Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Магнетизм в природе

Межзвездные скитальцы

Академик В. Л. Гинзбург считает, что космические частицы разгоняются до невообразимых энергий в гигантских межзвездных ускорителях. Существенным положением его теории является тезис о том, что в просторах нашей Галактики, в других отдаленных мирах и в межгалактическом пространстве имеются магнитные поля, в которых, как в гигантском естественном циклотроне, могут разгоняться частицы.

Источниками космических лучей могут быть обычные звезды (такие, например, как наше Солнце), магнитные звезды, которые могут производить космические лучи гораздо интенсивнее Солнца, а также сверхновые и, может быть, новые звезды. Они, как оказалось, появляются на свет не так уж редко. Убедиться в этом помогли, в частности, китайские летописи, куда в течение тысяч лет методически и скрупулезно заносилось все то, что летописец считал достойным внимания потомков. Так, летописец, живший более пятисот лет назад, писал о том, что на небе вспыхнула звезда, светившая почти так же ярко, как Солнце. Это была первая запись человека о вспышке сверхновой звезды. С тех пор наблюдениями установлено, что вспышки сверхновых звезд происходят сравнительно часто: раз в 50— 100 лет.

Чем же можно объяснить столь яркое свечение сверхновых звезд в течение сравнительно короткого периода? В соответствии с наиболее популярной сейчас теорией, газопылевое облако, из которого впоследствии образуется звезда, обладает некоторым начальным магнитным полем. Оно невелико,— возможно, тысячные доли гаусса. Силовые линии этого поля, густотой которых обычно принято характеризовать величину магнитного поля, чрезвычайно разрежены. Под действием гравитационных сил (сил тяготения) газопылевое облако, состоящее из отдельных пылинок и атомов газа, начинает сжиматься к центру облака. Атомы и пылинки, двигаясь к центру облака, «тянут» с собой и силовые линии магнитного поля.

Таким образом, под действием гравитации силовые линии магнитного поля облака сближаются, густота линий и, следовательно, величина магнитного поля возрастают. А облако сжимается все быстрей и быстрей: ведь чем ближе друг к другу приближаются частицы вещества, тем сильнее, в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона, они притягиваются друг к другу. Происходит нечто, напоминающее цепную реакцию. Вместе с облаком все быстрее сжимаются силовые линии магнитного поля. Когда газопылевое облако приближается по размерам к так называемому критическому гравитационному радиусу, магнитное поле в нем достигает уже нескольких миллиардов гауссов. Быстрые электроны, попавшие в это поле, резко тормозятся, излучая в колоссальных количествах радиоволны и лучи видимого света. Именно в этом причина столь яркого сияния сверхновых звезд.

Имеет ли под собой почву-подобная гипотеза? Ответить на этот вопрос помогло открытие, сделанное на рубеже столетия известным голландским физиком Зееманом. Исследуя спектры излучения различных веществ, Зееман заметил необычную вещь: как только испытываемое вещество помещали в магнитное поле, спектральные линии начинали раздваиваться. Чем сильнее это раздвоение, тем, следовательно, сильнее магнитное поле, в котором находится изучаемое вещество. Таким образом, заметив раздвоение линий в спектре излучения какого-либо объекта, можно смело утверждать, что он находится в магнитном поле. Измерив величину раздвоения, можно судить о напряженности магнитного поля.

Исследуя по такой методике спектр излучения некоторых звезд, американский астроном Хилтнер заметил, что иногда свет от звезд приходит на Землю сильно поляризованным, как если бы на его пути был поставлен поляризационный фильтр, используемый некоторыми фотографами для того, чтобы избавиться от нежелательных бликов. Кроме того, было обнаружено, что вся сине-голубая часть спектра звездного света отфильтровывается, что обычно служит верным признаком прохождения света через межзвездные газопылевые облака.

Сопоставляя эти две особенности звездного излучения, ученые пришли к выводу, что поляризация света объясняется не свойствами самой звезды, а приобретается во время многолетнего странствования луча по просторам Галактики.

В результате чего возникает поляризация? Ее можно было бы объяснить, предположив, что межзвездные просторы заполнены частицами не шарообразными, а вытянутыми в каком-то направлении под действием галактического магнитного поля.

Замерив раздвоенность спектральных линий, астрономы вычислили, что это магнитное поле составляет несколько миллионных долей гаусса.

Казалось бы, это поле ничтожно. Однако трудно даже представить себе ту колоссальную роль, которую, по-видимому, играет магнитное поле, даже столь слабое, в структуре галактик.

Каким образом галактикам в течение миллиардов лет удается сохранять свою форму? Почему исполинские гравитационные силы, действующие в течение столь длительного времени, не смогли смять галактики, не смогли согнать их к единому центру и привести к гравитационному коллапсу и чудовищному взрыву, который стал бы закономерным завершением этого процесса? Как показано немецкими астрофизиками Шлютером и Люстом, магнитное поле галактик препятствует этим процессам. Более того, благодаря магнитным силам наша Галактика может вращаться как единое целое, не распадаясь (с момента возникновения наша Галактика совершила более пятидесяти оборотов). Образно говоря, магнитное поле — это тот прочный остов, который предохраняет галактики от разрушающего воздействия гравитационных сил.

К тому же некоторые свойства туманностей, например их спиралевидная волокнистая структура, также могут быть объяснены наличием магнитного поля.

Газ светлых туманностей, электрически заряженный (наэлектризованный звездным излучением), как известно, может двигаться только вдоль силовых линий магнитного поля. Вследствие этого структура туманностей часто напоминает картину, обычно получаемую с помощью железных опилок у полюсов магнита.

Сходство формы галактик с привычным видом опилочной картины было убедительно показано ветераном советской астрономии профессором Б. А. Воронцовым-Вельяминовым. Он собрал уникальную коллекцию фотографий галактик, как одиночных, так и взаимодействующих, и сравнил их с картиной магнитного поля однородно намагниченного шара или бруска и картиной поля взаимодействующих магнитов.

Тождество было почти полное. В ряде случаев было отчетливо видно, как газ, двигаясь вдоль силовых линий, «вытекает» из одного полюса галактики и «впадает» в другой. Расчетами было убедительно показано, что замеренное ранее в нашей Галактике магнитное поле вполне достаточно для того, чтобы в течение миллиардов лет сохранять форму скопления.

Однако в галактических просторах существуют магнитные поля не только малой величины. Исследуя излучение некоторых звезд, физики на основании анализа раздвоения линий пришли к выводу, что некоторые звезды обладают очень сильным магнитным полем. Так, на звезде НД 215441 было замерено магнитное поле в 34,4 тыс. гс. Ошибка измерений может лежать лишь в пределах 300 гс. Сильные магнитные поля были замерены и у гигантских звезд диаметром в 100 раз большим диаметра Солнца. Там магнитные поля оказались равными примерно 1000 гс. Сейчас магнитное поле замерено у 90 звезд, и подозревается наличие магнитного поля еще у 70. Ученые считают, что на некоторых широтах указанных звезд индукция магнитного поля равна 50—100 тыс. гс.

Если это окажется правдой, ученым удастся устранить много неясностей, имеющихся в теориях генерации космических лучей и радиоизлучения на Солнце и звездах. Но откуда берется магнитное поле звезд? Ответ на этот вопрос попытался дать английский физик П. Блэккетт.

Тайны золотого цилиндра

Ход мыслей Блэккетта был довольно любопытен. Проанализировав большинство физических формул, он пришел к выводу, что наиболее фундаментальные зависимости физики записываются довольно просто — вспомним хотя бы простейшее с точки зрения формы соотношение между массой и энергией Е = mс2, выведенное Эйнштейном. Поль Дирак, также заметивший это, утверждал, что всякая «физическая теория должна быть математически элегантна». Кроме того, многие формулы из разных, казалось бы, областей физики часто записываются в очень похожей форме (вспомним, например, закон всемирного тяготения и закон Кулона). Исходя из этих соображений, Блэккетт записал простое уравнение, имеющее математически весьма естественный вид, и которое, по его мнению, связывает магнитное поле с движением тела. Как предполагал Блэккетт, всякое движущееся поступательно или вращающееся тело создает вокруг себя магнитное поле.

Для проверки этих положений был изготовлен массивный цилиндр из чистого золота весом 20 кг. Однако экспериментаторам не удалось выявить никакой заметной связи между механическим и магнитным моментами тела. Красивая и столь «естественная» по записи формула, к сожалению, не подтвердилась экспериментальными данными.

Нужно отдать должное Блэккетту: он не из тех, кого могут смутить экспериментальные данные, полученные на относительно небольшом золотом цилиндре. Он ссылается на планеты и звезды.

Здесь у него действительно есть «союзники». И среди них в первую очередь наша Земля, Юпитер, Солнце и звезда Белый Карлик Е 78 из созвездия Девы. У всех этих небесных тел отношение углового момента к магнитному одинаково и равно примерно той величине, которую предсказывал Блэккетт.

К сожалению, однако, существуют звезды, относительно которых точно известно, что их магнитное поле все время меняется и иногда даже меняет знак. Чтобы свести концы с концами, Блэккетту необходимо признать, что меняет знак и механический момент звезды. Это значит, что время от времени звезда должна начинать вращаться в обратную сторону. Хотя в глубинах мироздания наверняка еще много тайн и неожиданностей, способных поразить воображение и поставить в тупик любого исследователя, ученые все же скептически относятся к такой возможности.

Прав или неправ Блэккетт — покажут лишь дальнейшие исследования.

Некоторые сомнения в правоте его теории внушает странный характер магнитного поля Солнца.

Впервые магнитное поле Солнца было обнаружено по известной уже нам методике Зеемана более полувека назад. Измерения показали, что Солнце по типу магнитного поля очень напоминает Землю: у него есть полюса, магнитные меридианы и магнитный экватор. Напряженность магнитного поля Солнца примерно в двадцать раз больше земного и равна в среднем 10 гс.

Однако дальнейшие исследования Солнца принесли совершенно неожиданные результаты. Общее магнитное поле Солнца внезапно куда-то пропало. Вместо стройной картины силовых линий, повторяющих поле однородно намагниченного шара, исследователи увидели беспорядочные нагромождения разнородно намагниченных областей. Величина напряженности магнитного поля сильно снизилась; оказалось, что теперь оно равно всего 1 гс. Зато в солнечных пятнах поле составляло громадную величину — 3 тыс. гс и больше, причем два соседних пятна, соединенных обычно грандиозным огненным факелом, обязательно имеют различную полярность. Если в одном пятне намагниченность была северного типа, то в другом — обязательно южного. Изучая форму факелов, ученые пришли к выводу, что они в точности повторяют форму силовых линий поля подковообразного магнита. Сейчас доказано с большой определенностью, что вдоль этих силовых линий из солнечных пятен вытекает раскаленный газ (газ заряжен и, следовательно, не может двигаться поперек силовых линий; магнитные силы не действуют на заряженную частицу лишь тогда, когда она движется вдоль силовых линий).

Создается впечатление, что общее магнитное поле Солнца куда-то исчезло. Вопрос решался бы просто, если допустить, что прежние исследователи ошибались. А может быть, ошибаются наши современники? Некоторые исследователи придерживаются именно такого мнения, ссылаясь на форму особо длинных солнечных факелов.

Таким образом, вопрос о магнитном поле Солнца до сих пор остается достаточно неясным.

Из планет Солнечной системы наибольшая напряженность магнитного поля обнаружена у Юпитера, где, возможно, оно достигает значения 100 гс. Признаки очень сильного магнитного поля были замечены и у одного из спутников Юпитера — Ио. Заметное магнитное поле обнаружено также у Меркурия.

Роль магнитного поля нашей планеты пыталась выяснить группа советских ученых. Анализируя параметры вращения Земли, они пришли к выводу, что это вращение обусловлено магнитным полем Земли.

Ориентируясь на данные этой теории, следует признать, что именно магнитному полю Земли мы обязаны сменой дня и ночи, сменой времен года. Кроме того, магнитному полю Земли мы обязаны ни много ни мало как... жизнью.

Кроме космических лучей, бомбардирующих нашу Землю из звездных глубин, на Землю шлет потоки заряженных частиц Солнце. Энергия многих из них превышает 100 Мэе.

Во время хромосферных вспышек Солнца, например, в громадных количествах генерируются протоны с энергией выше 100 Мэе. В годы повышенной солнечной активности (цикл активности Солнца составляет 11 лет) на Солнце наблюдается более 3000 вспышек, из которых 15% — вспышки грандиозного масштаба. Сейчас считают, что во время каждой вспышки Солнце посылает потоки плазмы в каком-то одном предпочтительном направлении. Примерно 4% этих потоков достигает Земли. Кроме обычных вспышек на Солнце раз в три месяца происходят грандиозные релятивистские вспышки, во время которых выбрасываются мощные потоки протонов с энергией в несколько миллиардов электронвольт.

Плотность частиц на орбите Земли составляют примерно 108 частиц на кубический сантиметр. Эти частицы в большинстве своем не достигают поверхности Земли, поскольку она экранирована магнитным полем. Любая заряженная частица, попав в это магнитное поле, искривляет свою траекторию и как бы навивается на магнитные силовые линии. Вследствие этого заряженные частицы начинают вращаться вокруг Земли, и лишь ничтожная их часть достигает земной поверхности.

Не будь у Земли магнитного поля, она давно превратилась бы в выжженную космическими лучами пустыню, такую же безжизненную, как Луна.

О существовании магнитного поля Земли люди узнали сравнительно недавно — лет триста назад, хотя использовали его за несколько тысяч лет до этого.

...Идут караваны по бескрайним гобийским пескам. Направо, налево, куда ни кинь взор — унылые желтые барханы. Солнце скрыто желтой пеленой пыли. Далек путь из императорских пагод на берегах Янцзы до минаретов кушанских царств. Трудно пришлось бы караванщикам, если бы не было в караване белого верблюда. Белого верблюда с его бесценным грузом. Бесценным, хотя это не золото, не жемчуг и не слоновая кость, Защищенный деревянной резной клеткой, меж горбами белого верблюда совершал свой путь через пустыню глиняный сосуд, в котором на пробке плавал в воде небольшой продолговатый кусок намагниченного железа. Края сосуда были выкрашены в четыре цвета. Красный обозначал юг, черный — север, зеленый — восток и белый— запад. Глиняный сосуд с кусочком железа в нем был примитивным древним компасом, указывавшим караванщикам путь в бескрайних песках.

В китайских летописях встречаются кроме того описания магнитных ворот, через которые не мог пройти недоброжелатель с оружием, а также магнитных мостовых и прочих применений волшебного камня «чу-ши», попросту магнитного железняка.

В одной китайской легенде рассказывается о военной победе императора Хуанг-Ти, одержанной более четырех тысяч лег назад. Этой победе он был обязан своим мастерам, изготовившим повозки, на которых были установлены фигурки человека с рукой, вытянутой вперед. Фигурки могли вращаться таким образом, что вытянутая рука всегда была обращена к югу.

С помощью таких повозок Хуанг-Ти смог в густом тумане напасть на врага с тыла и разгромить его.

В древнейших китайских энциклопедиях имеются сведения и о том, что между 300 и 400 годами до нашей эры магнитная стрелка использовалась на кораблях. В музее хранится и китайский компас тысячелетнего возраста, напоминающий по форме нашу хохломскую ложку.

В Европе также, по-видимому, давно использовали магнетизм Земли, применяя для ориентирования магнитный камень, подвешенный на нити или установленный на дощечке, плавающей на спокойной поверхности воды. В одном старом французском романе «О розе» магнит описывался под названием «маринетты», из чего можно сделать вывод об использовании магнитов на морских судах.

С начала второго тысячелетия нашей эры все более или менее ценные открытия, касающиеся магнита и компаса, были сделаны в Европе. Так, итальянец Флавио Джойя придал компасу современный вид, снабдив его поворотным диском с делениями. С помощью этого компаса были сделаны все большие географические открытия.

Довольно давно также известны и измерения магнитного склонения, под которым понимают угол между географическим и магнитным меридианами. Так, 13 сентября 1492 года в корабельной книге Христофора Колумба записано: «Перед наступлением ночи компас показывал отклонение к северо-западу; утром это отклонение было менее значительным». Это явление вызвало сильную панику среди суеверных матросов Колумба, которым было хорошо известно, что стрелка должна была смещаться немного к востоку. Назревал бунт. Колумбу пришлось незаметно для матросов передвинуть катушку компаса таким образом, чтобы склонение стало «нормальным». После этого, чтобы свести концы с концами и не противоречить данным астрономических наблюдений, Колумбу пришлось объявить о том, что «не стрелка компаса изменила свое направление, а Полярная звезда сместилась со своего места». Сейчас изменение величины и знака склонения магнитной стрелки на одной параллели является хорошо известным явлением, широко используемым для определения местонахождения судна.

Со времен Колумба магнитное поле Земли и склонение магнитной стрелки тщательно изучали многие ученые. Однако объяснение причин притяжения стрелки компаса было дано лишь в 1660 году, когда вышла знаменитая книга Вильяма Гильберта — придворного врача английской королевы Елизаветы II — «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле».

В этой книге Гильберт на громадном количестве экспериментального материала убедительно показал, что магнитное поле Земли подобно полю однородно намагниченного шара, выточенного из магнитного железняка.

Гильберт, объясняя земной магнетизм, считал, что Земля состоит из намагниченного железа, которое и со здает магнитное поле Земли. Это предположение Гильберта, однако, не является научно последовательным. Сам Гильберт открыл, что железо при высоких температурах, которые существуют в центре Земли, полностью теряет свои магнитные свойства.

Книга Гильберта положила начало научному подходу к магнитным явлениям вообще и к магнетизму Земли в частности. Академик А. Н. Крылов в своей книге о магнетизме Земли, вышедшей в 1920 г., писал об учении Гильберта: «В это учение в течение почти двух столетий не было прибавлено ничего существенного, чего не было в книге Гильберта и что не являлось бы или повторением, или развитием сделанного им».

Магнитные обсерватории, рейды немагнитных шхун, драматические приключения Джона и Джеймса Россов на пути к Северному и Южному магнитным полюсам, экспедиция на дрейфующей льдине И. Д. Папанина, Е. Е. Федорова, П. Г1. Ширшова и Э. Т. Кренкеля, запуск ракет, искусственные спутники Земли — все это было направлено и на изучение земного магнетизма. Можно с уверенностью утверждать, что магнитные карты нашей планеты сделаны с неменьшей точностью, чем географические. Магнитными полями обладает и живая природа. Убедительно доказано существование биотоков у животных и вегетативных токов у растений. Если учесть, что каждый ток неизбежно создает вокруг себя магнитное поле, то становится ясным, что магнитные поля есть у каждого человека, у каждого деревца, у мельчайших живых существ. Правда, эти поля очень невелики. Так, сгибая и разгибая руку, человек создает на ее поверхности магнитное поле с индукцией в одну стотысячную долю гаусса.

Наличие магнитного поля у человеческого сердца использовано, в частности, в первом магнитокардиографическом аппарате, созданном в Воронеже. С помощью аппарата, фиксирующего малейшие изменения магнитного поля сердца, ученым удалось получить принципиально новые сведения о работе сердца и облегчить раннюю диагностику таких опасных заболеваний, как дистрофия миокарда, гипертрофия сердечных мышц и др. Магнитокардиограф позволяет обнаружить дефекты сердца, которые не под силу определить даже наиболее чувствительным электрокардиографом.

В.П. Карцев - "Магнит за три тысячелетия" - под редакцией док-тра. техн. наук проф. Е.Я. Казовского

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика