Текст книги "Чудеса: Популярная энциклопедия. Том 2"

Автор книги: Владимир Мезенцев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 45 страниц)

И сказка стала былью

Среди множества историй о «волшебных» свойствах магнитных камней более всего волновали воображение людей рассказы о необычайной силе этого феномена природы. Древнегреческий географ Клавдий Птолемей писал, например, что неподалеку от нынешнего острова Борнео существуют горы, «обладающие огромной силой притяжения, поэтому обшивка кораблей должна крепиться деревянными гвоздями, так как железные будут вырваны из дерева» и произойдет катастрофа. Эту легенду заимствовал Жюль Верн. Вот как он пересказал ее в своем романе «Ледяной сфинкс»:

«Паракута» теперь двигалась с изумительной быстротой. Вдруг якорь, снятый с Гальброна и положенный на носу нашей лодки, соскочил со своего места вперед и натянул канат, которым он был привязан, так что тот чуть не лопнул… Казалось, будто якорь двигался по воздуху сам по себе и тянул на буксире за собой лодку все ближе к берегу.

Боцман бросился перерезать канат, но нож, бывший у него в руках, какой-то силой был вырван, в то же время лопнул канат, и якорь и нож с огромной быстротой полетели к чудесному утесу. Все железные предметы, находившиеся в лодке, выскакивали и летели вслед за якорем.

Когда люди высадились на берег, около этого чудесного утеса, они увидели еще более необыкновенную картину: сбоку утеса, на высоте двух метров над землей, висел труп человека. За спиной его находилось на перевязи ружье, уже изъеденное ржавчиной. За это ружье магнитный утес и удерживал мертвого человека. Как видно, он не успел скинуть ружья и магнит притянул его к себе с такой огромной силой, что человек не смог оторваться от скалы и умер от голода…»

Не правда ли, впечатляющая картина?

Но возможно ли такое?

Ответ однозначен: все это не более чем чудо из сказки.

Однако действительность, как бывает не так уж редко, теперь затмила сказку. Подлинные чудеса, рожденные человеческим разумом, оказались куда более удивительными и в то же время полезными. Профессор физики X. К. Эрстед читал студентам Копенгагенского университета лекцию о тепловом действии электрического тока. Она прошла бы, как обычно, с успехом – тема лекции в те времена привлекала неизменное внимание, – если бы не вмешательство «его величества» случая. Рядом с проволочкой, которую нагревали током, оказался магнит. Как только включили ток, стрелка резко отклонилась в сторону. Один из студентов обратил на это внимание профессора. Эрстед понял всю важность факта. Электрический ток порождает магнитное поле! Это было открытие давно искомой связи магнетизма и электричества.

Так в истории науки был сделан первый шаг в область электромагнетизма, давший технике целый ряд блестящих изобретений за последние сто пятьдесят лет.

Уже буквально через несколько дней Араго и Ампер, известные физики Франции, создали новый прибор, в котором электрический ток порождал магнитное поле. Он был совсем прост. Каждый из читателей может проверить свои конструкторские способности. Изготовьте из медной проволоки спираль и пустите в нее постоянный ток от батареи; спираль будет подобна обычному магниту – вокруг нее возникает магнитное силовое поле. На одном конце спирали появится северный магнитный полюс, на другом – южный. Как и магнит, спираль притягивает железные предметы.

Включите электрический ток, и все магнитные свойства у спирали исчезают. Увеличивая или уменьшая силу тока, можно изменять силу магнитного притяжения в электромагните. Если в спираль поместить железный сердечник, то при включении тока он становится также магнитом, сила электромагнита значительно возрастает.

Уже через пять лет после открытия Эрстеда, в 1825 году английский электротехник-изобретатель У. Стерджен показал ученому миру небольшой электромагнит, весом двести граммов, который держал своими невидимыми руками груз в восемнадцать раз более тяжелый. Такой силе мог позавидовать любой природный магнит. Через пятнадцать лет Стерджен, продолжавший совершенствовать свое детище, создал электромагнит, который поднимал пятьсот пятьдесят килограммов. Сконструированный в том же году Джоулем (именем которого названа единица энергии) электромагнит поднимал груз уже весом в одну тысячу триста килограммов. А затем пошли совсем сказочные цифры. В XX столетии появились электромагниты, способные удержать в своих мощных «щупальцах» десятки тонн груза!

Чтобы яснее представить себе магнитное чудо современной техники, достаточно сказать, что они способны генерировать мгновенные магнитные поля, превосходящие земное в десятки миллионов раз. Такие сверхсильные поля позволяют исследователям проникать в самые глубинные тайны материи. Магниты-гиганты дали путевку в жизнь науке о сверхпроводимости. Они пишут сейчас новую главу в истории энергетики. Великое множество больших и малых магнитов трудится ныне на Земле и в космосе – в приборах, аппаратах, машинах – всюду, где есть техника.

С помощью электромагнита врач извлекает попавшие в глаз металлические соринки. В цеху «магнитные руки» легко переносят по воздуху многотонные заготовки металла. Без магнитов замолчат телефонная трубка, радиоприемник, телевизор… В лабораторию поступила только что изготовленная лопатка для турбины. Если в ней есть хотя бы самые ничтожные трещинки или пустоты, при работе турбины лопатка может выйти из строя. Необходима тщательная проверка.

Лопатку намагничивают при помощи сильного электрического тока и поливают керосином, смешанным с мелкими железными опилками. Если в детали имеются раковины или трещины, они будут сразу же обнаружены: железные опилки прильнут к ним и точно укажут, где находятся дефекты, каков их вид.

Низко над землей летит самолет-разведчик. На борту работает магнитный прибор, способный «видеть» под землей. Перо прибора записывает на движущейся бумажной ленте кривую линию, отмечая малейшие изменения магнитного поля участков земли, над которым пролетает самолет. Равномерно вращается небольшой барабан, на который наматывается бумажная лента, на ней тянется извивающаяся линия. Но вот перо магнитометра делает резкий скачок, один другой… На бумаге появляется ломаная, зигзагообразная линия. Значит, где-то недалеко в том районе, над которым летит самолет, находятся залежи магнитных руд… Как уже говорили, в старинных хрониках Китая писали о магнитных воротах, не пропускавших вооруженных людей. Трудно поверить (и тем более нельзя проверить) в существование столь бдительного стража. Природные магниты обладают ограниченными возможностями. Иное дело – современные магнитные приборы. Теперь во многих международных аэропортах «магнитные стражи» действительно следят за тем, не проносит ли кто с собой спрятанное под одеждой оружие. Преданья старины глубокой приписывали магнитам способность помогать ворам-взломщикам. Этот вымысел невольно вспоминаешь, знакомясь, как в наши дни магнит помогает изобличать преступников. Известно, что в поисках человека, совершившего преступление, большую помощь оказывают оставшиеся следы, в частности, отпечатки пальцев. Однако на практике часто эти отпечатки очень слабы. Криминалист В. Сорокин предложил вместо давно известного способа опыления оставленных следов цветными порошками использовать некое подобие магнитной кисти. Это небольшой магнит, полюс которого перед опознанием следов опускают в железные опилки и затем как бы раскрашивают ими исследуемую поверхность: притянутые к полюсу мельчайшие опилки металла прилипают к потожировым отпечаткам пальцев преступника и след их становится достаточно контрастным для дактилоскопического исследования.

Что же это такое?

Какова природа магнетизма? Согласитесь, что вряд ли можно удовлетвориться ответом: «Магнетизм – одно из основных свойств материи». Конечно, мы уже знаем многое об этом универсальном свойстве природы. Однако сама сущность его – ответ на главный вопрос, почему магнит притягивает, – остается все еще вопросом.

Каждый магнит имеет два полюса магнитных сил – северный и южный. Этот факт наводил на мысль, что в полюсах магнита скапливается особое «магнитное вещество», на одном конце – вещество южного магнетизма, на другом – северного. Однако совсем несложные опыты отвергают такой вывод. Если предположить, что в полюсах находится какое-то «магнитное вещество», то, разрезав магнит пополам, мы можем разделить вещество южного и северного магнетизма, получить один магнит с северным магнитным полюсом, а другой – с южным. Но сколько бы мы ни разрезали магнит, у каждой даже самой маленькой его частички снова появляются два полюса.

Заметим попутно, что многие физики не оставляют надежды обнаружить в природе или получить в эксперименте одиночный магнитный полюс – монополь. Об этом писал еще в 1931 году известный английский физик-теоретик П. А. М. Дирак. Подобно электрону – носителю электрического заряда, в природе, утверждал он, должна существовать элементарная частица магнитного заряда. В 1975 году американские физики как будто обнаружили в космических лучах след такой частицы. Дальнейшая проверка не подтвердила этого. Между тем открытие магнитного монополя несомненно стало бы сенсацией в физике. «Двухполюсность» магнетизма прослеживается и на молекулярном уровне. Каждый атом, каждая молекула по сущности – микромагнитик. Чаще всего эти элементарные диполи располагаются хаотически – северные и южные полюсы у них направлены в разные стороны, и магнитные силы этих магнитиков как бы уничтожают друг друга. Но бывает так, что все элементарные магнитики в веществе выстраиваются в относительном порядке – северные полюсы предпочтительно в одну сторону, южные – в другую. Вот тогда в пространстве, окружающем тело, и возникает магнитное силовое поле.

Перед нами – магнит. Поднесем к нему железный гвоздь. Под действием поля частицы железа, расположенные прежде беспорядочно, повернутся параллельно друг к другу, и гвоздь сам становится магнитом. Против южного полюса у него возникает северный магнитный полюс, а против северного – южный. Разноименные магнитные полюсы, как мы уже знаем, притягиваются. Вот почему железный гвоздь и притягивается магнитом. Исследования, проведенные учеными, показали, что намагничиваются все тела – твердые, жидкие и газообразные. Но у большинства веществ степень намагничивания очень невелика – их магнитные свойства можно заметить только при помощи приборов. Скажем, олово, титан, платина притягиваются к магниту, но сила их притяжения в сотни тысяч раз меньше, чем у железа или стали. В чем же секрет?

В том, что далеко не у всех веществ атомы обнаруживают свои магнитные свойства. Атом тоже сложная частица материи: вокруг центрального тяжелого ядра в нем вращаются элементарные электрические заряды – электроны.

Все составляющие атома, находясь в движении, создают вокруг себя магнитное поле, или, как говорят, обладают определенным магнитным моментом. Складываясь, отдельные поля образуют общий магнитный момент атома, который, однако, у разных атомов различен. Если у ферромагнетиков, к которым относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, каждый атом – магнит в миниатюре, то у других веществ магнитные моменты атомов близки или почти равны нулю. Взаимодействия атомов-магнитиков в различных веществах также различны. Отсюда – разнообразие в магнитных свойствах у разных тел.

Кроме того, у ферромагнетиков независимо от внешнего магнитного поля отдельные атомы объединены в большие группы – домены – с одинаковым направлением магнитных моментов. Другими словами, в ферромагнитных веществах всегда существуют намагниченные участки. Их называют также областями самопроизвольной намагниченности. В каждой такой области – миллиарды атомов.

Пока на ферромагнетик не действует внешнее магнитное поле, он не проявляет свойств магнита – магнитные моменты доменов нейтрализуют друг друга (значительную роль тут играет тепловое движение атомов). Но зато, попав в поле внешних магнитных сил, такое вещество легко становится магнитом, причем его свойства сохраняются и тогда, когда воздействие внешнего поля снято. Это означает, что какая-то часть доменов остается ориентированной, не возвращается в хаотическое состояние.

Интересно, что в микроскоп можно воочию увидеть перестройку доменов при намагничивании: сначала беспорядок сменяется порядком, а затем, когда снимается внешнее поле, порядок снова нарушается. Можно даже услышать этот процесс. Каким образом? Поместите внутрь небольшой проволочной катушки стальной сердечник, присоедините катушку к мощному динамику, а затем поднесите к катушке магнит. Сталь ответит звуками, словно в жестяную банку падают мелкие камешки. Это перестраиваются в металле домены… Пока мы говорили о так называемых парамагнитных телах. Но кроме них есть и такие вещества, которые не притягиваются, а отталкиваются от магнита. К ним относятся, например, серебро, висмут. Это так называемые диамагнетики. В чем причина здесь? Когда мы намагничиваем железо, в нем возникают разноименные с магнитом полюсы: против северного полюса появляется всегда южный полюс. А у висмута или золота все наоборот – у северного полюса магнита возникает северный полюс, а у южного – южный. Вот почему диамагнетики и отталкиваются от магнита.

Такова в самой общей и довольно упрощенной форме «механика» магнитных взаимодействий. Как уже говорилось, во многом еще это «чудесное» свойство материи не выяснено с достаточной полнотой. И несомненно наука о магнетизме откроет в этом явлении еще немало удивительных вещей, которые – при желании! – всегда можно истолковать как чудо.

Наверное, многие из моих читателей помнят старую школьную шутку об электричестве. Профессор, экзаменуя студента первого курса, спрашивает: «Что такое электричество?» Обрадованный «легким» вопросом, парень быстро отвечает: «Ну это очень просто. Электрический ток представляет собой направленное движение электронов…» и т. д. «Завидую вам, – с легкой иронией говорит профессор, – вы единственный человек в мире, который знает, что такое электричество». Аналогичную картину можно себе представить и с магнетизмом. «Магнетизм? Ну это же так просто…»

Ключ к прошлому

Археолог бережно поднял из отвала сосуд, созданный из глины много веков назад безвестным мастером. Очистил его мягкой щеткой от остатков земли. О чем может рассказать ученому эта находка?

Об очень многом. И в том числе о магнитном поле Земли в далеком прошлом.

Не торопись спрашивать, зачем это нужно. Изучая природные процессы во времени, ученый получает в свои руки более обширные и объективные данные, а это нередко приводит к пересмотру даже фундаментальных взглядов.

Уже давно было замечено: магнитные полюсы нашей планеты далеко не постоянны. Точнее сказать, это вечные бродяги.

Вот только одно наблюдение. За шесть лет (1948–1954) северный магнитный полюс переместился почти на полтораста километров ближе к географическому полюсу. И такие смещения идут постоянно. Ученые убедились в этом, когда стали проверять местонахождение магнитных полюсов в прошлом. Помогли старинные карты, составленные по магнитным координатам. Координаты менялись. И не как-нибудь, а подчиняясь определенной закономерности. Выяснилось, что за последние пять-шесть веков магнитные полюсы планеты совершили путешествие по большому кругу, причем сейчас они завершают цикл.

Возникает вопрос: а что было тысячи и десятки тысяч лет назад? Как путешествовали магнитные полюсы Земли тогда, когда на земном шаре еще не было человека? Казалось бы, необыкновенно трудная, возможно неразрешимая задача. Но для науки рискованно устанавливать пределы ее возможностей! По существу вся история научного познания представляет собой не что иное, как бесконечный ряд побед над теми, кто ограничивал и ограничивает могущество человеческого познания. Нашелся «ключик» и к магнитному прошлому нашей планеты.

Впрочем, пора уточнить, зачем же все-таки нужно ломать нам голову над трассами магнитных «бродяг». Ответ здесь не столь труден, как кажется.

Как уже говорилось, все мы живем в магнитном поле Земли. От его состояния зависят многие и многие природные явления и процессы. Магнитное поле оказывает несомненное влияние на живые организмы (об этом мы будем говорить дальше). Поэтому знать закономерности столь всеобъемлющего явления, как магнетизм земного шара, значит суметь разобраться во множестве других, самых различных вопросов, которые связаны с магнитным полем Земли и ждут от науки ответа.

Между тем, изучая магнетизм планеты, ученые сталкиваются с целым рядом загадок. Например, многолетние наблюдения напряженности магнитного поля показывают, что в разных местах она изменяется по-разному. Особенно интенсивны такие изменения в горных районах, подверженных землетрясениям. Почему? Понятно, насколько важно найти здесь ответ. Пока же можно лишь предположить, что подобная закономерность каким-то образом связана с самой природой земного магнетизма и с намагниченностью глубинных пород Земли. В изменениях магнитной напряженности ясно просматриваются также суточные и годовые циклы. Тут объяснение лежит на поверхности. Как видно, на магнетизм Земли влияет ее вращение и наша звезда – Солнце. А почему вообще земной шар – магнит? И чем магнитное поле Земли отличается от магнетизма на других небесных телах? С какими неожиданностями могут встретиться космонавты в своих полетах? Как улучшить службу «магнитной погоды»? Наконец, какие изменения в магнитном поле Земли мы можем ожидать в будущем?

Вопросов, как видите, предостаточно. И прояснить их может путешествие в магнитное прошлое Земли.

Сквозь тьму времени

Миллионы лет назад, как и в наши дни, на Земле происходили вулканические извержения. Выброшенные из недр расплавленные породы застывали потоками лавы. А в ней-то и сохраняются интересующие нас сведения.

В магме содержатся соединения железа, способные намагничиваться. При извержении, пока лава раскалена, этого не происходит. Высокая температура, как известно, размагничивает тела. Тепловое движение атомов нарушает в металле установленный полем порядок. Но как только лава начинает остывать, соединения железа приобретают свою прежнюю способность намагничиваться. И тогда магнитное поле Земли накладывает на изверженные породы свою четкую печать: намагниченные частицы вещества располагаются уже не хаотично, а вдоль силовых линий поля.

Теперь нам остается определить направление намагниченности у образца, взятого на месте древнего извержения. Узнав это, не трудно вычислить, где находились тогда магнитные полюсы Земли. Одновременно соответствующими методами определяют, когда произошло извержение.

Такой способ расшифровки магнитной летописи планеты не единственный. «Запоминать» местонахождение магнитных полюсов могут и осадочные породы. Опускаясь на дно Мирового океана, частицы стремятся расположиться также вдоль силовых линий Земли-магнита.

Наконец, на века и тысячелетия «консервируется» магнетизм в глиняных сосудах и строительных кирпичах. Ведь глина содержит минералы, способные намагничиваться.

Правда, кирпичи далеко не железные магниты. Обнаружить их намагниченность можно лишь с помощью высокочувствительных приборов. Но такие приборы теперь уже существуют. Изучая характер намагниченности глиняных изделий тысячелетней давности, ученые с уверенностью определяют, как путешествовали магнитные полюсы Земли в прошедшие века нашей истории. Даже небольшой обломок древней амфоры, найденный при раскопках, может рассказать многое. При этом, однако, нужно твердо знать, в каком положении по отношению к сторонам света находилась амфора при ее обжиге.

Вот, например, какая удача ожидала палеомагнитологов на развалинах древнего Карфагена. Римские легионы завоевали и разрушили этот город в 146 году до н. э. При раскопках ученые обнаружили гончарные мастерские, а в печах лежали еще не вынутые глиняные горшки, – они обжигались в тот самый день, который стал для Карфагена последним.

И точная дата изготовления находки, и ее первозданное положение были вне сомнений.

К сожалению, далеко не всегда бывает так. Не раз и не два новый метод преподносил исследователям сюрпризы. Например, в одной и той же постройке прошлых веков вдруг обнаруживают кирпич различного возраста. Почему? Причина проста: древние зодчие высоко ценили этот строительный материал. Поэтому из старых, разрушившихся зданий кирпичи перекочевывали в новые, построенные порой совсем в другое время.

Случалось и так: магнитики, скрытые в древних по всем данным кирпичах, вдруг показывают чуть ли не XX век. Разгадку принесли исторические записи – оказывается, старинное здание сильно пострадало уже в недавнее время от пожара, и кирпичи перемагнитились. Все это нужно учитывать, об этом помнить, чтобы быть уверенным в выводах. Сомнение и еще раз сомнение – таков непреложный принцип ученого.

О чем же поведала магнитная летопись планеты?

Французский исследователь Э. Телье проследил поведение магнитных полюсов на протяжении сотен миллионов лет. И установил, что около полутора-двух миллиардов лет назад северный полюс магнитных сил Земли располагался в центральной части Северной Америки, где-то, если посмотреть на современную карту, в штате Колорадо. Отсюда он неуклонно перемещался в направлении Тихого океана.

Прошло около миллиарда лет, и полюс оказался посреди океана. Триста миллионов лет назад магнитный полюс достиг японских берегов, а отсюда двинулся в более высокие Щироты.

За сто пятьдесят – сто восемьдесят миллионов лет до наших дней полюс путешествовал уже в районе нынешнего Владивостока, сорок – пятьдесят миллионов лет назад достиг Ледовитого океана, а сейчас приближается к берегам Северной Америки, как бы завершая свое великое кругосветное путешествие, длящееся миллионолетия. Еще большей неожиданностью явилось другое открытие: поле Земли не только непрестанно изменяется в пространстве, оно меняет и свою полярность. Северный магнитный полюс неоднократно становился южным, а Южный – северным! И совершалось это с точки зрения геологической истории «мгновенно».

За последние пять – десять миллионов лет изменения полярности (инверсии) происходили в среднем через каждые сто шестьдесят тысяч лет. Были, однако, и такие периоды, когда поле не меняло свой знак в течение двадцати миллионов лет. И еще одно интригующее открытие сделали палеомагнитологи. Обнаружилось, что напряженность земного магнитного поля тоже не остается постоянной. Кирпичи, обожженные в XV веке, свидетельствует Телье, значительно более намагничены, чем кирпичи, изготовленные в XX веке.

Советские ученые исследовали также археологические находки, взятые в древнем Новгороде и старом Самарканде И пришли к согласию: сила магнитного поля Земли за последние столетия резко ослабевает. Расчеты показали, что если все пойдет так и дальше, то уже через четыре тысячи лет Земля размагнитится совсем! Трудно даже представить себе, что произойдет тогда на нашей планете. Сохранится ли на ней жизнь?

Столь мрачные прогнозы оказались, однако, преждевременными. Новые исследования «археологических горшков», относящихся к медному веку, дали новые результаты: три-четыре тысячи лет назад напряженность земного поля была такой же. что и сейчас.

Значит, на Земле не только путешествуют ее магнитные полюсы, само поле как бы пульсирует в веках, резко изменяя свою силу.

Исследование вековых колебаний планетного магнетизма – теперь одна из основных забот ученых. Задача их ясна: научиться предсказывать величину изменений поля с точностью, необходимой для составления магнитных карт, и, анализируя данные наблюдений, искать и искать всеобъемлющий ответ на вопрос: какова природа геомагнетизма.