет знаем, что географические и магнитные полюса Земли не совпадают. В Северном полушарии расстояние между ними — больше полутора тысяч километров, И находится Северный магнитный полюс где-то в океане, между Гренландией и Северо-Американским материком.
Интересно, что Гильберт, который ввел само понятие магнитного полюса Земли, считал его точно совпадающим с географическим.. А склонение приписывал тому обстоятельству, что океаны окружены материками, в состав которых входят магнитные породы разной намагниченности. При этом лейб-врач английской королевы не очень-то и ошибался, придавая природным магнитным материалам такое большое значение. Они действительна создают локальные аномалии магнитного поля, причем часто значительные. Например, в некоторых местах Курской магнитной аномалии угол магнитного склонения меняется от плюс 180° до минус 180°. И величина магнитного поля намного превосходит обычную.
Однако еще неожиданнее звучит сравнительно недавнее открытие геофизиков: оказалось, что магнитные полюса нашей планеты — довольно непоседливые точки на ее поверхности. Например, 570 миллионов лет тому назад магнитный полюс Северного полушария находился почти на экваторе. А если углубиться еще дальше, в геологическую историю Земли, то можно отыскать периоды, когда оба магнитных полюса вообще менялись местами. Именно в связи с подвижностью полюсов точные магнитные карты в наше время приходится обновлять каждые пять — десять лет.
Надо сказать, что упрямое стремление намагниченной стрелки занимать всегда одно и то же положение в прошлом производило впечатление на всех несведущих людей. На Востоке при помощи намагниченного куска железа было распространено гадание. Впрочем, не менее популярно оно и сейчас.
Несколько лет назад с группой коллег-литераторов мне довелось побывать в Японии. Это была интересная поездка, заполненная незабываемыми встречами с деятелями культуры и науки, знакомством с техническими и научными достижениями японцев. Но мне бы хотелось рассказать лишь об одном, в общем-то незначительном, эпизоде, имеющем, как мне кажется, прямое отношение к теме книги.
Вечерами, когда в 14-миллионном Токио солнце скрывается за крышами небоскребов, а на зданиях офисов и универмагов загораются первые рекламы, лихорадочный ритм жизни столицы спадает. Некоторое время мимо вас по тротуару еще проносятся запоздалые служащие. Но уже все чаще возле подземных переходов можно видеть пожилых японцев, сменивших европейские костюмы на темные кимоно, а жаркие ботинки — на свободные гета. Они уже — не спешат… Вот встретились двое знакомых: согнувшись под прямым углом, долго обмениваются любезностями среди обтекающей их толпы. Никто не возмущается, это ведь так понятно: вечером на Гинзе встретились люди, давно не видевшие друг друга. Они желают один другому счастья…
К десяти толпа на широких, тротуарах сильно редеет, и сквозь нее становятся видны у стен сгорбленные фигуры за крохотными столиками, освещенными переносными лампочками от карманных фонариков. Это гадальщики — астрологи и хироманты, непременный атрибут японских городов, да и не только японских. Сообщите им дату своего рождения, протяните ладонь, и за 500 иен они вам расскажут все, что было, что будет и чем сердце успокоится[5].
Когда-то, работая над книгой по истории астрономии, я занимался различными гороскопами, так то должно быть понятно мое любопытство, при встрече с этими символами на улицах современного города. А не изменился ли восточный зодиак с тех далеких времен? И как по нему гадают сегодня?
К сожалению, по-японски я знал только одно слово «аригато»спасибо", а мой школьный английский оставлял желать лучшего, Правда, я говорил немного по-немецки. В один из вечеров, я наткнулся на гадальщика-астролога, вполне прилично изъясняющегося на немецком языке. «Позолотив ручку», я сел за легкий столик возле нагретой дневным солнцем стены какого-то универмага.
Он был очень серьезен, этот пророк в белых мятых джинсах и такой же мятой рубашке, в больших очках и с неожиданно юной физиономией. Он внимательно, выслушал и записал на бумажке год, месяц и число моего появления на свет. Раскрыл папку, в которой лежали таблицы. Достал микрокалькулятор и углубился в расчеты. Потом на свет появилась дощечка из металлизированной пластмассы с начертанными на ней линиями, клетками и знаками восточного зодиака. Следом за дощечкой предсказатель извлек из сумки маленький ковшик, выточенный из черного камня. Он поставил на дощечку ковшик, и тот сразу, как живой, повернулся на круглом своем донце в определенную сторону. «Э! — подумал я. — Да это ведь старый знакомый, магнит…» Я вынул из кармана ключ и приложил, по очереди к ковшику и к доске. Тот и другой предмет притягивали. Мой астролог улыбнулся. Наверное, подумал, что недоверчивый иностранец хочет проверить качество его «оккультной техники».
Затем он честно исписал два тоненьких листка какими-то расчетами и иероглифами, прежде чем поднял на меня глаза и стал прорицать…
Электрическая лампочка над складным столом и гороскоп за 500 иен. Микрокалькулятор и магнитный ковшик тысячелетней давности на службе оккультного бизнеса. И бессмысленные предсказания, для того чтобы заработать деньги для продолжения учебы — астролог оказался студентом.
В поисках выхода из замкнутого круга социальных противоречий люди капиталистического мира бегут в потусторонний мир «просвещенного богомыслия», пытаясь поставить на службу ему не только наукообразные толкования, но и природные феномены вкупе с современной техникой.
В чем же причина магнетизма нашей планеты? Этот вопрос с давних пор не давал покоя ученым. И каждый раз, когда знания о внутреннем строении Земли пополнялись новыми открытиями, предположениями и гипотезами, их тут же примеряли к решению «геомагнитной загадки». Когда геофизики остановились на предположении, что земное ядро все-таки состоит из тяжелых металлов или окислов металлов, находящихся в жидком состоянии, снова воскресла гипотеза: не намагничивается ли земной шар электрическими токами, которые текут в его жидком металлическом ядре? Американский физик Эльзассер считал, что природа «устроила» идеальные условия для возникновения электродвижущей силы в земном ядре. Температура там в зависимости от глубины может быть разной. Различны могут быть и контакты между металлами. Вот вам и причина для возникновения термотоков, которые возникают именно при контактах разнородных металлов, находящихся при различных температурах. В конце концов, струи расплавленного металла и токи в них должны создать могучие потоки, охватывающие земную ось, и породить мощное магнитное поле. Но как раз на этом этапе рассуждения в стройную гипотезу вмешались скептики. Они предлагали подтвердить выводы расчетами. Для этого следовало в точности знать движение жидкой оболочки ядра, его состав и сопротивление. В общем, гипотеза Эльзассера носила лишь качественный характер, не поддаваясь никаким расчетам. Правда, зря она не пропала. Новый подход к решению проблемы предложил советский физик Я.И. Френкель, К тому времени почти все геофизики соглашались с тем, что внешняя оболочка ядра, так же как и само ядро, обладает отличной электропроводимостью. Поэтому движение жидкости внешнего слоя и не совпадающее с ним вращение внутренней части ядра должны напоминать движение проводника в магнитном поле, как это происходит в обыкновенной динамо-машине.
В чем же принцип работы электрического генератора? Прежде всего любой генератор состоит из двух главных частей — неподвижного статора и подвижного ротора. Магниты статора создают начальное магнитное поле. Когда витки провода, намотанного на ротор, пересекают силовые линии магнитного поля, в проводе появляется небольшой электрический ток. Он создает свое магнитное поле, которое усиливает поле статора. А усилившееся поле в свою очередь увеличивает ток ротора. С каждым оборотом, как лавина, скатывающаяся с горы, магнитное поле генератора нарастает, пока не достигнет своего заданного и заранее рассчитанного инженерами значения. С этого момента генератор включается в нормальный режим.
А не так ли работает и ядро Земли? Ведь слабое изначальное магнитное поле наша планета может себе создать хотя бы за счет вращения. А дальше это поле уже усиливается по принципу динамо-машины.
Это предположение получило название «динамотеории» и в дальнейшем разрабатывалось и уточнялось многими исследователями. Сегодня, пожалуй, можно сказать, что"динамотеория"не единственно возможная гипотеза, но по уровню современных знаний о внутреннем строении Земли она вполне удачна.
В наши дни геомагнитные исследования приобрели новый размах. За последние десять — пятнадцать лет ученые накопили столько сведений, сколько не могли собрать за все прошедшее время. И есть основания надеяться, что ответ па вопрос: «Почему Земля магнит?» — теперь уже не за горами.
Самолет прилетел в девятом часу. Середина октября, а здесь, вблизи от Ледовитого океана, минус 30°. Скользя по непривычному еще для нас снегу аэродрома, в Ленинграде было плюс 17°, мы подошли к краю летного поля, где нас ждал заместитель директора «Куларзолото», старожил Заполярья с неожиданно знойными именем и фамилией — Вреж Хачикович Аветесян. Да, да, все именно так: выпускник горного института, он приехал в Заполярье с юга. Думал, ненадолго, да вот остался. Север так просто не отпускает.
Мы подошли в «уазику», влезли в теплый от работающей печки салон, наполненный шорохом, и треском бесконечных разрядов от включенной рации. Напрасно Аветесян надрывался, выкрикивая какие-то поручения. Чтобы посочувствовать, я предположил:
— Техника барахлит?
— Нет, с техникой порядок. Природа барахлит. Магнитная буря. Когда сполохи играют, беда со связью.
Я ахнул:
— Какое сияние, где? Никогда в жизни не видел полярного сияния, о котором столько слышал, столько читал…
— Да вон оно висит, — махнул рукой Аветесян.
И тогда я тоже увидел. Сначала сквозь лобовое стекло. Потом попросил остановиться, выбрался наружу, и во всей красе предстала передо мной длинная зеленоватая вуаль, крупными складками висевшая в ночном небе. Прозрачная, словно сотканная из тюлевого полотна, она спокойно пропускала свет звезд, слабо фосфоресцируя на черном фоне. Под нею по обе стороны от зимника уходила к горизонту заснеженная тундра. Бескрайнее небо с яркими звездами придавило безмолвный мир, ограничило. И поперек над всем величественным безмолвием медленно колыхался длинный световой занавес, будто поднятый вверх перед началом предстоящего действа.
До сей поры, мне кажется, я не видел в жизни ничего более впечатляющего. А ведь, судя по спокойствию наших спутников, местных старожилов, по их рассказам, по описаниям путешественников, это было одно из самых заурядных полярных сияний. Что же представляли собой выдающиеся? Вот, например, как описывает Фритьоф Нансен зрелище, свидетелем которого он оказался в ночь под рождество 1895 года. Тогда, покинув вмерзший в лед корабль, он вдвоем со своим спутником Иогансеном брел, не очень представляя, где находится. И все же у ученого достало сил и мужества на исключительное по силе и выразительности описание, сделанное в путевом дневнике. Нансен писал: «Погода почти тихая, и такой приятный лунный свет; невольно настраиваешься на торжественный лад. Это покой тысячелетний. После полудня было редкостное северное сияние. Когда я вышел в 6 часов, яркая светло-желтая дуга перекинута была над южным краем неба. Долгое время она оставалась спокойной, почти не изменяясь. Затем началось сильное свечение у ее верхнего края, за черным гребнем горы с минуту продолжалось пылание; затем вдруг свечение распространилось вдоль дуги на запад, к зениту ото всей ленты метнулись лучи, и не успел я опомниться, как вся южная часть неба, от дуги до зенита, была объята желтым пламенем. Оно сверкало и горело, кружилось, словно в вихре ветра (движение происходило по солнцу), лучи летали взад и вперед, то красные и красно-фиолетовые, то желтые, зеленые и ослепительно белые; то у основания лучи были красные, а наверху желтые и зеленые, то наоборот. Выше и выше поднималось пламя; вот оно достигло и северной стороны зенита — на мгновение в нем образовалась великолепная корона; потом все обратилось в одну крутящуюся огненную массу; это был точно водоворот огня, красного, желтого и зеленого, — глаз ослепляло это зрелище. Оно походило на сильный электрический разряд. Затем сияние перешло на северную часть неба, где оставалось долго, хотя уже не было такое блестящее…»
Прекрасное, глубоко эмоциональное описание. Но такое сияние удается природе[6] сотворить, к счастью, не так часто. Я говорю «к счастью», потому что за ним стоит сильнейшее возмущение магнитного поля Земли, настоящая магнитная буря, сбивающая с толку компасы и нарушающая радиосвязь. Ту самую радиосвязь, без которой вообще невозможно освоение высоких широт.
Для нас, жителей северных мест, полярные сияния не столь редкие явления. Они часто бывают и над Ленинградом, лишь наше нелюбопытство да блеск уличных фонарей мешают горожанам насладиться роскошным зрелищем.
Полярные сияния знакомы людям с давних времен. В Новгородской летописи (Архивной) под датой 23 сентября 1552 года описывается полярное сияние без всяких намеков на чудесное его происхождение: «Столб восхожаху, из них же сияние, аки солнечные лучи, и явись на небеси пламя колебашеся, яко вода морская симо и овамо на много час, и от пламени того бысть светло, аки от лучи»[7]. И не только в северных районах видели люди в прошедшне годы полярное сияние. Конечно, чем южнее или чем ближе к экватору велись наблюдения, тем реже удавалось видеть это явление и тем больше чудесного вкладывали в него наблюдавшие,
Что мы понимаем под магнетизмом в наши дни? Прежде всего — это совокупность явлений, обусловленных магнитным воздействием, которое передается и осуществляется с помощью магнитного поля.
Честно говоря, я бы не стал утверждать категорически, что приведенная выше формулировка дает полную ясность человеку, ну скажем… чисто гуманитарного образования. Что такое — магнитное поле? И вообще, в чем заключается механизм взаимодействия? Помните: земля притягивает подброшенный камень, магнит притягивает железо, электрон-янтарь притягивает сор.
Mы часто употребляем слова, не очень задумываюсь над их внутренним смыслом. Возьмем хотя бы слово «взаимодействие». Два сотрудника заняты одним делом — они взаимодействуют. Два собеседника беседуют. И это — взаимодействие. На спортивной площадке две команды играют в волейбол: игроки одной команды, взаимодействуя друг с другом, не дают упасть мячу на землю.
Не значит ли это, что взаимодействие — совместное действие отдельных частей, объединенных этим взаимодействием в систему? А почему бы и нет? Прекратился разговор, вы разошлись, распалась система из двух собеседников. Закончилась игра в мяч — нет. больше команд, нет игровой системы.
Всякое действие предполагает обмен силами. А что является переносчиком этих сил? В разговоре — слова. В игре — мяч. А в окружающей природе?
Пожалуй, самым первым видом взаимодействия, на которое обратил внимание человек, было взаимодействие тяготеющих масс — гравитация, или тяготение. Ведь это оно обеспечивает всем предметам на Земле их вес, а подброшенному камню — возвращение к поверхности. Оно же определит движение спутников вокруг планет, планет — вокруг звезд, а потом и самих звезд и даже галактик…
Следующим по старшинству шло электромагнитное взаимодействие. Электромагнитные силы по своему действию оказались похожими на гравитационные. Они также проявляются на большие расстояния и ослабевают постепенно, обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Изучая их проявление, ученые создали стройную теорию электромагнитного поля, во многом похожую на классическую механику. И вопрос о том, что же является переносчиком сил, ученых сначала особенно не беспокоил.
Но в начале XX века возникла квантовая теория Макса Планка и теория фотоэффекта, предложенная Альбертом Эйнштейном, и они заставили физиков посмотреть — на явления под иным углом зрения. Оказалось, что для электромагнитных сил переносчиками являются фотоны, световые частицы, — или кванты.
Представьте себя с приятелем в паре. Условие вашего совместного существования — взаимодействия — постоянный обмен мячом, как в баскетболе — задерживать его у себя нельзя, но и бросить на произвол судьбы вы не имеете права. Чем мяч легче и меньше, тем дальше вы можете отойти, друг от друга, перебрасываясь им, тем больше у вас свободы. А если, это не мяч, а чугунное ядро от старинной пушки?
А, теперь, разделим, электромагнитное взаимодействие, на два — электрическое и магнитное. При электрическом носителями сил являются элементарные, маленькие, заряды-электроны. А при магнитном взаимодействии?
Давайте подойдем к вопросу с другой стороны. Сегодня мы знаем, что все вещества в той или иной степени обладают магнитными свойствами. Одна меньше, другие больше. Магнитные поля существуют у многих космических тел и играют важную роль в фундаментальных, астрофизических и космогонических явлениях. Магнитные моменты есть и у электронов, протонов и нейтронов, из которых построены атомы. Но как же они взаимодействуют, чем обмениваются?
Магнитные свойства многих, веществ мы знаем и с успехом применяем в электро — и радиотехнике, в автоматике и вычислительной технике, в телемеханике, в морской и космической, навигации, в геофизических методах разведки полезных ископаемых, наконец, для контроля качества металлических изделий, но… как же все-таки притягивает один постоянный магнит другой? Как взаимодействуют их магнитные поля?
В 1931 году замечательный английский, физик Поль Адриен Морис Дирак опубликовал статью, в котой наряду с фундаментальным квантом электричества — электроном, обладающим единичным, электрическим зарядом, ввел и фундаментальный квант магнетизма — частицу, обладающую, единичным магнитным зарядом, магнитный полюс. Он тут же получил название монополя. Дирака, или просто — монополя.
С электричеством, все было в порядке. Электрон был открыт еще в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Развитие теории электрона, способствовало созданию теории относительности. Из нее выросла физика XX века — квантовая теория взаимодействия.
А зачем нам магнитный монополь? Неужели только для того, чтобы наглядно понять магнитное взаимодействие? Конечно, нет! Мы бы сконструировали из них источники невиданных энергий, создали бы микрогенераторы и микродвигатели, построили бы ускорители в сто раз более мощные, чем существующие сегодня, для разгона заряженных частиц. Мы бы осчастливили медиков и биологов, мы бы… Да что там говорить! Разве мог кто-нибудь в 1897 году сказать, к чему приведет открытие крошечного электрона! Так и сегодня — трудно даже перечислить, что могло бы дать нам получение магнитного монополя!
Первый эксперимент был поставлен в том же году, когда вышла статья Дирака. Ученые пытались найти монополь опытным путем. Однако их постигла неудача. Следующая попытка была совершена в начале сороковых годов. Снова неудача! 1951 год — тот же нулевой результат при поиске монополей в потоках космических лучей. Затем исследовали метеориты. Опять ничего! Начиная с 1959 года — поиски на самых мощных ускорителях мира, в глубинах Тихого океана…
Нет, нет и нет!
В 1975 году, — во второй половине августа, почти все газеты и многие журналы мира опубликовали сообщение о том, что группа американских физиков под руководством Прайса нашла следы неизвестной частицы, которая, может быть, могла бы претендовать на роль магнитного монополя… Большинство ученых отнеслось к этому сообщению скептически. А поскольку результат эксперимента не повторился, то открытия магнитного монополя пока, увы, не состоялось.
Существует мнение, что монополи слишком тяжелы, чтобы их можно было бы открыть на современном ускорителе. Теоретики предполагают, что значение массы монополя может быть более трех тысяч масс протона. А на такие частицы нашим земным ускорителям еще долго не будет хватать энергии.
А может быть, никаких магнитных монополей в природе не существует? Но тогда непонятной становится причина, почему их нет. В чём заключается принцип запрета на их существование?
Вот вам и простой древний магнит! Он еще далеко, не раскрыл своих тайн человеку. И кто знает, когда это произойдет…
Глава 3
Чудо магнитного притяжения
Простая вещь компас, а все-таки поведение стрелки, всегда упорно тянущейся к Северному полюсу, производит впечатление чуда. Альберт Эйнштейн писал об этом в своей «Творческой биографии»: «Чудо такого рода я испытал ребенком 4, или 5 лет, когда мой отец показал мне компас. То, что эта стрелка ведет себя так определенно, никак не подходило к тому роду явлений, которые могли найти себе место в моем неосознанном мире понятий (действие через прикосновение). Я помню еще и сейчас — или мне кажется, что помню) — что этот случай произвел на меня глубокое и длительное впечатление. За вещами должно быть еще что-то, глубоко скрытое…»Кто изобрел компас — неизвестно. Разные народы приписывают себе эту честь. Говорили, что в древние времена у китайцев уже существовали повозки, снабженные «указателем юга», прибором, который не давал заблудиться странникам. Может быть, это и были первые компасы?
В Европе этот прибор появился в XII веке. Во всяком случае, о нем есть упоминания в хрониках, относящихся примерно к этому времени. Но знали тогда о свойствах магнита мало. И применяли компасы редко. Ориентировались в основном ло солнцу или ночью по Полярной звезде (если иметь в виду мореплавателей нашего Северного полушария). Было это не слишком удобно. Во-первых, требовалась ясная погода, во-вторых — неподвижная палуба. Впрочем, и нужда пока была невелика. Эпоха Великих путешествий еще не наступила.
Все переменилось, когда наступил XV век. На корабле Колумба компас уже был. Матросы и офицеры верили ему безусловно. И именно по его указаниям Адмирал Моря-Океана направлял небольшую эскадру на запад.
Но как только из виду скрылись берега последнего из известных в то время островов, обстановка на судах Колумба стала накаляться. Матросы, набранные из портовых тюрем насильно, и их более профессиональные коллеги волновались, а сказать попросту — трусили. Это не должно нас с вами удивлять. Ведь на то, чтобы отправиться в XV веке в неизвестное «Море Мрака», именно так назывался Атлантический океан, требовалось мужества наверняка не меньше, чем для полета на космическом корабле на Луну, Там и техника обладала меньшей надежностью, и жизнь была не так комфортна, как на борту пилотируемых космических кораблей. Да и знаем мы о нашем естественном спутнике куда больше, чем знали во времена Колумба о Мировом океане. Зато рассказов о всяких ужасах и о поджидающих там чудовищах было предостаточно. Сегодня, отправляясь в заатмосферный полет, космонавты ни на минуту не теряют связи с Землей. Нужно ли говорить, что во времена Колумба радио не существовало. Единственная отрада, единственная вещь, обещающая возможность возвратиться, — был компас. Немудрено, что, когда адмирал подходил к рулевому и взглядывал на стрелку, плавающую в котелке на куске пробки, за ним следила не одна пара глаз…
Через несколько дней плавания Колумб почувствовал что-то неладное. Моряки давно знали о том, что стрелка в принципе указывает не совсем точно на север. Угол ошибки (склонение), был постоянен при каботажных плаваниях, всем известен и на него спокойно вводили поправку, сверяя показания компаса с точным направлением на путеводную Полярную звезду. Но стал Великий Адмирал примечать, что угол склонения почему-то постепенно уменьшается. Вот уже стрелка точно направилась на Полярную звезду и даже собирается перейти на другую сторону… Это катастрофа! Матросы зароптали, требуя немедленно повернуть обратно. Назревал бунт.
И тогда во время ночной вахты Колумб тайком от всех повернул шкалу компаса — картушку так, чтобы вернуть привычное склонение, а угол преднамеренной ошибки записал шифром в журнал.
Наутро он вызвал на флагман, преданных ему офицеров, зарядил пистолеты и вышел со свитой на бак, где объявил команде, что в этой части моря Полярная звезда кажется смещенной со своего обычного места, а компас, конечно, показывает правильное направление. После посещения Индии, куда сейчас плывут они разбогатеют и по верному компасу счастливо возвратятся в родную Кастилию.
И что вы думаете? Матросы поверили своему адмиралу. Другой надежды у них не было. Кроме того, очень уж внушительно выглядели пистолеты за поясом у Колумба. А весь экипаж знал, что он отлично стрелял. Да и поверить в то, что звезда сошла со своего места, было куда легче, чем разувериться, в компасе. Так Колумб, открыл сначала магнитное склонение, а уж потом — Америку.
Мы с вами со школьных лет знаем, что географические и магнитные полюса Земли не совпадают. В Северном полушарии расстояние между ними — больше полутора тысяч километров, И находится Северный магнитный полюс где-то в океане, между Гренландией и Северо-Американским материком.
Интересно, что Гильберт, который ввел само понятие магнитного полюса Земли, считал его точно совпадающим с географическим.. А склонение приписывал тому обстоятельству, что океаны окружены материками, в состав которых входят магнитные породы разной намагниченности. При этом лейб-врач английской королевы не очень-то и ошибался, придавая природным магнитным материалам такое большое значение. Они действительна создают локальные аномалии магнитного поля, причем часто значительные. Например, в некоторых местах Курской магнитной аномалии угол магнитного склонения меняется от плюс 180° до минус 180°. И величина магнитного поля намного превосходит обычную.
Однако еще неожиданнее звучит сравнительно недавнее открытие геофизиков: оказалось, что магнитные полюса нашей планеты — довольно непоседливые точки на ее поверхности. Например, 570 миллионов лет тому назад магнитный полюс Северного полушария находился почти на экваторе. А если углубиться еще дальше, в геологическую историю Земли, то можно отыскать периоды, когда оба магнитных полюса вообще менялись местами. Именно в связи с подвижностью полюсов точные магнитные карты в наше время приходится обновлять каждые пять — десять лет.
Надо сказать, что упрямое стремление намагниченной стрелки занимать всегда одно и то же положение в прошлом производило впечатление на всех несведущих людей. На Востоке при помощи намагниченного куска железа было распространено гадание. Впрочем, не менее популярно оно и сейчас.
Несколько лет назад с группой коллег-литераторов мне довелось побывать в Японии. Это была интересная поездка, заполненная незабываемыми встречами с деятелями культуры и науки, знакомством с техническими и научными достижениями японцев. Но мне бы хотелось рассказать лишь об одном, в общем-то незначительном, эпизоде, имеющем, как мне кажется, прямое отношение к теме книги.
Вечерами, когда в 14-миллионном Токио солнце скрывается за крышами небоскребов, а на зданиях офисов и универмагов загораются первые рекламы, лихорадочный ритм жизни столицы спадает. Некоторое время мимо вас по тротуару еще проносятся запоздалые служащие. Но уже все чаще возле подземных переходов можно видеть пожилых японцев, сменивших европейские костюмы на темные кимоно, а жаркие ботинки — на свободные гета. Они уже — не спешат… Вот встретились двое знакомых: согнувшись под прямым углом, долго обмениваются любезностями среди обтекающей их толпы. Никто не возмущается, это ведь так понятно: вечером на Гинзе встретились люди, давно не видевшие друг друга. Они желают один другому счастья…
К десяти толпа на широких, тротуарах сильно редеет, и сквозь нее становятся видны у стен сгорбленные фигуры за крохотными столиками, освещенными переносными лампочками от карманных фонариков. Это гадальщики — астрологи и хироманты, непременный атрибут японских городов, да и не только японских. Сообщите им дату своего рождения, протяните ладонь, и за 500 иен они вам расскажут все, что было, что будет и чем сердце успокоится[5].
Когда-то, работая над книгой по истории астрономии, я занимался различными гороскопами, так то должно быть понятно мое любопытство, при встрече с этими символами на улицах современного города. А не изменился ли восточный зодиак с тех далеких времен? И как по нему гадают сегодня?
К сожалению, по-японски я знал только одно слово «аригато»спасибо", а мой школьный английский оставлял желать лучшего, Правда, я говорил немного по-немецки. В один из вечеров, я наткнулся на гадальщика-астролога, вполне прилично изъясняющегося на немецком языке. «Позолотив ручку», я сел за легкий столик возле нагретой дневным солнцем стены какого-то универмага.
Он был очень серьезен, этот пророк в белых мятых джинсах и такой же мятой рубашке, в больших очках и с неожиданно юной физиономией. Он внимательно, выслушал и записал на бумажке год, месяц и число моего появления на свет. Раскрыл папку, в которой лежали таблицы. Достал микрокалькулятор и углубился в расчеты. Потом на свет появилась дощечка из металлизированной пластмассы с начертанными на ней линиями, клетками и знаками восточного зодиака. Следом за дощечкой предсказатель извлек из сумки маленький ковшик, выточенный из черного камня. Он поставил на дощечку ковшик, и тот сразу, как живой, повернулся на круглом своем донце в определенную сторону. «Э! — подумал я. — Да это ведь старый знакомый, магнит…» Я вынул из кармана ключ и приложил, по очереди к ковшику и к доске. Тот и другой предмет притягивали. Мой астролог улыбнулся. Наверное, подумал, что недоверчивый иностранец хочет проверить качество его «оккультной техники».
Затем он честно исписал два тоненьких листка какими-то расчетами и иероглифами, прежде чем поднял на меня глаза и стал прорицать…
Электрическая лампочка над складным столом и гороскоп за 500 иен. Микрокалькулятор и магнитный ковшик тысячелетней давности на службе оккультного бизнеса. И бессмысленные предсказания, для того чтобы заработать деньги для продолжения учебы — астролог оказался студентом.
В поисках выхода из замкнутого круга социальных противоречий люди капиталистического мира бегут в потусторонний мир «просвещенного богомыслия», пытаясь поставить на службу ему не только наукообразные толкования, но и природные феномены вкупе с современной техникой.
В чем же причина магнетизма нашей планеты? Этот вопрос с давних пор не давал покоя ученым. И каждый раз, когда знания о внутреннем строении Земли пополнялись новыми открытиями, предположениями и гипотезами, их тут же примеряли к решению «геомагнитной загадки». Когда геофизики остановились на предположении, что земное ядро все-таки состоит из тяжелых металлов или окислов металлов, находящихся в жидком состоянии, снова воскресла гипотеза: не намагничивается ли земной шар электрическими токами, которые текут в его жидком металлическом ядре? Американский физик Эльзассер считал, что природа «устроила» идеальные условия для возникновения электродвижущей силы в земном ядре. Температура там в зависимости от глубины может быть разной. Различны могут быть и контакты между металлами. Вот вам и причина для возникновения термотоков, которые возникают именно при контактах разнородных металлов, находящихся при различных температурах. В конце концов, струи расплавленного металла и токи в них должны создать могучие потоки, охватывающие земную ось, и породить мощное магнитное поле. Но как раз на этом этапе рассуждения в стройную гипотезу вмешались скептики. Они предлагали подтвердить выводы расчетами. Для этого следовало в точности знать движение жидкой оболочки ядра, его состав и сопротивление. В общем, гипотеза Эльзассера носила лишь качественный характер, не поддаваясь никаким расчетам. Правда, зря она не пропала. Новый подход к решению проблемы предложил советский физик Я.И. Френкель, К тому времени почти все геофизики соглашались с тем, что внешняя оболочка ядра, так же как и само ядро, обладает отличной электропроводимостью. Поэтому движение жидкости внешнего слоя и не совпадающее с ним вращение внутренней части ядра должны напоминать движение проводника в магнитном поле, как это происходит в обыкновенной динамо-машине.
В чем же принцип работы электрического генератора? Прежде всего любой генератор состоит из двух главных частей — неподвижного статора и подвижного ротора. Магниты статора создают начальное магнитное поле. Когда витки провода, намотанного на ротор, пересекают силовые линии магнитного поля, в проводе появляется небольшой электрический ток. Он создает свое магнитное поле, которое усиливает поле статора. А усилившееся поле в свою очередь увеличивает ток ротора. С каждым оборотом, как лавина, скатывающаяся с горы, магнитное поле генератора нарастает, пока не достигнет своего заданного и заранее рассчитанного инженерами значения. С этого момента генератор включается в нормальный режим.
А не так ли работает и ядро Земли? Ведь слабое изначальное магнитное поле наша планета может себе создать хотя бы за счет вращения. А дальше это поле уже усиливается по принципу динамо-машины.
Это предположение получило название «динамотеории» и в дальнейшем разрабатывалось и уточнялось многими исследователями. Сегодня, пожалуй, можно сказать, что"динамотеория"не единственно возможная гипотеза, но по уровню современных знаний о внутреннем строении Земли она вполне удачна.
В наши дни геомагнитные исследования приобрели новый размах. За последние десять — пятнадцать лет ученые накопили столько сведений, сколько не могли собрать за все прошедшее время. И есть основания надеяться, что ответ па вопрос: «Почему Земля магнит?» — теперь уже не за горами.
Почему «на пазорях метка дурит»
Поздней осенью 1984 года мне выпала интересная командировка в Якутию. Цель ее — познакомиться с добычей алмазов и золота в этом северном регионе нашей страны., Сначала самолетом до Якутска, потом еще и еще самолетом на самый северный горно-обогатительный комбинат объединения «Якутзолото», в поселок Кулар, один из центров добычи трудного заполярного золота.Самолет прилетел в девятом часу. Середина октября, а здесь, вблизи от Ледовитого океана, минус 30°. Скользя по непривычному еще для нас снегу аэродрома, в Ленинграде было плюс 17°, мы подошли к краю летного поля, где нас ждал заместитель директора «Куларзолото», старожил Заполярья с неожиданно знойными именем и фамилией — Вреж Хачикович Аветесян. Да, да, все именно так: выпускник горного института, он приехал в Заполярье с юга. Думал, ненадолго, да вот остался. Север так просто не отпускает.
Мы подошли в «уазику», влезли в теплый от работающей печки салон, наполненный шорохом, и треском бесконечных разрядов от включенной рации. Напрасно Аветесян надрывался, выкрикивая какие-то поручения. Чтобы посочувствовать, я предположил:
— Техника барахлит?
— Нет, с техникой порядок. Природа барахлит. Магнитная буря. Когда сполохи играют, беда со связью.
Я ахнул:
— Какое сияние, где? Никогда в жизни не видел полярного сияния, о котором столько слышал, столько читал…
— Да вон оно висит, — махнул рукой Аветесян.
И тогда я тоже увидел. Сначала сквозь лобовое стекло. Потом попросил остановиться, выбрался наружу, и во всей красе предстала передо мной длинная зеленоватая вуаль, крупными складками висевшая в ночном небе. Прозрачная, словно сотканная из тюлевого полотна, она спокойно пропускала свет звезд, слабо фосфоресцируя на черном фоне. Под нею по обе стороны от зимника уходила к горизонту заснеженная тундра. Бескрайнее небо с яркими звездами придавило безмолвный мир, ограничило. И поперек над всем величественным безмолвием медленно колыхался длинный световой занавес, будто поднятый вверх перед началом предстоящего действа.
До сей поры, мне кажется, я не видел в жизни ничего более впечатляющего. А ведь, судя по спокойствию наших спутников, местных старожилов, по их рассказам, по описаниям путешественников, это было одно из самых заурядных полярных сияний. Что же представляли собой выдающиеся? Вот, например, как описывает Фритьоф Нансен зрелище, свидетелем которого он оказался в ночь под рождество 1895 года. Тогда, покинув вмерзший в лед корабль, он вдвоем со своим спутником Иогансеном брел, не очень представляя, где находится. И все же у ученого достало сил и мужества на исключительное по силе и выразительности описание, сделанное в путевом дневнике. Нансен писал: «Погода почти тихая, и такой приятный лунный свет; невольно настраиваешься на торжественный лад. Это покой тысячелетний. После полудня было редкостное северное сияние. Когда я вышел в 6 часов, яркая светло-желтая дуга перекинута была над южным краем неба. Долгое время она оставалась спокойной, почти не изменяясь. Затем началось сильное свечение у ее верхнего края, за черным гребнем горы с минуту продолжалось пылание; затем вдруг свечение распространилось вдоль дуги на запад, к зениту ото всей ленты метнулись лучи, и не успел я опомниться, как вся южная часть неба, от дуги до зенита, была объята желтым пламенем. Оно сверкало и горело, кружилось, словно в вихре ветра (движение происходило по солнцу), лучи летали взад и вперед, то красные и красно-фиолетовые, то желтые, зеленые и ослепительно белые; то у основания лучи были красные, а наверху желтые и зеленые, то наоборот. Выше и выше поднималось пламя; вот оно достигло и северной стороны зенита — на мгновение в нем образовалась великолепная корона; потом все обратилось в одну крутящуюся огненную массу; это был точно водоворот огня, красного, желтого и зеленого, — глаз ослепляло это зрелище. Оно походило на сильный электрический разряд. Затем сияние перешло на северную часть неба, где оставалось долго, хотя уже не было такое блестящее…»
Прекрасное, глубоко эмоциональное описание. Но такое сияние удается природе[6] сотворить, к счастью, не так часто. Я говорю «к счастью», потому что за ним стоит сильнейшее возмущение магнитного поля Земли, настоящая магнитная буря, сбивающая с толку компасы и нарушающая радиосвязь. Ту самую радиосвязь, без которой вообще невозможно освоение высоких широт.
Для нас, жителей северных мест, полярные сияния не столь редкие явления. Они часто бывают и над Ленинградом, лишь наше нелюбопытство да блеск уличных фонарей мешают горожанам насладиться роскошным зрелищем.
Полярные сияния знакомы людям с давних времен. В Новгородской летописи (Архивной) под датой 23 сентября 1552 года описывается полярное сияние без всяких намеков на чудесное его происхождение: «Столб восхожаху, из них же сияние, аки солнечные лучи, и явись на небеси пламя колебашеся, яко вода морская симо и овамо на много час, и от пламени того бысть светло, аки от лучи»[7]. И не только в северных районах видели люди в прошедшне годы полярное сияние. Конечно, чем южнее или чем ближе к экватору велись наблюдения, тем реже удавалось видеть это явление и тем больше чудесного вкладывали в него наблюдавшие,