Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Имеющаяся теория довольно сложная и связана с электрическими токами, циркулирующими в ядре Земли, и с тем фактом, что Земля вращается, – физики называют это динамо-эффектом. (Кстати, астрофизики используют теорию динамо-эффектов для объяснения магнитных полей в звездах, в том числе в нашем Солнце, магнитное поле которого полностью переворачивается в обратную сторону каждые одиннадцать лет.) Вам это может показаться удивительным, но ученые до сих пор работают над созданием полной математической модели Земли и ее магнитного поля; вот насколько она трудна. Их задача усложняется еще и тем, что сегодня есть четкие геологические доказательства того, что магнитное поле Земли за тысячелетия серьезно изменилось: полюсы сдвинулись намного сильнее, чем за время их ежегодной прогулки, и, судя по всему, магнитное поле тоже переворачивалось в противоположную сторону – более 150 раз только за последние 70 миллионов лет. Невероятно, правда?!

В наши дни благодаря спутникам (например, первому спутнику Дании, названному в честь физика Ганса Эрстеда), оборудованным чувствительными магнитометрами, мы смогли составить довольно точную карту магнитного поля Земли. Нам, например, известно, что оно уходит в космическое пространство более чем на миллион километров. Мы также знаем, что ближе к Земле оно создает одно из самых красивых природных явлений в нашей атмосфере.

Солнце, как вы помните, испускает огромный поток заряженных частиц, состоящий в основном из протонов и электронов и известный как солнечный ветер. Магнитное поле Земли направляет часть этих частиц вниз в нашу атмосферу на магнитных полюсах. Когда эти частицы, движущиеся со средней скоростью около 400 километров в секунду, сталкиваются с атмосферным кислородом и молекулами азота, часть их кинетической энергии (энергия движения) преобразуется в электромагнитную энергию в форме света – кислород высвобождает зеленый или красный, а азот – синий или красный. Вы, наверное, уже догадались, к чему я веду. Правильно – это то, что создает впечатляющее световое шоу, известное как полярное сияние; северное сияние в Северном полушарии и южное сияние в Южном. А почему мы видим это шоу только на крайнем севере или юге? Потому что солнечный ветер преимущественно проникает в атмосферу Земли вблизи магнитных полюсов, где магнитное поле самое сильное. А причина, по которой полярные сияния в одни ночи сильнее, чем в другие, заключается в том, что при каждой солнечной вспышке высвобождается больше частиц, они и создают это световое шоу. При огромных солнечных вспышках такие эффекты могут быть очень мощными, приводя к геомагнитным бурям и создавая сияния далеко за пределами обычных зон, а иногда и препятствуя передаче радиосигналов, работе компьютеров и спутников и даже вызывая перебои в снабжении электроэнергией.

Если вы не живете рядом с Северным (арктическим) или Южным (антарктическим) полярным кругом, то вряд ли часто видите такое сияние. Поэтому, если вам доведется лететь вечерним рейсом в Европу из северо-восточной части США (а большинство этих рейсов вечерние), постарайтесь купить билет на место в левой части самолета. На высоте около одиннадцати километров в атмосфере вы получите отличный шанс увидеть из иллюминатора северное сияние, особенно если Солнце накануне было чрезвычайно активным, информацию о чем всегда можно найти в интернете. Я видел это атмосферное явление много раз именно таким образом, потому что всегда стараюсь сидеть в самолете слева. Я считаю, что кино можно посмотреть и дома. А в самолете предпочитаю любоваться северным сиянием в ночное время суток и глориями в дневное.

Должен признать, что все мы в неоплатном долгу перед магнитным полем Земли, так как без него нам грозили бы весьма серьезные последствия из-за постоянного потока заряженных частиц, бомбардирующих нашу атмосферу. Солнечный ветер еще миллионы лет назад вполне мог бы сдуть нашу атмосферу и воду, создав условия, которые существенно осложнили бы развитие жизни на Земле или сделали бы ее и вовсе невозможной. Ученые предполагают, что именно сильный солнечный ветер, дующий из-за слабого магнитного поля на Марсе, виновен в тонком слое атмосферы Красной планеты и сравнительном отсутствии воды на ней, то есть в формировании там среды, в которой человеческие существа могут жить только при наличии мощных вспомогательных систем жизнеобеспечения.

В XVIII веке ряд ученых начали подозревать, что электричество и магнетизм как-то связаны между собой, хотя многие другие, в том числе англичанин Томас Янг и француз Андре-Мари Ампер, считали, что они не имеют ничего общего. Уильям Гильберт тоже думал, что электричество и магнетизм – совершенно отдельные явления, но тем не менее изучал их одновременно и написал об электричестве в своей книге, посвященной магнетизму. Он назвал силу притяжения заряженного янтаря «электрической» (помните, по-гречески янтарь называется электроном ?) и даже придумал версию электроскопа, простейшего прибора, позволяющего измерить и продемонстрировать наличие статического электричества. (Электроскоп состоит из металлического стержня – электрода – и подвешенных к нему двух листочков фольги. Когда он заряжается, листочки отталкиваются друг от друга. Это, по сути, лабораторный эквивалент наших с вами волос.)

В период между 1776-м и 1777 годами Баварская Академия наук просила ученых присылать заметки о взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. К тому моменту люди уже на протяжении некоторого времени знали, что разряд молнии может вывести из строя компас, и никто иной, как сам Бенджамин Франклин намагничивал иглы, используя их для выпускания заряда лейденских банок. (Изобретенная в Нидерландах в середине XVIII века, лейденская банка способна хранить электрические заряды. Это ранняя версия нынешнего конденсатора.) Но хотя в начале XIX века ученые начали на удивление активно вести исследования в области электричества, до датского физика Эрстеда (родился в 1777 году) ни один из них не связывал электрический ток с магнетизмом напрямую. Именно Эрстед сделал решающее открытие, окончательно объединившее оба явления. По словам историка Фредерика Грегори, это, вероятно, единственный случай в истории современной физики, когда столь великое открытие было сделано в учебной аудитории прямо перед студентами.

В 1820 году Эрстед заметил, что электрический ток, протекающий по проводу, подключенному к батарее, влияет на стрелку лежащего рядом компаса, поворачивая ее в направлении, перпендикулярном проволоке и от магнитного севера и юга. Когда он отсоединял провода, разрывая эту цепь, игла возвращалась в нормальное положение. Никто не знает, проводил ли Эрстед свой эксперимент на лекции намеренно или компас оказался на столе случайно и профессор просто подметил этот поразительный эффект. Его собственные отчеты позволяют сделать разные выводы – как мы уже не раз наблюдали в истории физики.