Мартин Гарднер - Этот правый, левый мир

Что именно имеет в виду физик, говоря, что если вы охватите проволоку левой рукой так, чтобы большой палец указывал направление тока, то остальные пальцы покажут направление магнитного поля тока? Эти слова означают, что если вы поместите рядом с проволокой магнитную стрелку, то северный ее конец всегда будет указывать в направлении против часовой стрелки вокруг проволоки, если смотреть по току.

Рис. 45 иллюстрирует поведение магнитной стрелки вблизи проводника, по которому течет ток в направлении, указанном стрелкой.

Перед нами простой четкий пример асимметрии. Мы можем точно объяснить жителям планеты X , как именно нужно соорудить батарею, смешивая различные химикалии и погружая в жидкость металлические стержни, которые будут служить положительным н отрицательным полюсами. Не сможем ли мы сказать, как только договоримся с ними о направлении тока в проволоке (а об этом договориться нетрудно): «Поместите над проволокой магнитную стрелку, встаньте лицом по току, тогда северный конец стрелки покажет вам направление, которое мы на Земле называем левым»?

Это, конечно, простой эксперимент, который дает ясное однозначное операционное определение правого и левого. Не так ли?

Не так. Эксперимент выполнит свою роль, только если у нас будет однозначный способ сообщить жителям планеты X , какой конец магнитной стрелки мы называем северным. Увы, не существует способа сообщить эту важную информацию, не установив сперва смысл терминов «правый» и «левый»! Чтобы понять, почему это так, нам необходимо сперва разобраться в основах современной теории магнетизма. Это мы сделаем в следующей главе.

Представьте себе проволоку, натянутую с севера на юг и проходящую под стрелкой компаса (рис. 46, слева). Стрелка компаса параллельна проволоке и указывает на север. Теперь пропустим по проволоке электрический ток в направлении с юга на север. Стрелка немедленно повернется против часовой стрелки и покажет на запад (рис. 46, справа). Если изменить направление тока на обратное, стрелка выполнит поворот «кругом» и покажет на восток.

Физики XIX столетия считали, что это указывает на какую-то таинственную асимметрию в законах природы. Этот эксперимент нельзя было наложить на его зеркальное изображение, поскольку в зеркально сопряженном эксперименте северный конец стрелки компаса указывал бы в неправильном направлении. Эрнст Мах в своей «Механике» обратил внимание на «интеллектуальный шок», создаваемый этим простым экспериментом. «Такой опыт, — говорил он, — преподает нам важный урок: всегда нужно с должной осторожностью пользоваться своими интуитивными представлениями, когда мы пытаемся предсказывать поведение природы».

Стефен Крейн в своей книге «Добрая война и другие строчки» писал:

Человек сказал миру:

«Сэр, я существую!»

«Подумаешь, — ответил мир, —

Это ни к чему меня

не обязывает!»

Природа не обязана идти навстречу предсказаниям ученых и нашим интуитивным представлениям. В опыте со стрелкой интуиция заставляет нас ожидать, что электрическое и магнитное поля, подобно симметричным полям других физических сил, не отдают предпочтения правому или левому. Но какая-то винтовая асимметрия является, по-видимому, существенной чертой эксперимента с проводником и компасной стрелкой.

Не может ли такой «буравчик» послужить простой основой для определения правого и левого и решить тем самым проблему Озма? Нам стоит только попросить наших друзей с планеты X поставить этот эксперимент, а потом мы условимся называть левой стороной ту сторону, в которую показывает стрелка, когда ток под ней течет от нас. В чем порок такой процедуры?

Он заключается в нашей забавной неспособности сообщить на планету X , который из полюсов магнитной стрелки называется северным. Если бы у всех магнитов северные полюса были синего цвета, а южные — красного, то трудности никакой не было бы. Мы могли бы сказать планете X, что синий полюс — северный. К несчастью, никакой осмотр или испытание магнита не обнаруживает ни малейшей разницы между его полюсами. Их «сила» совершенно одинакова. Магнитная стрелка, плавающая в воде, не обнаруживает стремления «дрейфовать» к северу или югу. Если поверхность стержневого магнита тщательно отполировать и окунуть в жидкость, содержащую порошок железа, то частицы железа образуют на поверхности магнита узор, ячейки которого — «домены» (мы сейчас объясним, что это такое) — можно увидеть в микроскоп. Но этот узор одинаков на обоих концах магнита, он не позволяет отличить один полюс от другого. Время от времени в течение последних пятидесяти лет то одному, то другому физику казалось, что он обнаружил какие-то внутренние черты, позволяющие отличить один полюс магнита от другого без помощи внешнего магнитного поля. Иногда статьи с сообщениями о таких «открытиях» печатались в научных журналах. И всегда оказывалось, что эти физики ошибались.

Северный конец стрелки компаса обычно окрашивается в синий цвет в отличие от южного конца. Откуда знает тот, кто делает компас, какой конец закрашивать синим? Он узнает это при помощи других магнитов. Северный конец стрелки отталкивается их северными полюсами. А как определить северный полюс у других магнитов? Они отталкиваются северными полюсами от других, дополнительных магнитов. Окончательной основой для первичного определения «северного полюса» является магнитное поле самой Земли. Северный магнитный полюс стрелки притягивается северным магнитным полюсом Земли.

Это вносит некоторую путаницу: ведь одноименные полюса отталкиваются. Строго говоря, северный магнитный полюс Земли является ее «южным» полюсом. Существенно то обстоятельство, что мы не можем рассказать обитателям планеты X , какой конец намагниченной стрелки мы называем северным, поскольку у нас нет способа сообщить им, который из концов земной оси вращения называется северным.

Если намотать проволоку на железный или стальной сердечник и пропустить по ней ток, сердечник превращается в электромагнит. Намотку можно производить по-разному, так что северным полюсом магнита может стать любой из его концов. Нельзя ли послать на планету X инструкции по изготовлению такого электромагнита, который затем можно будет использовать для однозначного определения северного полюса других магнитов?