Загадка магнитного поля

Средневековый мореплаватель деловито втолковывал юнге: магнитная стрелка тянется к полярной звезде, как подсолнечник поворачивается к Солнцу. Это — закон. Сегодня нам известно, что упрямство компасной стрелки — одно из проявлений магнитного поля нашей планеты. А само магнитное поле — проявление чего? Чем оно создано? С тех пор, как Вильям Гильберт, один из самых блестящих физиков XVI века, объявил Землю большим магнитом, не прекращаются попытки найти объяснение этому бесспорному факту. Сам Гильберт считал, что Земля состоит из магнитного камня, вот потому-то…

Позднее предлагались гипотезы о том, что магнитное поле Земли появилось под воздействием магнитного поля Солнца или даже Галактики в целом… Но подсчеты показали, что в этом случае магнетизм Земли был бы несравненно слабее, чем это есть на самом деле.

Потом за объяснением ученые обратились не к космосу, а к земным глубинам. Несколько интересных гипотез связывали магнитное поле Земли с движениями, течениями в массе ее жидкого металлического ядра. При таких движениях, по мнению ряда ученых, должны были возникать электрические токи, постепенно намагничивающие нашу планету. Одно из возражений в том, что эта гипотеза опирается на гипотезу же — состояние земного ядра неизвестно (многие ученые считают, что оно — твердое).

В космос за визой

Словом, гипотез было много. Вот почему с таким нетерпением ждали физики всего мира, что скажут по этому поводу наблюдения лунника. У Луны при ее небольшой массе и низком удельном весе не может быть того жидкого металлического ядра, на которое опираются гипотезы Френкеля и некоторых других ученых. Значит, если там не окажется магнитного поля, многое станет яснее. Надежды сбылись: Луна оказалась непохожей на Землю. Космос давал свою визу «ядерным» теориям магнетизма.

Все, казалось бы, стало на свое место. Но, увы, — ненадолго. Одна космическая ракета временно успокоила физиков, а другая вновь внесла смятение в умы. У Венеры, вопреки всем ожиданиям, магнитное поле оказалось чрезвычайно слабым. Космос брал свою визу обратно.

Это уж выглядело непонятно. Сестра Земли, ее двойник, обладающий почти той же массой и, по-видимому, тем же строением (значит, таким же ядром) вдруг «подвела» ученых. В чем тут может быть дело?

Строение и масса у этих двух планет, насколько нам известно, должны быть сходными. А что, кроме величины магнитного поля, разное? Такое есть. Это — скорость вращения вокруг своей оси. Венерианские сутки, как полагает ряд ученых, по длительности соответствуют нескольким земным месяцам.

И тогда — тогда вспомнили об одной гипотезе, которая была основательно забыта… нет, пожалуй, не забыта, а заброшена. О ней если и заходила речь в последние годы в трудах по астрономии, то только мимоходом.

Все ли волчки — магниты

Начало ей, по-видимому, положил англичанин Шустер. В 1891 году, когда магнитное поле у Солнца еще только подозревалось (по форме его короны), этот ученый предложил выяснить: не является ли всякое вращающееся тело магнитом?

Годы отдал разработке этой гипотезы физик П. Н. Лебедев. Он сделал попытку объяснить появление магнитного поля у вращающегося тела. Лебедев предполагал, что под влиянием центробежной силы отрицательные заряды (то есть электроны) в атомах несколько смещаются перпендикулярно к оси вращения.

В результате тело на поверхности оказывается заряженным отрицательно, что и вызывает появление магнитного поля. Кольцо диаметром в шесть сантиметров делало в опыте Лебедева до тридцати пяти тысяч оборотов в минуту. Но самый чувствительный по тем временам магнитометр не обнаружил появления магнитного поля.

Однако Лебедев закончил статью о своем эксперименте словами уверенности в том, что можно провести новые, более точные опыты, выдвинуть другие, более близкие к истине гипотезы.

Сорок лет спустя

В 1947 году по физическим журналам мира прошла статья англичанина М. С. Блэкета. Объясняя рождение магнитного поля, он не ссылался в ней на законы электродинамики и электростатики, на смещение зарядов в атоме и тому подобное. Он просто предположил, что появление магнитного поля вокруг вращающегося тела — новый закон природы. Казалось бы, это было отступлением перед трудностями. Ведь он попросту отказался объяснить явление, исходя из известных тогда физических законов.

Но в науке это — очень смелый шаг: Лишь в редчайших случаях он бывает оправдан — тогда, когда происходят великие открытия. Так, когда было экспериментально показано, что скорость света не зависит от скорости его источника — это было новым научным фактом. Когда на основе его была построена специальная теория относительности, факт был, так сказать, возведен в ранг закона. Появление, вернее, познание новых законов природы — вещь естественная. Если старые известные законы не могут объяснить новых фактов — приходится искать новые законы.

Блэкет попытался дать формулу зависимости магнитного поля от вращения тел. В его распоряжении были данные о скорости вращения и магнитных полях трех небесных тел — одной планеты и двух звезд. Планета, конечно, Земля. Одна из звезд, разумеется, Солнце. А вторая? В том же 1947 году очень хитрым путем было измерено магнитное поле одного белого карлика, звезды Е 78 из созвездия Девы.

Магнитное поле тела характеризуется его магнитным моментом. Вращение тела, с учетом его размеров и массы, — угловым моментом. Так вот, уже давно было замечено, что магнитные моменты Земли и Солнца относятся друг к другу так же, как их угловые моменты. Белый карлик из созвездия Девы соблюдал эту пропорциональность.

И, наконец, сам коэффициент пропорциональности — отношение магнитного момента тела к угловому — получался весьма привлекательным для ученого. Он был приблизительно равен корню квадратному из гравитационной постоянной, деленному на удвоенную скорость света.

Как хотите, а такие совпадения редко оказываются случайными. Тем более, что магнитный момент Солнца больше магнитного момента Земли в несколько десятков миллионов, а магнитный момент звезды Е 78 – в десятки миллиардов раз. И точно та же пропорция соблюдается у угловых моментов.

Отступление о точности

Впрочем, точно та же — это не совсем верно. Отношения магнитного момента к угловому у Солнца и звезды Е 78 созвездия Девы почти равны, а у Земли — оно, примерно, вчетверо меньше.

Значит, пропорциональность соблюдена природой не так уж точно? Нет, просто физика и астрофизика далеко не всегда те сверхточные науки, какими мы еще за школьной партой привыкаем их считать. В научных статьях по иным разделам физики можно прочесть эпически спокойное замечание «о возможности ошибки в два-три порядка». А ведь это значит — в сто — тысячу раз!

А однажды мне довелось прочесть в научном журнале статью, автор которой отмечал в работе другого ученого ошибку «на десять порядков» — в десять миллиардов раз. И, тем не менее, статья винила в ошибке не столько ученого, сколько чрезвычайную сложность явлений, с которыми он имел дело. К тому же для отклонений Земли от пропорции можно найти объяснения.

Словом, сопоставив все данные измерений, Блэкет предложил считать появление магнитного поля вокруг вращающегося тела новым общим свойством материи. Понятен интерес физиков всего мира к этой работе. И, может быть, его особенно разжигала одна деталь формулы нового гипотетического закона. В нее входили и скорость света (то есть электромагнитных волн вообще) и гравитационная постоянная. Это могло означать, что тут встретились теории полей — гравитационного и электромагнитного. Это подтверждало мысль о их глубоком родстве и единстве.

Гипотеза Блэкета могла стать краеугольным камнем для здания единой теории поля — теории, на попытку создания которой потратил большую часть жизни Альберт Эйнштейн. От этой формулы мог открыться путь к познанию глубочайших основ и законов строения материи.

Блэкет бьет отбой

Но прошло едва пять лет — и гипотеза, которую отстаивали Шустер, Лебедев, Блэкет, поблекла в глазах физиков. И немудрено. Блэкет сам стал проверять свою гипотезу. Со времен Лебедева точность приборов выросла. Вернее — физики научились ставить опыты с достижением большей точности. И вот, в чистом поле — подальше от стальных конструкций города, от всего, что может вызвать «чужие» магнитные поля — строится специальное здание. Попросту почти сарай — неприхотливое сооружение без каких-либо железных деталей.

Для эксперимента нужно тело из немагнитного материала. Им становится двадцатикилограммовый золотой цилиндр. К нему подносится чувствительнейший магнитометр. Цилиндр, конечно, вращается? Нет. Блэкет считает, что вполне достаточно вращения цилиндра вместе с Землей.

Два года уходит на подготовку и проведение опыта: время — почти самое дорогое в современном физическом эксперименте. И — ничего. Магнитного поля у цилиндра не обнаружено. А чувствительность опыта позволяла заметить поле в одну десятимиллиардную долю гаусса. Этого было бы достаточно, если бы формула Блэкета была справедлива.

Статья Блэкета, которая появилась в результате опыта, была гораздо длиннее знаменитой его статьи 1947 года. Но смысл ее сводился к следующему: тонко поставленный эксперимент опроверг теоретические предположения экспериментатора. Гипотеза «покончила самоубийством». Большинство ученых не сомневалось, что ей уже не воскреснуть, хотя признавалось это не без оговорок. Но…

Союзники из космоса

Но начался космический век человечества. И вслед за Шустером, Лебедевым и Блэкетом в защиту гипотезы, о которой мы рассказываем, выступили сначала Венера, а потом и сам Юпитер.

У Венеры почти нет магнитного поля. А Юпитер? Он обнаружил магнитное поле, которое удалось даже измерить. Ракета туда, как известно, не посылалась, но во время одной вспышки на Солнце ученые сумели «проследить» путь потока его излучения к Юпитеру. А потом исследователи приняли родившиеся при взаимодействии солнечной радиации и магнитного поля Юпитера радиоволны. По их мощности и прикинули, каково оно, это магнитное поле. А масса Юпитера, скорость его вращения и еще кой-какие нужные детали были известны раньше.

И снова: если разделить магнитный момент Юпитера на его угловой момент… Представьте себе: отношение оказалось довольно близким к тому же числу Блэкета. Такое совпадение у двух звезд и двух планет, да еще загадка Венеры, — тут уж трудно представить себе, чтобы все это было делом случая, фокусом теории вероятности. Но… что же тогда произошло в лаборатории Блэкета? Ошибка? Описание опыта говорит, что для нее не оставалось места.

Факты противоречат друг другу. «Помирить» их можно двумя способами. Во-первых, теория вероятности вовсе не запрещает самые удивительные совпадения. Она говорит только о редкости и малой вероятности их. Но известен же такой официально запротоколированный случай, когда при сдаче карт каждому из четырех партнеров досталось целиком по одной масти — от шестерки до туза! Однако такое рассуждение, говоря по совести, очень похоже на бегство от фактов. Так, во всяком случае, мне кажется.

Ну, а второй способ? Знаете, а ведь Блэкету, наверное, надо было все-таки заставить цилиндр вращаться. Рассуждения физиков, стоящих на этой точке зрения, можно пересказать примерно так. Известно, что у электрического заряда возникает при движении магнитное поле. Так вот его, это поле, согласно так называемому закону Био и Савара, нельзя обнаружить, если двигаться вместе с зарядом. Может быть, что-то похожее происходит и здесь, когда магнитное поле возникает при вращении тела? Ведь Блэкет и его приборы вместе с самим золотым цилиндром вращались вокруг земной оси.

Правда, мы с Вами, двигаясь вместе с поверхностью Земли, можем пользоваться компасом, то есть замечаем земной магнетизм. Видимо, кроме эффекта вращения магнетизм вызван чем-то еще — во всяком случае, на Земле. Одно другому не мешает. Кстати, Блэкет собирался, окончив опыт с неподвижным цилиндром, поставить второй эксперимент, в котором хотел заставить его вращаться. Но, как он сам писал, после неудачи охладел к этой идее.

И, может быть, зря. Может быть, но не наверняка. Пока вопрос остается открытым. Нужны новые опыты и новые факты. И не только на Земле. Эй, на Марсе, как у вас там с магнитным полем?

Автор: Р. Подольный.