Загадка магнітного поля
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Середньовічний мореплавець діловито втовкмачував юнзі: магнітна стрілка тягнеться до полярної зірки, як соняшник повертається до Сонця. Це – закон. Сьогодні нам відомо, що впертість компасної стрілки – один із проявів магнітного поля нашої планети. А саме магнітне поле – прояв чого? Чим воно створене? З тих пір, як Вільям Гільберт, один з найблискучіших фізиків XVI століття, оголосив Землю великим магнітом, не припиняються спроби знайти пояснення цьому безперечного факту. Сам Гільберт вважав, що Земля складається з магнітного каменю, ось тому-то…
Пізніше пропонувалися гіпотези про те, що магнітне поле Землі з’явилося під впливом магнітного поля Сонця або навіть Галактики в цілому… Але підрахунки показали, що в цьому випадку магнетизм Землі був би незрівнянно слабкіше, ніж це є насправді.
Потім за поясненнями вчені звернулися не до космосу, а до земних глибин. Кілька цікавих гіпотез пов’язували магнітне поле Землі з рухами, течіями в масі її рідкого металевого ядра. При таких рухах, на думку ряду вчених, повинні були виникати електричні струми, поступово намагнічуючі нашу планету. Одне із заперечень в тому, що ця гіпотеза спирається на гіпотезу ж – стан земного ядра невідомий (багато вчених вважають, що він – твердий).
В космос за візою
Словом, гіпотез було багато. Ось чому з таким нетерпінням чекали фізики всього світу, що скажуть з цього приводу спостереження місячника. У Місяця при його невеликій масі і низькій питомій вазі не може бути того рідкого металевого ядра, на яке спираються гіпотези Френкеля і деяких інших вчених. Значить, якщо там не виявиться магнітного поля, багато що стане ясніше. Надії збулися: Місяць виявився несхожим на Землю. Космос давав свою візу «ядерним» теоріям магнетизму.
Все, здавалося б, стало на своє місце. Але, на жаль, – ненадовго. Одна космічна ракета тимчасово заспокоїла фізиків, а інша знову внесла сум’яття в уми. У Венери, всупереч всім очікуванням, магнітне поле виявилося надзвичайно слабким. Космос брав свою візу назад.
Це вже виглядало незрозуміло. Сестра Землі, її двійник, що володіє майже тієї ж масою і, мабуть, тою же будовою (значить, таким же ядром) раптом «підвела» вчених. У чому тут може бути справа?
Будова і маса у цих двох планет, наскільки нам відомо, повинні бути подібними. А що, крім величини магнітного поля, різне? Таке є. Це – швидкість обертання навколо своєї осі. Венеріанська добу, як вважає ряд вчених, по тривалості відповідає декільком земним місяцям.
І тоді – тоді згадали про одну гіпотезу, яка була ґрунтовно забута… ні, мабуть, не забута, а занедбана. Про неї якщо й заходила мова в останні роки в працях з астрономії, то тільки мимохідь.
Чи всі волчки – магніти
Початок їй, мабуть, поклав англієць Шустер. У 1891 році, коли магнітне поле у Сонця ще тільки підозрювалося (за формою його корони), цей вчений запропонував з’ясувати: чи не є всяке тіло, що обертається магнітом?
Роки віддав розробці цієї гіпотези фізик П. М. Лебедєв. Він зробив спробу пояснити появу магнітного поля у обертового тіла. Лебедєв припускав, що під впливом відцентрової сили негативні заряди (тобто електрони) в атомах дещо зміщуються перпендикулярно до осі обертання.
В результаті тіло на поверхні виявляється зарядженим негативно, що і викликає появу магнітного поля. Кільце діаметром в шість сантиметрів робило в досліді Лебедєва до тридцяти п’яти тисяч обертів на хвилину. Але самий чутливий на ті часи магнітометр не знайшов появи магнітного поля.
Однак Лебедєв закінчив статтю про свій експеримент словами впевненості в тому, що можна провести нові, більш точні досліди, висунути інші, ближчі до істини гіпотези.
Сорок років після
У 1947 році по фізичним журналам світу пройшла стаття англійця М. С. Блекета. Пояснюючи народження магнітного поля, він не посилався в ній на закони електродинаміки і електростатики, на зміщення зарядів в атомі тощо. Він просто припустив, що поява магнітного поля навколо обертового тіла – новий закон природи. Здавалося б, це було відступом перед труднощами. Адже він просто відмовився пояснити явище, виходячи з відомих тоді фізичних законів.
Але в науці це – дуже сміливий крок: Лише в рідкісних випадках він буває виправданий – тоді, коли відбуваються великі відкриття. Так, коли було експериментально показано, що швидкість світла не залежить від швидкості його джерела – це було новим науковим фактом. Коли на основі його була побудована спеціальна теорія відносності, факт був, так би мовити, зведений у ранг закону. Поява, вірніше, пізнання нових законів природи – річ природна. Якщо старі відомі закони не можуть пояснити нових фактів – доводиться шукати нові закони.
Блекет спробував дати формулу залежності магнітного поля від обертання тіл. У його розпорядженні були дані про швидкість обертання і магнітні поля трьох небесних тіл – однієї планети і двох зірок. Планета, звичайно, Земля. Одна із зірок, зрозуміло, Сонце. А друга? У тому ж 1947 році дуже хитрим шляхом було виміряно магнітне поле одного білого карлика, зірки Е 78 із сузір’я Діви.
Магнітне поле тіла характеризується його магнітним моментом. Обертання тіла, з врахуванням його розмірів і маси, – кутовим моментом. Так ось, вже давно було відмічено, що магнітні моменти Землі і Сонця відносяться один до одного так само, як їхні кутові моменти. Білий карлик із сузір’я Діви дотримувався цієї пропорційності.
І, нарешті, сам коефіцієнт пропорційності – відношення магнітного моменту тіла до кутового – виходив досить привабливим для вченого. Він був приблизно рівний кореню квадратному з гравітаційної постійної, поділений на подвоєну швидкість світла.
Як хочете, а такі збіги рідко виявляються випадковими. Тим більше, що магнітний момент Сонця більше магнітного моменту Землі в кілька десятків мільйонів, а магнітний момент зірки Е 78 – в десятки мільярдів раз. І точно та ж пропорція дотримується у кутових моментів.
Відступ про точність
Втім, точно та ж – це не зовсім вірно. Відносини магнітного моменту до кутового у Сонця і зірки Е 78 сузір’я Діви майже рівні, а у Землі – вони, приблизно, вчетверо менше.
Значить, пропорційність дотримана природою не так вже точно? Ні, просто фізика і астрофізика далеко не завжди ті надточні науки, якими ми ще за шкільною партою звикаємо їх рахувати. У наукових статтях по деяким розділам фізики можна прочитати епічно спокійне зауваження «про можливість помилки в два-три порядки». А адже це означає – в сто – тисячу разів!
А одного разу мені довелося прочитати в науковому журналі статтю, автор якої зазначав у роботі іншого вченого помилку «на десять порядків» – в десять мільярдів разів. І, тим не менш, стаття винуватила в помилці не стільки вченого, скільки надзвичайну складність явищ, з якими він мав справу. До того ж для відхилень Землі від пропорції можна знайти пояснення.
Словом, зіставивши всі дані вимірювань, Блекет запропонував вважати появу магнітного поля навколо обертового тіла новою загальною властивістю матерії. Зрозумілий інтерес фізиків всього світу до цієї роботи. І, можливо, його особливо розпалювала одна деталь формули нового гіпотетичного закону. До неї входили і швидкість світла (тобто електромагнітних хвиль взагалі) і гравітаційна стала. Це могло означати, що тут зустрілися теорії полів – гравітаційного та електромагнітного. Це підтверджувало думку про їх глибокому спорідненість і єдність.
Гіпотеза Блекета могла стати наріжним каменем для будівлі єдиної теорії поля – теорії, на спробу створення якої витратив більшу частину життя Альберт Ейнштейн. Від цієї формули міг відкритися шлях до пізнання найглибших основ і законів будови матерії.
Блекет б’є відбій
Але пройшло ледь п’ять років – і гіпотеза, яку відстоювали Шустер, Лебедєв, Блекет, зблякла в очах фізиків. І не дивно. Блекет сам став перевіряти свою гіпотезу. З часів Лебедєва точність приладів виросла. Вірніше – фізики навчилися ставити досліди з досягненням більшої точності. І ось, в чистому полі – подалі від сталевих конструкцій міста, від всього, що може викликати «чужі» магнітні поля – будується спеціальний будинок. Попросту майже сарай – невибагливе спорудження без будь-яких залізних деталей.
Для експерименту потрібно тіло з немагнітного матеріалу. Їм стає двадцятикілограмовий золотий циліндр. До нього підноситься чутливий магнітометр. Циліндр, звичайно, обертається? Ні. Блекет вважає, що цілком достатньо обертання циліндра разом із Землею.
Два роки йде на підготовку і проведення досліду: час – майже найдорожче в сучасному фізичному експерименті. І – нічого. Магнітного поля у циліндра не виявлено. А чутливість досліду дозволяла помітити поле в одну десятимільярдну частку Гаусса. Цього було б достатньо, якби формула Блекета була справедлива.
Стаття Блекета, яка з’явилася в результаті досліду, була набагато довшою знаменитої його статті 1947 року. Але сенс її зводився до наступного: тонко поставлений експеримент спростував теоретичні припущення експериментатора. Гіпотеза «покінчила самогубством». Більшість вчених не сумнівалося, що їй вже не воскреснути, хоча визнавалося це не без застережень. Але …
Союзники з космосу
Але почався космічний вік людства. І слідом за Шустером, Лебедєвим і Блекетом на захист гіпотези, про яку ми розповідаємо, виступили спочатку Венера, а потім і сам Юпітер.
У Венери майже немає магнітного поля. А Юпітер? Він виявив магнітне поле, яке вдалося навіть виміряти. Ракета туди, як відомо, не надсилалася, але під час одного спалаху на Сонці вчені зуміли «простежити» шлях потоку його випромінювання до Юпітера. А потім дослідники взяли народжені при взаємодії сонячної радіації і магнітного поля Юпітера радіохвилі. По їх потужності і прикинули, яке воно, це магнітне поле. А маса Юпітера, швидкість його обертання і ще деякі потрібні деталі були відомі раніше.
І знову: якщо розділити магнітний момент Юпітера на його кутовий момент… Уявіть собі: відношення виявилося досить близьким до того ж числа Блекета. Такий збіг у двох зірок і двох планет, та ще загадка Венери, – тут вже важко уявити собі, щоб все це було справою випадку, фокусом теорії ймовірності. Але… що ж тоді сталося в лабораторії Блекета? Помилка? Опис досліду каже, що для неї не залишалося місця.
Факти суперечать один одному. «Помирити» їх можна двома способами. По-перше, теорія ймовірності зовсім не забороняє самі дивні збіги. Вона говорить тільки про рідкість і малу ймовірність їх. Але відомий ж такий офіційно запротокольований випадок, коли при здачі карт кожному з чотирьох партнерів дісталося цілком по одній масті – від шістки до туза! Однак таке міркування, кажучи по совісті, дуже схоже на втечу від фактів. Так, у всякому разі, мені здається.
Ну, а другий спосіб? Знаєте, а Блекету, напевно, треба було все-таки змусити циліндр обертатися. Міркування фізиків, що стоять на цій точці зору, можна переказати приблизно так. Відомо, що у електричного заряду виникає при русі магнітне поле. Так ось його, це поле, згідно так званому закону Біо і Савара, не можна виявити, якщо рухатися разом з зарядом. Може бути, щось схоже відбувається і тут, коли магнітне поле виникає при обертанні тіла? Адже Блекет і його прибори разом із самим золотим циліндром оберталися навколо земної осі.
Правда, ми з вами, рухаючись разом з поверхнею Землі, можемо користуватися компасом, тобто помічаємо земний магнетизм. Мабуть, крім ефекту обертання магнетизм викликаний чимось ще – в усякому разі, на Землі. Одне іншому не заважає. До речі, Блекет збирався, закінчивши дослід з нерухомим циліндром, поставити другий експеримент, в якому хотів змусити його обертатися. Але, як він сам писав, після невдачі охолов до цієї ідеї.
І, можливо, даремно. Може бути, але не напевно. Поки питання залишається відкритим. Потрібні нові досліди і нові факти. І не тільки на Землі. Гей, на Марсі, як у вас там з магнітним полем?
Автор: Р. Подольний.