Страница:
12 января 1589 года вспыхнуло небо бесшумным пожаром над Парижем. Страшное, невиданное явление поразило французов. В стране и так было неспокойно. А тут… Парижане вспомнили майское восстание, вошедшее в историю под названием «Дня баррикад». Король бежал из столицы, и город оказался в руках Парижской лиги. Гизы предали восставших, по приказу короля Генрих Гиз был убит в Блуа. А потом, когда к Парижу подошли войска короля Генриха III, доминиканский монах Жак Клеман, подосланный Католической лигой, заколол последнего Валуа кинжалом. Все эти события недавних дней увидели прорицатели на охваченном сполохами небе. Одни различали среди огня отряды конницы, готовой квнуться в битву, другие видели вооруженных рыцарей, третьи — поверженных вниз головами рыб — символы христианства…
В Северной Европе к полярным сияниям относились спокойнее. «На пазорях матка дурит», — говорили русские поморы, тесно связывая беспокойное поведение компасной стрелки со сполохами. Пазорями называли они сияния, маткой — компас. Не по причине ли частых магнитных возмущений в этих краях устанавливали поморы на побережье Студеного моря кресты из тяжелых бревен? Поперечины этих навигационных знаков указывали точно на магнитный полюс… Потом кресты по указанию царскому срубили и сожгли. Это было время, когда после Столбовского мира в 1617 году со Швецией пришлось России уступить северному соседу Ингрию и Карелию, то есть отказаться от побережья Финского залива. И чтобы «однолично в Сибирь, в Мангазею немецкие люди водяным путем и сухими дорогами ходу не проискали», срубили те кресты. Остались о них лишь воспоминания.
А вот что рассказывает летчик-космонавт Г. М. Гречко, наблюдавший полярное сияние с борта космического корабля: «Тысячи прожекторов выстроились в такие извилистые линии над Америкой и били вверх… У Земли — были зеленого цвета. Сквозь них проходили и выше уходили — красного цвета. Тысячи их там переливались огнями. Внизу — города, вокруг — бьют вот эти прожекторы на высоту 400-500 километров, и мы сквозь эти завесы проходили. Фантастическое совершенно зрелище. За два с половиной месяца полета мы такого еще не видели и вряд ли увидим»[8].
Что же из себя представляют полярные сияния? Знакомые людям с древности, эти явления только в наши дни получили правильное и достаточно полное объяснение. Но для того, чтобы к нему прийти, понадобилась долгая кропотливая работа многих выдающихся ученых. В ней было много гипотез, частью ошибочных, частью неполных. Были и откровенные заблуждения. Лишь после длительного процесса исследований истина победила.
Гипотезы о происхождении земного магнетизма грубо можно разделить на две части: первая связана е космическим влиянием, вторая — чисто земная. Значительно позже, уже в наше время, богатое компромиссами, появилась третья группа гипотез, согласно которым геомагнетизм и магнетизм вообще есть универсальное св0йство:материи, находящейся в движений.
В современной космогонии отсчет времени жизни космогонической гипотезы с участием электромагнитных сил ведется обычно от 1912 года. Именно тогда известный астроном К. Биркеланд попытался серьезно ввести в механизм образования Солнечной системы эти силы. Поскольку первоначальная туманность должна была во что бы то ни стало состоять из смеси заряженных частиц, Солнце вполне могло сыграть роль «сепаратора» и распределить бестолково летающий вокруг него рой частиц по слоям или кольцам.
Правда, тогда все планеты по своему составу, должны резко отличаться не только друг от друга, но и от оставшихся обломков, залетающих к нам на Землю в виде метеоритов. Между тем метеориты, падающие на Землю, почему-то имеют очень сходный с нею состав… Нет, похоже, что-то в гипотезе Биркеланда оказалось недодуманным.
После окончания второй мировой войны шведский астрофизик Ханнес Альфвен развил предположения, высказанные Биркеландом в начале века. Он предста вил, что туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных частиц, а Солнце обладало сильным магнитным полем. Под действием излучения Солнца и собственных столкновений атомы ионизировались. При этом ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращающийся момент, передавая его газовому облаку.
Правда, и в этом случае атомы более легких элементов ионизировались бы вблизи Солнца, а атомы тяжелых элементов — дальше. Следовательно, и ближайшие к Солнцу планеты должны бы Состоять из наилегчайших элементов, то есть из водорода и гелия, а более отдаленные — содержать железо и никель… Увы, астрономические наблюдения настойчиво говорят об обратном!
Электромагнитные силы должны были играть важную роль в формировании планетной системы, но какую? И вот английский астроном Фред Хойл разрабатывает новый вариант гипотезы…
Сначала, как и полагалось, в недрах огромной туманности, изначально обладавшей магнитным полем, зародилось Солнце. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, похожей на диск. Этот диск постепенно разгонялся, забирая движение у центрального светила. Солнце постепенно притормаживалось. Момент количества движения перешел в основном к диску, в котором образовались позже планеты.
Хойл считал, что момент от Солнца передавался не всем частицам туманности одинаково, а в основном газообразным, которые легче превращались в ионы. В своей работе ученый так и пишет: «Приобретая момент количества движения, планетное вещество удалялось от солнечного сгущения. Нелетучие вещества конденсировались и отставали от движущегося наружу газа. Именно с этим процессом связан тот факт, что планеты земной группы: 1. Имеют малые массы. 2. Почти полностью состоят из нелетучих веществ. 3. Находятся во внутренней части системы».
Подобный механизм, по мнению Хойла, создавал условия для существования возле Солнца некой каменно-железной зоны, которая в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера переходила в область, где, напротив, преобладали вода и аммиак, а дальше… Дальше планеты должны были состоять из веществ еще более легких, чем составные части Юпитера и Сатурна. И вот тут-то получался «прокол», ибо плотность вещества Урана и Нептуна снова растет!
Нет, что и говорить, желание привлечь к образованию Солнечной системы электрические и магнитные силы вполне похвально, но доводы пока не очень убедительны. Следует признать, что даже частичное привлечение электрических и магнитных сил в качестве созидающих при образовании солнечного семейства надежд не оправдало. Здесь еще предстоит работать.
Нельзя не обратить внимания на то, что мы как бы кружим и кружим вокруг этой проблемы, уходим от нее в межпланетное пространство, изучаем магнитные свойства звезд… А причину возникновения магнитного поля собственной Земли так и не знаем.
После работ Эрстеда и Ампера, связавших магнитное поле с электрическим током, исследователи стали искать электрический ток в теле Земли. Кое-кто из исследователей-экспериментаторов. пытался закапывать металлические пластины глубоко в землю и соединять их друг с другом проволокой через гальванометр. При этом бывало, что прибор даже показывал ток. Но какой? Он был ничтожен по величине, и каждыми раз менялся по направлению. Да и непонятно было, отчего ток возникает. Электрический ток — это упорядоченное движение зарядов. Но что способствует накапливанию зарядов в недрах Земли?
Может быть, стоит предположить, что земной шар заряжают молнии? Но и тут расчеты показывали, что грозы не в состоянии поддержать магнитное поле Земли, Его источник следовало искать в недрах, и только в недрах.
В начале XX столетия возникла идея о самонамагничивании Земли. Именно тогда из опытов английского ученого Эрнста Резерфорда стало известно новое строение атомов. Электроны, как волчки, крутились вокруг своих осей и облетали атомное ядро, подобно планетам солнечной системы.
Сразу возникло несколько интересных гипотез, которые основывались на предположении о жидком состоянии земного ядра, состоящего из вещества, хорошо проводящего электрический ток. В таком случае в массе расплавленного металла неизбежны течения, а следовательно, разделение токов, которые должны были намагничивать Землю,
Но для победы этих взглядов не хватало единого мнения геологов и геофизиков в вопросе о состоянии земного ядра. Многие считали его твердым. Конечно, вот если бы сравнить Землю с другими планетами… Но «год спутника» еще не наступил.
Профессор Кембриджского университета и член Лондонского королевского общества Артур Шустер высказал как-то идею: не является ли магнетизм просто свойством всякого вращающегося тела? За разработку этой гипотезы взялся выдающийся русский физик-экспериментатор Петр Николаевич Лебедев, работавший в Московском университете. Он придумал остроумный опыт, изобрел и построил чувствительные приборы, но… результат был нулевым. Тем не менее в статье, описывающей поставленный эксперимент, Лебедев высказал достаточно оптимистические надежды на будущее.
Ученые задумались: а что, если попробовать проделать такой эксперимент — взять металлический стержень и начать его быстро вращать вокруг оси? Согласно законам механики все волчки-электроны немедленно повернутся своими осями в одну сторону, и стержень должен оказаться намагниченным.
В 1919 году американский физик Сэмуел Барнетт поставил описанный опыт и простым вращением нагмагнитил железный стержень! Казалось, все доказано. Разве это не подходящая модель для Земли? С ее-то запасами магнитных металлов внутри?
Увы, и эта модель не выдержала проверки. Зная скорость вращения планеты и распределение в ней магнитных материалов, геофизики сосчитали, что поле должно быть в десять миллиардов раз меньше имеющегося. Опять неудача!
В 1947 году основательно подзабытая гипотеза о самонамагничивании всплывает вновь. Профессор Манчестерского университета Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт, член Лондонского королевского общества, многих других академий наук, в том числе иностранный член АН СССР и лауреат Нобелевской премии, высказывает предположение, что появление магнитного поля вокруг вращающегося тела — закон природы. Он даже выводит теоретическую формулу, позволяющую рассчитать зависимость магнитного поля от вращения тела. И решает поставить эксперимент…
На свободном пространстве в приличном удалении от источников посторонних магнитных полей возводится экспериментальное здание. Строго говоря — это был сарай, собранный без применения железных гвоздей и деталей. Ночью с известными предосторожностями и под охраной к сараю привезли двадцатикилограммовый металлический цилиндр, тускло отсвечивающий желтым цветом. Золото! Да, он был из чистого золота, поскольку это заведомо немагнитный материал.
Блэкетт рассуждал так: двигаясь вместе с Землей, цилиндр из немагнитного металла должен приобрести свое магнитное поле, если… если его предположение верно. Увы, чувствительнейший магнитометр ожидаемого эффекта не показал. Может быть, стоило заставить цилиндр вращаться? Но на Земле наступил космический век, и астрофизики получили новые возможности для проверки старых гипотез.
Космические аппараты совершили настоящую революцию в таких представлениях. Оказалось, что Солнце — источник постоянной межпланетной плазмы, получившей название солнечного ветра. И когда эта плазма взаимодействует с магнитным полем Земли (и других планет), то в околопланетном пространстве возникают своеобразные магнитные полости, которые назвала магнитосферами.
Сегодня мы знаем, что все небесные тела Солнечной системы обладают магнитными свойствами. Одни имеют собственные дипольные поля плюс к магнитным полям потоков солнечного ветра, другие собственных магнитных полей не имеют, но поток солнечной плазмы создает около них локальные магнитные поля, которые можно приближенно, считать наведенными магнитосферами.
Советские автоматические станции опустились на Луну. Если принять на вооружение гипотезу жидкого металлического ядра, то у Луны, у которой такого ядра быть не могло, не должно быть и собственного магниного поля… Так оно и оказалось, наши автоматы это подтвердили. А тем временем стала накапливаться данные и о магнитных полях других планет. Ученые обнаружили, что за время своей жизни наша Земли не раз меняла полярность своего магнитного поля.
Так почему же Земля все-таки магнит? Вопрос не праздный. Магнитное поле нашей планеты отклоняет в полярные области потоки заряженных частиц, образует радиационные поля. Знать это нужно для безопасности космических полетов. Магнитное поле участвует в наземной и космической радиосвязи и радионавигации. Наконец, между состоянием магнитного поля и климатом тоже существует какая-то, пока еще непонятная связь. Так что вопросы о происхождении земного магнетизма, его эволюции и тенденциях людям небезразличны.
Сегодня есть на этот счет несколько гипотез, и какая из них окажется истинной, покажет будущее. Мы стоим на самом пороге вековой тайны. Но кому удастся этот.порог перешагнуть?
Глава 4
Уильям Гильберт экспериментировал не только с магнитами, но и с телами электризующимися, то есть приобретающими способность притягивать от трения. Его очень интересовал вопрос: как зависит эта способность от природы тел? Ученый даже сконструировал прибор для измерения силы электризации. Приближая к одному концу стрелки своего электроскопа наэлектризованный предмет, Гильберт наблюдал ее поворот и определял таким образом силу притяжения.
При этом он разделял все тела на два класса — «электрики» и «неэлектрики». К электрикам, то есть к электризующимся телам, оказались отнесенными янтарь, ялмаз, смола, стекло, канифоль, прочие диэлектрики. К классу же «неэлектриков» принадлежали все металлы. Это было понятно. Потому что, натирая их, Гильберт должен был держать металлические предметы в руке и таким образом давал возможность уходить полученным зарядам в землю.
Опыты врача английской королевы по электризации тел особого значения для нарождавшейся науки об электричестве не имели. Более интересны экспериментальные исследования электричества, которыми занимался магдебургский бургомистр Отто Герике, известный нам по школьному курсу физики своими «пневматическими опытами». Работы Герике имеют непосредственное отношение к нашей теме, поэтому остановимся на них более подробно.
В середине XVII столетия обстановка в Германии была удручающей. В раздробленной на многочисленные княжества стране догорали руины Тридцатилетней войны. Войска под разными флагами одинаково вытаптывали поля, грабили и разоряли крестьян, сжигали и разрушали города. Мародеры шведско-французских войск ничем не отличались от своих коллег, поддерживавших имперско-испанские притязания Габсбургов. А население вело непрерывную и ожесточенную партизанскую войну как с теми, так и с другими… Наконец, в 1648 году был заключен Вестфальский договор о мире. Люди смогли вернуться в разрушенные жилища, приступить к их восстановлению. Нужно было пахать и сеять. Жизнь продолжалась…
В старинном торговом городе на Эльбе — Магдебурге у жителей были те же заботы. Город сильно пострадал во время войны. После долгой осады ландскнехты Габсбургов захватили его и полностью разграбили. Они перебили почти все население, а постройки сожгли. Можно сказать, что в мае 1631 года Магдебург был почти полностью разрушен. Грудой руин предстал он перед глазами двадцативосьмилетнего инженера Отто Герике, сына пивовара, когда он вместе с немногими уцелевшими воротился на пепелище.
И тут, как нигде в другом месте и в других обстоятельствах, пригодились образование и профессия молодого инженера. Он взялся за дело. Под его руководством прокладывались новые улицы, возводились мосты. Постепенно, как сказочная птица Феникс, восстал из пепла Магдебург.
Но в город вновь вошли имперские войска и стали на постой. Легко ли горожанам содержать прожорливый гарнизон? И «отцы города» решают послать ко двору молодого Герике, чтобы он уговорил курфюрста отозвать войска и заменить их своими — из горожан…
Сложная миссия увенчалась успехом. И, уверовав в дипломатические способности сына пивовара, горожане избирают его бургомистром. Их не остановило даже то обстоятельство, что Герике много времени отдавал физическим опытам. В конце концов, у всех свои недостатки. Увлечения молодого бургомистра немало помогали Магдебургу. Знатные особы приезжали посмотреть на физические чудеса, которые с большим размахом демонстрировал Герике. А он, в свою очередь, добивался все новых и новых льгот для города.
Некоторые ученые презрительно относились к опытам пивовара. Они говорили, что для Герике внешний эффект важнее результата и уж конечно важнее проникновения в подлинную суть явления. Трудно с этим согласиться.
Познакомившись с описанием свойств янтаря электризоваться, а также узнав, что силою притяжения начинают обладать серные шарики, если их потерять, Герике заказывает стеклодуву большой стеклянный шар величиной с детскую голову. Внутрь он велит налить расплавленную серу, и, когда та застывает, разбивает стекло. Теперь у него в руках большой серный шар, на котором от трения должно собраться больше таинственного электричества, чем на маленьких шариках предшествующих экспериментаторов.
Он насаживает шар на железную ось с рукояткой, укрепляет на станине и с помощником натирает его ладонями. Действительно, после натирания серный шар начинает притягивать пушинки и другие легкие тельца. Причем некоторые из них, пристав к поверхности шара, вращаются с ним вместе наподобие предметов, вращающихся вместе с Землей. Это наблюдение ему еще пригодится.
Продолжая опыты, он заметил, что электризация распространяется по льняной нитке на расстояние в локоть. А сам шар, будучи хорошо натерт, светится, в темноте синеватыми искорками, которые потрескивают, когда гаснут.
Все больше результатов накапливает Герике, тщательно записывая то, что делает. Хорошо бы, конечно, сесть за стол, обдумать все и описать в книге, в кото рой будет только правда. Да вот заботы о городе не оставляют свободного времени.
Постепенно Герике начинает томиться своими обязанностями. Ему хочется больше времени отдавать любимому, делу. Как-то на рейхстаге в Регенсбурге он демонстрировал опыты самому императору и собравшимся курфюрстам. Удостоился похвалы. За научные заслуги император пожаловал ему дворянство, и Герике не без удовольствия прибавил к своей фамилии частицу «фон». Но одновременно какой-то проходимец описал все его приборы и опыты, издав книгу без должного упоминания имени автора экспериментов…
Когда из-под печатного пресса вышла в свет его собственная книга, ему уже исполнилось 70 лет. И все равно Отто фон Герике был счастлив. Он ушел наконец со своего поста бургомистра. Два года спустя в Магдебурге начинается чума, и Герике уезжает из родного города в Гамбург к сыну. Там и умирает он в возрасте 84 лет.
Опыты, описанные фон Герике, стали широко известны, и их повторяли в разных странах. Сила электрического притяжении, свечение искры — все это было ново и загадочно.
В XVII веке, как и ранее, одной из загадок, волновавших просвещенные умы, была проблема происхождения Земли. Нет, теперь уже не одной Земли, а целой Солнечной системы. После работ Коперника, Галилея, Кеплера, наконец, после труда великого Ньютона силы притяжения вошли в обиход науки. Но как, пользуясь только притяжением, сформировать планетную систему? Как заставить материю не слипаться в единый ком, а разделиться на небесные тела?
Нет, одного притяжения здесь было недостаточно. Нужно было изыскать силы отталкивания! И Герике, толстый магдебургский бургомистр, увидел их во взаимодействии наэлектризованных тел. Он так и написал об этом в своем труде. И не его-вина, что люди долгое время не обращали должного внимания на это предположение. Успехи «астрономии тяготения» затмили все иные подходы к теме. Казалось, что законы Ньютона и Кеплера дают поистине безграничные возможности астрономам-вычислителям. И они действительно блестяще справлялись со всеми задачами, которые ставило перед ними время… Вот. только как быть с космогонией? Этой науке для создания строгой, стройной картины образования Солнечной системы по-прежнему недоставало сил отталкивания. И со временем специалисты вновь, уже серьезно вооруженные, обратились к предложениям фон Герике.
По сути дела серный шар на рукоятке в руках магдебургского бургомистра был первой электрической машиной, электростатическим генератором, как сказали бы сегодня. Однако это его изобретение не было подхвачено современниками. Довольно долгое время в каждой стране экспериментаторы сами изобретали и строили электрические машины, как это было, например, в Лондонском королевском обществе.
Отворяется дверь, ведущая во внутренние помещения Грешем-колледжа, и два оператора вносят какой-то станок, похожий на ножное точило. Такая же станина, большое колесо с ручкой, а наверху вместо точильного камня прилажен стеклянный шар, из которого выкачан воздух. Следом за установкой появляется и ее изобретатель, Фрэнсис Гауксби, — демонстратор, подготавливающий опыты для очередных заседаний.
Задергиваются шторы на окнах. В сумрачном помещении становится совсем темно. Один из операторов вращает ручку машины, а Гауксби прижимает ладони к шару… И — о чудо! Натертый шар начинает светиться. Точь в точь как когда-то светились барометрические трубки, заполненные ртутью, при встряхивании. Сколько тогда было споров о природе свечения! Но разве его опыты не доказательство того, что свет есть результат электризации, а не какого-то там светящегося «меркуриального фосфора» в духе алхимиков прошлых веков?
Опыт на этом не кончается. Остановив вращение, экспериментатор подносит к погасшему и темному шару руку. И тотчас же большая, едва ли не в дюйм величиной, голубая искра с треском выскакивает из наэлектризованного прибора и ощутимо клюет поднесенный палец.
Значит, электричество рождает не только силу притяжения, но и искры… Интересно бы узнать: холодные они или горячие? Ученые джентльмены по очереди подносят пальцы к вновь и вновь электризуемому щару и вскрикивают, ощутив укол. Все это чудесно и непонятно. Правда, кто-то вспоминает, что несколько лет тому назад некий доктор Уолл, натерев, янтарь, также извлек из него искру, предположив, что ее свет и треск представляют собой в некотором роде молнию и гром. Но природа атмосферных явлений была в то время совершенно неизвестна людям. Многие продолжали считать молнию вспышкой воспламеняющихся серных паров, накапливающихся в атмосфере. И блестящая догадка Уолла осталась незамеченной. Сам Гауксби подобно своим предшественникам полагал, что заряженные тела являются источниками некоего «эффлувиума» — истечения, переходящего с наэлектризованных тел на ненаэлектризованные. Оттого-то, дескать, последние и светятся вблизи наэлектризованных тел. Иногда вместо своей машины со стеклянным шаром Гауксби применял для электризации длинные стеклянные трубки,
Ньютон не оставался равнодушным к демонстрациям электрических явлений. Как и другие члены общества, он с любопытством смотрел на манипулирование хранителя приборов, снисходительно восхищался результатами, но не больше. Главные работы великого физика были уже позади, его больше интересовали вопросы истории, хронологии и… религии. Да и ни у кого из присутствовавших должного энтузиазма не было. Опыты Гауксби не производили такого впечатления, как когда-то, скажем, «пневматические» эксперименты Герике или Бойля и Гуна. Внимание к чуть заметным проявлениям электричества со стороны ученого мира XVIII столетия было весьма недостаточным. После смерти Гауксби эти работы в Лондонском обществе и вовсе захирели.
В середине XVIII столетия экспериментальные исследования новой, неведомой электрической силы перемещаются во Францию.
В Париже в ту пору жил католический священник по имени Жан Антуан Нолле (1700-1770). Принадлежал он к ордену иезуитов, был хорошо образован, начитан и увлекался физикой. Аббат Нолле — именно под таким именем вошел он в историю науки — являлся профессором физики, читал лекции в разных аудиториях, сопровождая их эффектными опытами, не пропускал заседаний Парижской академии, был знаком и переписывался буквально со всеми более или менее известными естествоиспытателями. Его короткую фиолетовую сутану с небольшим воротником хорошо знали в научных кружках. И все-таки настоящим ученым аббат не был. Популяризатором — да, прилежным и добросовестным информатором, увлеченным любителем, кем угодно из околонаучной публики, но не профессиональным ученым, хотя его заслуги перед наукой достаточно велики,
В Северной Европе к полярным сияниям относились спокойнее. «На пазорях матка дурит», — говорили русские поморы, тесно связывая беспокойное поведение компасной стрелки со сполохами. Пазорями называли они сияния, маткой — компас. Не по причине ли частых магнитных возмущений в этих краях устанавливали поморы на побережье Студеного моря кресты из тяжелых бревен? Поперечины этих навигационных знаков указывали точно на магнитный полюс… Потом кресты по указанию царскому срубили и сожгли. Это было время, когда после Столбовского мира в 1617 году со Швецией пришлось России уступить северному соседу Ингрию и Карелию, то есть отказаться от побережья Финского залива. И чтобы «однолично в Сибирь, в Мангазею немецкие люди водяным путем и сухими дорогами ходу не проискали», срубили те кресты. Остались о них лишь воспоминания.
А вот что рассказывает летчик-космонавт Г. М. Гречко, наблюдавший полярное сияние с борта космического корабля: «Тысячи прожекторов выстроились в такие извилистые линии над Америкой и били вверх… У Земли — были зеленого цвета. Сквозь них проходили и выше уходили — красного цвета. Тысячи их там переливались огнями. Внизу — города, вокруг — бьют вот эти прожекторы на высоту 400-500 километров, и мы сквозь эти завесы проходили. Фантастическое совершенно зрелище. За два с половиной месяца полета мы такого еще не видели и вряд ли увидим»[8].
Что же из себя представляют полярные сияния? Знакомые людям с древности, эти явления только в наши дни получили правильное и достаточно полное объяснение. Но для того, чтобы к нему прийти, понадобилась долгая кропотливая работа многих выдающихся ученых. В ней было много гипотез, частью ошибочных, частью неполных. Были и откровенные заблуждения. Лишь после длительного процесса исследований истина победила.
Геомагнетизм. XX век
Гильберт был уверен, что вся Земля состоит из магнитного камня. Так ли это? Можно составить длинный перечень гипотез, предложенных для выяснения земного магнетизма. Причем ученые разбирали этот вопрос, не зная по сути дела ответа на главное: почему магнит — магнит?Гипотезы о происхождении земного магнетизма грубо можно разделить на две части: первая связана е космическим влиянием, вторая — чисто земная. Значительно позже, уже в наше время, богатое компромиссами, появилась третья группа гипотез, согласно которым геомагнетизм и магнетизм вообще есть универсальное св0йство:материи, находящейся в движений.
В современной космогонии отсчет времени жизни космогонической гипотезы с участием электромагнитных сил ведется обычно от 1912 года. Именно тогда известный астроном К. Биркеланд попытался серьезно ввести в механизм образования Солнечной системы эти силы. Поскольку первоначальная туманность должна была во что бы то ни стало состоять из смеси заряженных частиц, Солнце вполне могло сыграть роль «сепаратора» и распределить бестолково летающий вокруг него рой частиц по слоям или кольцам.
Правда, тогда все планеты по своему составу, должны резко отличаться не только друг от друга, но и от оставшихся обломков, залетающих к нам на Землю в виде метеоритов. Между тем метеориты, падающие на Землю, почему-то имеют очень сходный с нею состав… Нет, похоже, что-то в гипотезе Биркеланда оказалось недодуманным.
После окончания второй мировой войны шведский астрофизик Ханнес Альфвен развил предположения, высказанные Биркеландом в начале века. Он предста вил, что туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных частиц, а Солнце обладало сильным магнитным полем. Под действием излучения Солнца и собственных столкновений атомы ионизировались. При этом ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращающийся момент, передавая его газовому облаку.
Правда, и в этом случае атомы более легких элементов ионизировались бы вблизи Солнца, а атомы тяжелых элементов — дальше. Следовательно, и ближайшие к Солнцу планеты должны бы Состоять из наилегчайших элементов, то есть из водорода и гелия, а более отдаленные — содержать железо и никель… Увы, астрономические наблюдения настойчиво говорят об обратном!
Электромагнитные силы должны были играть важную роль в формировании планетной системы, но какую? И вот английский астроном Фред Хойл разрабатывает новый вариант гипотезы…
Сначала, как и полагалось, в недрах огромной туманности, изначально обладавшей магнитным полем, зародилось Солнце. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, похожей на диск. Этот диск постепенно разгонялся, забирая движение у центрального светила. Солнце постепенно притормаживалось. Момент количества движения перешел в основном к диску, в котором образовались позже планеты.
Хойл считал, что момент от Солнца передавался не всем частицам туманности одинаково, а в основном газообразным, которые легче превращались в ионы. В своей работе ученый так и пишет: «Приобретая момент количества движения, планетное вещество удалялось от солнечного сгущения. Нелетучие вещества конденсировались и отставали от движущегося наружу газа. Именно с этим процессом связан тот факт, что планеты земной группы: 1. Имеют малые массы. 2. Почти полностью состоят из нелетучих веществ. 3. Находятся во внутренней части системы».
Подобный механизм, по мнению Хойла, создавал условия для существования возле Солнца некой каменно-железной зоны, которая в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера переходила в область, где, напротив, преобладали вода и аммиак, а дальше… Дальше планеты должны были состоять из веществ еще более легких, чем составные части Юпитера и Сатурна. И вот тут-то получался «прокол», ибо плотность вещества Урана и Нептуна снова растет!
Нет, что и говорить, желание привлечь к образованию Солнечной системы электрические и магнитные силы вполне похвально, но доводы пока не очень убедительны. Следует признать, что даже частичное привлечение электрических и магнитных сил в качестве созидающих при образовании солнечного семейства надежд не оправдало. Здесь еще предстоит работать.
Нельзя не обратить внимания на то, что мы как бы кружим и кружим вокруг этой проблемы, уходим от нее в межпланетное пространство, изучаем магнитные свойства звезд… А причину возникновения магнитного поля собственной Земли так и не знаем.
После работ Эрстеда и Ампера, связавших магнитное поле с электрическим током, исследователи стали искать электрический ток в теле Земли. Кое-кто из исследователей-экспериментаторов. пытался закапывать металлические пластины глубоко в землю и соединять их друг с другом проволокой через гальванометр. При этом бывало, что прибор даже показывал ток. Но какой? Он был ничтожен по величине, и каждыми раз менялся по направлению. Да и непонятно было, отчего ток возникает. Электрический ток — это упорядоченное движение зарядов. Но что способствует накапливанию зарядов в недрах Земли?
Может быть, стоит предположить, что земной шар заряжают молнии? Но и тут расчеты показывали, что грозы не в состоянии поддержать магнитное поле Земли, Его источник следовало искать в недрах, и только в недрах.
В начале XX столетия возникла идея о самонамагничивании Земли. Именно тогда из опытов английского ученого Эрнста Резерфорда стало известно новое строение атомов. Электроны, как волчки, крутились вокруг своих осей и облетали атомное ядро, подобно планетам солнечной системы.
Сразу возникло несколько интересных гипотез, которые основывались на предположении о жидком состоянии земного ядра, состоящего из вещества, хорошо проводящего электрический ток. В таком случае в массе расплавленного металла неизбежны течения, а следовательно, разделение токов, которые должны были намагничивать Землю,
Но для победы этих взглядов не хватало единого мнения геологов и геофизиков в вопросе о состоянии земного ядра. Многие считали его твердым. Конечно, вот если бы сравнить Землю с другими планетами… Но «год спутника» еще не наступил.
Профессор Кембриджского университета и член Лондонского королевского общества Артур Шустер высказал как-то идею: не является ли магнетизм просто свойством всякого вращающегося тела? За разработку этой гипотезы взялся выдающийся русский физик-экспериментатор Петр Николаевич Лебедев, работавший в Московском университете. Он придумал остроумный опыт, изобрел и построил чувствительные приборы, но… результат был нулевым. Тем не менее в статье, описывающей поставленный эксперимент, Лебедев высказал достаточно оптимистические надежды на будущее.
Ученые задумались: а что, если попробовать проделать такой эксперимент — взять металлический стержень и начать его быстро вращать вокруг оси? Согласно законам механики все волчки-электроны немедленно повернутся своими осями в одну сторону, и стержень должен оказаться намагниченным.
В 1919 году американский физик Сэмуел Барнетт поставил описанный опыт и простым вращением нагмагнитил железный стержень! Казалось, все доказано. Разве это не подходящая модель для Земли? С ее-то запасами магнитных металлов внутри?
Увы, и эта модель не выдержала проверки. Зная скорость вращения планеты и распределение в ней магнитных материалов, геофизики сосчитали, что поле должно быть в десять миллиардов раз меньше имеющегося. Опять неудача!
В 1947 году основательно подзабытая гипотеза о самонамагничивании всплывает вновь. Профессор Манчестерского университета Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт, член Лондонского королевского общества, многих других академий наук, в том числе иностранный член АН СССР и лауреат Нобелевской премии, высказывает предположение, что появление магнитного поля вокруг вращающегося тела — закон природы. Он даже выводит теоретическую формулу, позволяющую рассчитать зависимость магнитного поля от вращения тела. И решает поставить эксперимент…
На свободном пространстве в приличном удалении от источников посторонних магнитных полей возводится экспериментальное здание. Строго говоря — это был сарай, собранный без применения железных гвоздей и деталей. Ночью с известными предосторожностями и под охраной к сараю привезли двадцатикилограммовый металлический цилиндр, тускло отсвечивающий желтым цветом. Золото! Да, он был из чистого золота, поскольку это заведомо немагнитный материал.
Блэкетт рассуждал так: двигаясь вместе с Землей, цилиндр из немагнитного металла должен приобрести свое магнитное поле, если… если его предположение верно. Увы, чувствительнейший магнитометр ожидаемого эффекта не показал. Может быть, стоило заставить цилиндр вращаться? Но на Земле наступил космический век, и астрофизики получили новые возможности для проверки старых гипотез.
Космические аппараты совершили настоящую революцию в таких представлениях. Оказалось, что Солнце — источник постоянной межпланетной плазмы, получившей название солнечного ветра. И когда эта плазма взаимодействует с магнитным полем Земли (и других планет), то в околопланетном пространстве возникают своеобразные магнитные полости, которые назвала магнитосферами.
Сегодня мы знаем, что все небесные тела Солнечной системы обладают магнитными свойствами. Одни имеют собственные дипольные поля плюс к магнитным полям потоков солнечного ветра, другие собственных магнитных полей не имеют, но поток солнечной плазмы создает около них локальные магнитные поля, которые можно приближенно, считать наведенными магнитосферами.
Советские автоматические станции опустились на Луну. Если принять на вооружение гипотезу жидкого металлического ядра, то у Луны, у которой такого ядра быть не могло, не должно быть и собственного магниного поля… Так оно и оказалось, наши автоматы это подтвердили. А тем временем стала накапливаться данные и о магнитных полях других планет. Ученые обнаружили, что за время своей жизни наша Земли не раз меняла полярность своего магнитного поля.
Так почему же Земля все-таки магнит? Вопрос не праздный. Магнитное поле нашей планеты отклоняет в полярные области потоки заряженных частиц, образует радиационные поля. Знать это нужно для безопасности космических полетов. Магнитное поле участвует в наземной и космической радиосвязи и радионавигации. Наконец, между состоянием магнитного поля и климатом тоже существует какая-то, пока еще непонятная связь. Так что вопросы о происхождении земного магнетизма, его эволюции и тенденциях людям небезразличны.
Сегодня есть на этот счет несколько гипотез, и какая из них окажется истинной, покажет будущее. Мы стоим на самом пороге вековой тайны. Но кому удастся этот.порог перешагнуть?
Глава 4
Притяжение электрическое, сиречь электризация
Ученые и любители, изучавшие магнитное притяжение, естественно, не могли пройти мимо притяжения электрического. И здесь начало увлечения опытами относится к XVII веку.Уильям Гильберт экспериментировал не только с магнитами, но и с телами электризующимися, то есть приобретающими способность притягивать от трения. Его очень интересовал вопрос: как зависит эта способность от природы тел? Ученый даже сконструировал прибор для измерения силы электризации. Приближая к одному концу стрелки своего электроскопа наэлектризованный предмет, Гильберт наблюдал ее поворот и определял таким образом силу притяжения.
При этом он разделял все тела на два класса — «электрики» и «неэлектрики». К электрикам, то есть к электризующимся телам, оказались отнесенными янтарь, ялмаз, смола, стекло, канифоль, прочие диэлектрики. К классу же «неэлектриков» принадлежали все металлы. Это было понятно. Потому что, натирая их, Гильберт должен был держать металлические предметы в руке и таким образом давал возможность уходить полученным зарядам в землю.
Опыты врача английской королевы по электризации тел особого значения для нарождавшейся науки об электричестве не имели. Более интересны экспериментальные исследования электричества, которыми занимался магдебургский бургомистр Отто Герике, известный нам по школьному курсу физики своими «пневматическими опытами». Работы Герике имеют непосредственное отношение к нашей теме, поэтому остановимся на них более подробно.
В середине XVII столетия обстановка в Германии была удручающей. В раздробленной на многочисленные княжества стране догорали руины Тридцатилетней войны. Войска под разными флагами одинаково вытаптывали поля, грабили и разоряли крестьян, сжигали и разрушали города. Мародеры шведско-французских войск ничем не отличались от своих коллег, поддерживавших имперско-испанские притязания Габсбургов. А население вело непрерывную и ожесточенную партизанскую войну как с теми, так и с другими… Наконец, в 1648 году был заключен Вестфальский договор о мире. Люди смогли вернуться в разрушенные жилища, приступить к их восстановлению. Нужно было пахать и сеять. Жизнь продолжалась…
В старинном торговом городе на Эльбе — Магдебурге у жителей были те же заботы. Город сильно пострадал во время войны. После долгой осады ландскнехты Габсбургов захватили его и полностью разграбили. Они перебили почти все население, а постройки сожгли. Можно сказать, что в мае 1631 года Магдебург был почти полностью разрушен. Грудой руин предстал он перед глазами двадцативосьмилетнего инженера Отто Герике, сына пивовара, когда он вместе с немногими уцелевшими воротился на пепелище.
И тут, как нигде в другом месте и в других обстоятельствах, пригодились образование и профессия молодого инженера. Он взялся за дело. Под его руководством прокладывались новые улицы, возводились мосты. Постепенно, как сказочная птица Феникс, восстал из пепла Магдебург.
Но в город вновь вошли имперские войска и стали на постой. Легко ли горожанам содержать прожорливый гарнизон? И «отцы города» решают послать ко двору молодого Герике, чтобы он уговорил курфюрста отозвать войска и заменить их своими — из горожан…
Сложная миссия увенчалась успехом. И, уверовав в дипломатические способности сына пивовара, горожане избирают его бургомистром. Их не остановило даже то обстоятельство, что Герике много времени отдавал физическим опытам. В конце концов, у всех свои недостатки. Увлечения молодого бургомистра немало помогали Магдебургу. Знатные особы приезжали посмотреть на физические чудеса, которые с большим размахом демонстрировал Герике. А он, в свою очередь, добивался все новых и новых льгот для города.
Некоторые ученые презрительно относились к опытам пивовара. Они говорили, что для Герике внешний эффект важнее результата и уж конечно важнее проникновения в подлинную суть явления. Трудно с этим согласиться.
Познакомившись с описанием свойств янтаря электризоваться, а также узнав, что силою притяжения начинают обладать серные шарики, если их потерять, Герике заказывает стеклодуву большой стеклянный шар величиной с детскую голову. Внутрь он велит налить расплавленную серу, и, когда та застывает, разбивает стекло. Теперь у него в руках большой серный шар, на котором от трения должно собраться больше таинственного электричества, чем на маленьких шариках предшествующих экспериментаторов.
Он насаживает шар на железную ось с рукояткой, укрепляет на станине и с помощником натирает его ладонями. Действительно, после натирания серный шар начинает притягивать пушинки и другие легкие тельца. Причем некоторые из них, пристав к поверхности шара, вращаются с ним вместе наподобие предметов, вращающихся вместе с Землей. Это наблюдение ему еще пригодится.
Продолжая опыты, он заметил, что электризация распространяется по льняной нитке на расстояние в локоть. А сам шар, будучи хорошо натерт, светится, в темноте синеватыми искорками, которые потрескивают, когда гаснут.
Все больше результатов накапливает Герике, тщательно записывая то, что делает. Хорошо бы, конечно, сесть за стол, обдумать все и описать в книге, в кото рой будет только правда. Да вот заботы о городе не оставляют свободного времени.
Постепенно Герике начинает томиться своими обязанностями. Ему хочется больше времени отдавать любимому, делу. Как-то на рейхстаге в Регенсбурге он демонстрировал опыты самому императору и собравшимся курфюрстам. Удостоился похвалы. За научные заслуги император пожаловал ему дворянство, и Герике не без удовольствия прибавил к своей фамилии частицу «фон». Но одновременно какой-то проходимец описал все его приборы и опыты, издав книгу без должного упоминания имени автора экспериментов…
Когда из-под печатного пресса вышла в свет его собственная книга, ему уже исполнилось 70 лет. И все равно Отто фон Герике был счастлив. Он ушел наконец со своего поста бургомистра. Два года спустя в Магдебурге начинается чума, и Герике уезжает из родного города в Гамбург к сыну. Там и умирает он в возрасте 84 лет.
Опыты, описанные фон Герике, стали широко известны, и их повторяли в разных странах. Сила электрического притяжении, свечение искры — все это было ново и загадочно.
В XVII веке, как и ранее, одной из загадок, волновавших просвещенные умы, была проблема происхождения Земли. Нет, теперь уже не одной Земли, а целой Солнечной системы. После работ Коперника, Галилея, Кеплера, наконец, после труда великого Ньютона силы притяжения вошли в обиход науки. Но как, пользуясь только притяжением, сформировать планетную систему? Как заставить материю не слипаться в единый ком, а разделиться на небесные тела?
Нет, одного притяжения здесь было недостаточно. Нужно было изыскать силы отталкивания! И Герике, толстый магдебургский бургомистр, увидел их во взаимодействии наэлектризованных тел. Он так и написал об этом в своем труде. И не его-вина, что люди долгое время не обращали должного внимания на это предположение. Успехи «астрономии тяготения» затмили все иные подходы к теме. Казалось, что законы Ньютона и Кеплера дают поистине безграничные возможности астрономам-вычислителям. И они действительно блестяще справлялись со всеми задачами, которые ставило перед ними время… Вот. только как быть с космогонией? Этой науке для создания строгой, стройной картины образования Солнечной системы по-прежнему недоставало сил отталкивания. И со временем специалисты вновь, уже серьезно вооруженные, обратились к предложениям фон Герике.
По сути дела серный шар на рукоятке в руках магдебургского бургомистра был первой электрической машиной, электростатическим генератором, как сказали бы сегодня. Однако это его изобретение не было подхвачено современниками. Довольно долгое время в каждой стране экспериментаторы сами изобретали и строили электрические машины, как это было, например, в Лондонском королевском обществе.
Отворяется дверь, ведущая во внутренние помещения Грешем-колледжа, и два оператора вносят какой-то станок, похожий на ножное точило. Такая же станина, большое колесо с ручкой, а наверху вместо точильного камня прилажен стеклянный шар, из которого выкачан воздух. Следом за установкой появляется и ее изобретатель, Фрэнсис Гауксби, — демонстратор, подготавливающий опыты для очередных заседаний.
Задергиваются шторы на окнах. В сумрачном помещении становится совсем темно. Один из операторов вращает ручку машины, а Гауксби прижимает ладони к шару… И — о чудо! Натертый шар начинает светиться. Точь в точь как когда-то светились барометрические трубки, заполненные ртутью, при встряхивании. Сколько тогда было споров о природе свечения! Но разве его опыты не доказательство того, что свет есть результат электризации, а не какого-то там светящегося «меркуриального фосфора» в духе алхимиков прошлых веков?
Опыт на этом не кончается. Остановив вращение, экспериментатор подносит к погасшему и темному шару руку. И тотчас же большая, едва ли не в дюйм величиной, голубая искра с треском выскакивает из наэлектризованного прибора и ощутимо клюет поднесенный палец.
Значит, электричество рождает не только силу притяжения, но и искры… Интересно бы узнать: холодные они или горячие? Ученые джентльмены по очереди подносят пальцы к вновь и вновь электризуемому щару и вскрикивают, ощутив укол. Все это чудесно и непонятно. Правда, кто-то вспоминает, что несколько лет тому назад некий доктор Уолл, натерев, янтарь, также извлек из него искру, предположив, что ее свет и треск представляют собой в некотором роде молнию и гром. Но природа атмосферных явлений была в то время совершенно неизвестна людям. Многие продолжали считать молнию вспышкой воспламеняющихся серных паров, накапливающихся в атмосфере. И блестящая догадка Уолла осталась незамеченной. Сам Гауксби подобно своим предшественникам полагал, что заряженные тела являются источниками некоего «эффлувиума» — истечения, переходящего с наэлектризованных тел на ненаэлектризованные. Оттого-то, дескать, последние и светятся вблизи наэлектризованных тел. Иногда вместо своей машины со стеклянным шаром Гауксби применял для электризации длинные стеклянные трубки,
Ньютон не оставался равнодушным к демонстрациям электрических явлений. Как и другие члены общества, он с любопытством смотрел на манипулирование хранителя приборов, снисходительно восхищался результатами, но не больше. Главные работы великого физика были уже позади, его больше интересовали вопросы истории, хронологии и… религии. Да и ни у кого из присутствовавших должного энтузиазма не было. Опыты Гауксби не производили такого впечатления, как когда-то, скажем, «пневматические» эксперименты Герике или Бойля и Гуна. Внимание к чуть заметным проявлениям электричества со стороны ученого мира XVIII столетия было весьма недостаточным. После смерти Гауксби эти работы в Лондонском обществе и вовсе захирели.
В середине XVIII столетия экспериментальные исследования новой, неведомой электрической силы перемещаются во Францию.
В Париже в ту пору жил католический священник по имени Жан Антуан Нолле (1700-1770). Принадлежал он к ордену иезуитов, был хорошо образован, начитан и увлекался физикой. Аббат Нолле — именно под таким именем вошел он в историю науки — являлся профессором физики, читал лекции в разных аудиториях, сопровождая их эффектными опытами, не пропускал заседаний Парижской академии, был знаком и переписывался буквально со всеми более или менее известными естествоиспытателями. Его короткую фиолетовую сутану с небольшим воротником хорошо знали в научных кружках. И все-таки настоящим ученым аббат не был. Популяризатором — да, прилежным и добросовестным информатором, увлеченным любителем, кем угодно из околонаучной публики, но не профессиональным ученым, хотя его заслуги перед наукой достаточно велики,