Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Магниты в моей дорожной сумке рассортировали монетки согласно их химическому составу. Современные одно- и двухпенсовики имеют стальную основу, покрытую снаружи тонким слоем меди. До 1992 года монеты такого достоинства были на 97 % медными. Для меня старые и новые однопенсовики на вид почти неотличимы, но магниты реагируют на их разный качественный состав [71]. «Серебряные» двадцатипенсовики не притягиваются магнитами, поскольку, как ни странно, состоят главным образом из меди. То же можно сказать о более старых десятипенсовиках, но все монеты, которые начали чеканить с 2012 года, имеют стальную основу с никелевым покрытием. Все монеты, притягивающиеся магнитами – даже так называемые медяки, – преимущественно состоят из стали.

Любой магнит окружен магнитным полем – тем, что можно назвать «силовым полем». Это подразумевает наличие вокруг магнита области, которая может притягивать и отталкивать другие объекты, даже если сам по себе магнит к ним не прикасается. На первый взгляд это кажется странным, но так уж устроен физический мир. Проблема с магнитными полями заключается в том, что они невидимы и неосязаемы для нас, поэтому нам трудно их представить. Однако мы можем наблюдать производимое ими действие, и это будит наше воображение, заставляя его строить те или иные научные модели. Самое важное, что можно сказать о магнитах, – у каждого из них есть два особых, четко выраженных конца: северный и южный полюс.

Северный полюс одного магнита будет притягивать южный полюс другого магнита, но северные полюса двух разных магнитов будут отталкиваться друг от друга. Изначально мои монетки не обладали свойствами магнитов, но магниты применили хитрый прием, чтобы притянуть их к себе. Внутри каждого из моих новых однопенсовиков разные участки железа имеют магнитные поля, указывающие в разных направлениях. Эти участки называются доменами, а магнитные поля атомов внутри каждого из них действуют строго однонаправленно. Каждый домен обладает собственным магнитным полем, но поскольку северные полюса всех доменов указывают в разных, притом случайных, направлениях, у железной основы однопенсовой монетки все эти разнонаправленные магнитные поля взаимно компенсируются. Когда я подношу такую монетку к одному из магнитов, его сильное магнитное поле начинает воздействовать на все отдельные домены в монетке. Сами по себе атомы в доменах не движутся, но их магнитные поля переориентируются таким образом, чтобы их северные полюса оказались как можно дальше от северного полюса моего магнита. При этом все южные полюса доменов в монетке выстраиваются как можно ближе к магниту. А учитывая, что противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу, южный полюс монетки притягивается к северному полюсу магнита и монетка прилипает к нему. Стоит оторвать монетку от магнита, и все ее магнитные домены снова станут ориентированы почти случайным образом.

Это явление может показаться странным, однако люди научились им пользоваться, причем с такими примерами мы часто сталкиваемся в повседневной жизни. Речь идет не только о монетках, скрепках для бумаг и магнитах на дверцах холодильников. Магниты также играют важную роль в выработке электроэнергии. В основе каждого устройства, доставляющего ее в электросеть, есть магнит. Однако сами по себе магниты не решают задачу, а магнетизм – лишь половина дела. Магнетизм связан фундаментальным образом с электричеством. Все это имеет жизненно важное значение для современного общества, хотя многие из нас этого просто не замечают.

Однажды писатель-фантаст Артур Кларк сказал, что «любая достаточно продвинутая технология неотличима от волшебства». Электричество и магнетизм в совокупности лежат в основе большинства самых продвинутых современных технологий, даруя нам их поистине волшебные возможности. Если внимательно изучить эти две невидимые силы – электричество и магнетизм, – можно понять, что это две стороны одного и того же явления: электромагнетизма. Они неразрывно связаны между собой, влияя друг на друга. Но прежде чем рассматривать эту связь, давайте копнем поглубже в ту сторону, которая знакома нам гораздо лучше: электричество. К сожалению, первый в жизни опыт непосредственного контакта с электричеством, как правило, малоприятен: мы испытываем удар электрическим током.

Штат Род-Айленд – крошечный дружелюбный кусочек американского северо-востока, где я прожила два года. Род-Айленд еще называют «Океанским штатом». Местные жители совершенно забыли об ироническом подтексте этого названия самого маленького штата Америки, данного в честь самого обширного образования на планете, океана. Менталитет жителей Род-Айленда покоится на двух столпах: побережье и лето. Жизнь – это морские прогулки, домики на берегу, салат из улиток [72]и пляж. Однако зимой здесь бывает очень холодно. Туристы куда-то пропадают, местные жители впадают в зимнюю спячку, а оливковое масло у меня на кухне загустевало, если я выключала отопление, когда приходилось надолго отлучаться.

В наиболее памятные для меня зимние дни я просыпалась с ощущением необычной тишины и неподвижности в природе. Еще до того как открыть глаза, я могла сказать, что ночью выпал первый снег. Для того, кто родился и вырос в сером и скучном Манчестере, такие эмоции были весьма волнующими. Все это мне нравилось – за исключением единственного, повторяющегося из раза в раз момента. Обувшись в уютные зимние ботинки, расчистив снег у наружной двери и с дорожки и посмеявшись вдоволь над белками, копошащимися в снегу, я топала к своему автомобилю. И каждый раз, едва прикоснувшись к нему, ощущала довольно болезненный удар электрического тока. Черт побери, как же я в очередной раз забыла об этом!

Почему-то мне всегда казалось, что всему виной автомобиль. Разумеется, он был вовсе ни при чем. Пока я к нему шла, я тащила на себе группу крошечных и беспокойных пассажиров. Они внимательно высматривали маршрут, по которому могли бы от меня сбежать. Болезненное ощущение в моей руке было лишь побочным эффектом их поспешного бегства. Этими пассажирами были электроны, невероятно маленькие частицы материи, относящиеся к числу самых фундаментальных строительных блоков нашего мира. Одно из их самых удивительных свойств – это то, что обнаружить их движение можно без помощи дорогостоящих ускорителей элементарных частиц и сложных научных экспериментов. В надлежащей ситуации тело человека может выявить движение электронов самым непосредственным образом. Жаль только, что оно регистрирует его как болевые ощущения.

Все начинается с атома. Внутри каждого атома находится тяжелое ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Оно обладает внушительным положительным электрическим зарядом, поэтому почти никогда не бывает в одиночестве. Электрический заряд – странная концепция, но на ней держится наш мир. Существует всего три вида строительных блоков, из которых состоит практически все, что нас окружает: протоны, электроны и нейтроны. Каждый из них обладает собственным, присущим лишь ему электрическим зарядом. Протоны гораздо массивнее электронов и являются носителями положительного заряда. Нейтроны имеют примерно такие же размеры, как и протоны, но электрического заряда у них нет. Электрон гораздо меньше по размерам, чем протон или нейтрон, но величина его отрицательного электрического заряда в точности совпадает с величиной электрического заряда протона. Это сочетание строительных блоков определяет структуру всего физического мира. В центре каждого атома сочетание протонов и нейтронов образует тяжелое ядро. Но атом должен быть электрически сбалансированным. Электрические заряды влияют на мир, поскольку разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются (как мы уже видели на примере магнитов и монет). Таким образом, крошечные электроны кружатся вокруг массивного ядра, потому что заряжены отрицательно и, следовательно, притягиваются к положительному заряду в центре атома. В целом все положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, но силы притяжения удерживают атом, не позволяя ему развалиться на части. Вся окружающая нас материя полна электронов, но поскольку все сбалансировано, мы их не замечаем. Они дают о себе знать, только когда движутся [73].