В один из осенних вечеров 1600 года вереницы нарядных экипажей тарахтели по лондонским улицам, спеша к королевскому дворцу. Дамы и кавалеры торопили кучеров: скорей, скорей! Необходимо узнать все придворные новости до выхода королевы. Иначе, не дай бог, поклонишься фавориту, звезда которого закатилась... Но сегодня спешили не только поэтому: лейб-медик королевы Уильям Гилберт должен был показывать научные фокусы, основанные на новой открытой им силе. И действительно, в зале дворца был установлен большой деревянный бассейн с водой. У его бортов застыли игрушечные кораблики.
— Ах, ваше преосвященство, вы, наверное, знаете, что это за новая таинственная сила? — щебетала молоденькая фрейлина, приседая перед толстым суровым епископом.
Тот, нахмурясь, неодобрительно осмотрел бассейн.
— Вольнодумство это, вот что,— густым басом проворчал он, не подозревая, что дает самое точное определение той «силе», которая проложила путь к замечательным открытиям последующих веков.— Вольнодумство! Нет никакой силы, кроме божьего соизволения. А те, кто забывают об этом... Недавно я получил сообщение из Италии. Католическая церковь хотя и погрязла в излишествах и засорила святые обряды суетной мишурой, но тем не менее авторитет божий соблюдает крепко. Еще один великий грешник, очищенный, вознесся на небо.
Многие из присутствующих поняли, кого имел в виду протестантский епископ. Джордано Бруно, величайший философ, выдвинувший идею множественности обитаемых миров во Вселенной, был недавно сожжен инквизицией в Риме, на площади Цветов. И как ни враждовали между собой протестантская и католическая церкви, но здесь они оказались единодушны: мыслители, подобные Бруно, угрожали существованию любой религии.
— О, за нашего доктора нечего опасаться, что он вступил в сношения с нечистой силой,— легкомысленно воскликнул бравый морской офицер.— Как известно, черти платят золотом тем, кто продает им душу, а мистер Гилберт бедняк из бедняков. Говорят, в свои опыты он всаживает все жалование, которое получает от королевы!
— Посмотрим, посмотрим,— проворчал епископ.
Наконец вошла королева, и представление началось. Поклонившись присутствующим, доктор Гилберт объявил, что сейчас все воочию убедятся в существовании некоей «двигательной» силы. Он что-то положил на палубу каждого кораблика, и вдруг... они ожили. Без всякой видимой причины корабли задвигались в бассейне. Некоторые из них устремлялись навстречу друг другу, другие, наоборот, расходились в разные стороны. Впечатление было такое, будто кто-то невидимый, сторукий тянет их за ниточки. Восторгу зрителей не было границ. Впрочем, восторг смешивался с беспокойством: а не пахнет ли здесь нечистой силой? В конце концов Гилберту пришлось объяснить секрет: на палубу каждого кораблика он положил по маленькому магнитику.
Три тысячи лет назад магнит нашел практическое применение — компас.
Существует распространенное мнение, будто впервые компас был применен мореплавателями. На самом же деле первые компасы появились на суше. Ими пользовались военачальники, завоевывавшие далекие земли, и купцы, которые водили торговые караваны. Старинные компасы ничуть не походили на современные. Это были деревянные фигурки, зачастую художественно выполненные. Они устанавливались на повозках и вращались на вертикальном стержне. В основании фигурки вделывали кусочек магнитной руды или намагниченного железа, поэтому ее вытянутая рука всегда указывала на юг. Потом такие же компасы перекочевали на корабли. В Европе компас появился лишь в XIII веке. Без преувеличения можно сказать, что это было революционное изобретение — без него не было бы великих географических открытий, которые вписали блистательную страницу в историю человеческой цивилизации.
Однако магниты применялись не только для отыскания пути в океане и на суше. Их использовали и в медицине. Индийская летопись повествует, как после боя врачи извлекали из тел раненых железные наконечники копий и стрел с помощью магнита. И сейчас железные стружки, попавшие в глаз, также извлекаются магнитами. А в 1957 году в журнале «Огонек» был описан совсем уж уникальный случай. Ребенок взял в рот гвоздь, и он застрял в бронхе. Да так глубоко вошел в стенку, что врачам никак не удавалось захватить его шляпку щипцами. Жизнь ребенку спас магнит. В бронх ввели длинную магнитную проволочку, и она притянула гвоздь к себе. Разумеется, современные магниты, созданные из специальных сплавов, в сотни раз сильнее применявшихся в древности.
Тысячи лет человек пользовался магнитом, не задумываясь о его сущности.
Гилберт разломил стержень пополам, чтобы иметь отдельно северный и южный магнетизм. Но из этого ничего не получилось: на концах обеих половинок по-прежнему была разноименная магнитная сила. Эти половинки он снова разломил пополам — получилось уже четыре магнита, каждый с двумя полюсами. Он разломил и их — образовалось восемь магнитов... Таким образом Гилберт убедился, что любой магнит, как бы он ни был мал, обязательно имеет два полюса.
При этом разноименные полюсы двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются. На этом свойстве магнитов и был основан устроенный Гилбертом во дворце забавный спектакль с корабликами.
В исследованиях Гилберта, как и во многих других до и после него, огромную роль играли случайности, которые, подобно вспышкам света в темноте, внезапно озаряют всю картину. Так, уронив однажды намагниченный брусок на каменный пол, Гилберт обнаружил, что он совершенно потерял магнитную силу. Куда же она девалась, если на вид брусок ничуть не изменился? Значит, дело во внутреннем строении. И Гилберт высказывает гениальную догадку: всякое намагниченное тело состоит из отдельных очень маленьких магнитиков. Когда они выстраиваются в определенном порядке, как солдаты в шеренге, их магнитные силы складываются, образуя большую величину. Этим и объясняется, почему некоторые вещества никак не удается намагнитить: их элементарные магнитики не способны выстраиваться в нужном порядке. А от удара магнитики в беспорядке «рассыпаются» внутри бруска, поэтому тот и теряет магнитные свойства.
Однажды, взяв из кладовой приготовленные для опытов железные стержни, Гилберт обнаружил, что они каким-то неведомым образом обрели магнитную силу, хотя их и не намагничивали. Однако другие стержни, которые ученый специально положил в кладовой, упорно не желали намагничиваться. В чем же дело? В конце концов исследователь обратил внимание на то, что намагнитившиеся стержни лежали строго по меридиану — с севера на юг. И Гилберт делает второе гениальное предположение: вся наша Земля — гигантский шаровой магнит, а его географические полюсы есть в то же время и полюсы магнитные. Чтобы проверить это, Гилберт намагнитил стальной шар и, поднося к нему компас, убедился, что стрелка ведет себя точь-в-точь как и стрелки корабельных компасов на разных широтах. И наконец, Гилберт провел последний, решающий эксперимент. Положив железный брусок на наковальню в направлении с севера на юг, он несколькими ударами молота намагнитил его. Удары заставили произвольно ориентированные в металле элементарные магнитики выстроиться в направлении силовых линий магнитного поля земного шара. Так Гилберт доказал правильность своих представлений о магнетизме.
Продолжая исследования, ученый установил еще одно очень важное обстоятельство — сила естественного магнита заметно увеличивается, если обмотать его железной или стальной лентой.
В 1600 году Гилберт выпустил книгу «О магните, магнитных силах и великом магните — Земле». В предисловии к ней он писал: «...В сочинении нашем не содержится ничего, что не было бы испытано и многократно проделано... Читатель, помни! Мы высказали свои предположения о том, что лишь открыли долгими опытами».
Очень высокую оценку дал этой работе Галилео Галилей: «...Величайшей похвалы заслуживает Гилберт, по мнению моему, за то, что он произвел такое количество новых и точных наблюдений. И этим посрамлены пустые и лживые авторы, которые пишут не только о том, чего сами не знают, но и передают то, что пришло к ним от глупцов и невежд».
И вполне справедливо Гилберт считается отцом науки о магнетизме и электричестве. Кстати, и слово «электричество» введено в науку им.
А теперь перенесемся на 220 лет ближе, из Англии в Данию.
В один из январских дней 1820 года копенгагенский профессор физики Ганс Кристиан Эрстед проводил очередное занятие, знакомя студентов со свойствами электрического тока. В числе опытов было и накаливание током проводника, которым служила платиновая проволочка. Платина — дорогой металл, и Эрстед очень боялся, как бы проволочка не сгорела, и, как только она раскалялась, размыкал цепь. Так продолжалось много раз, пока кто-то из студентов не обратил внимание, что в момент включения и выключения тока стрелка лежавшего тут же на столе морского компаса отклоняется в сторону, а затем возвращается в исходное положение. Заинтересованный Эрстед начал повторять эти опыты, уже наблюдая за стрелкой. Сначала провод с током проходил над компасом. Затем ученый поместил его под компасом. Теперь стрелка отклонялась в другую сторону. Продолжая эксперименты, Эрстед установил, что сторона, в какую отклоняется стрелка, зависит также от того, к какому полюсу батареи присоединены концы проводника с током.
Так было открыто магнитное действие электрического тока. Сообщение об этом Эрстед опубликовал в июле 1820 года, а уже в сентябре знаменитый французский физик Андре Ампер начал в Парижской Академии наук чтение докладов о только что созданной им теории взаимодействия электрических токов. Тогда же он высказал гениальную догадку о природе магнетизма металлов.
Он опирался на два экспериментально установленных им факта. Помещая рядом два параллельных проводника, Ампер увидел, что когда ток в них течет в одну сторону, то проводники притягиваются друг к другу. Если же направление токов в проводниках противоположно, то они отталкиваются.
Исследуя магнитные свойства провода, свернутого в круг, Ампер нашел, что магнитное действие заметно усиливается, если несколько круговых токов действуют вместе. Он свернул провод в спираль, по форме напоминающую трубу, и назвал ее соленоидом (по-гречески «соленоид» — трубообразный). Магнитное действие соленоида оказалось таким же, как у постоянного магнита. Только в соленоиде магнитная сила возникала лишь при прохождении по спирали тока, причем при изменении направления тока менялись местами и полюсы соленоида.
Вот эти два факта и позволили Амперу высказать предположение о том, что каждый постоянный магнит является как бы скоплением естественных соленоидов — круговых токов, текущих в каждой молекуле вещества. Токи эти существуют всегда, но пока оси их вращения направлены в разные стороны, магнитные свойства тела внешне ничем не проявляются. Когда же вещество намагничивается, оси всех круговых токов поворачиваются в одну сторону и устанавливаются параллельно друг другу. Из этого следовал важнейший вывод — магнетизм вовсе не какая-то особая, самостоятельная сила природы, а лишь одно из следствий действия электрических токов. Эта гипотеза помогла сделать много открытий в области не только магнетизма, но и электричества.
Таким образом, чуть ли не за столетие до открытия строения атомов, Ампер предвосхитил вращение электронов вокруг атомного ядра. Недаром Джеймс Максвелл назвал его «Ньютоном электричества».
Вам, конечно, давно знакомы эти фамилии — Эрстед, Ампер. Пер вой обозначается единица напряженности магнитного поля, второй — единица силы тока. Это — нерукотворный памятник, который воздвигло ученым благодарное человечество.
А через пять лет после блистательных экспериментов и научных гипотез Ампера произошло еще одно важнейшее открытие. В 1825 году Вильям Стерджен, самоучка, сын английского сапожника и сам в юности сапожник, поместил в соленоид железный стержень и пустил по обмотке ток. Магнитная сила такого комбинированного магнита резко возросла по сравнению с просто соленоидом, а когда ток был выключен, полностью исчезла. Так был изобретен электромагнит, нашедший широчайшее применение в самых разнообразных машинах и приборах — от маленького дверного звонка до гигантского синхрофазотрона.
Что же такое магнетизм? Пока еще природа этого явления до конца не выяснена. Теорию магнетизма развивали многие ученые. Основы ее были заложены в двадцатых годах нашего века немецким ученым Вольфгангом Паули и в дальнейшем развиты советским физиком Я. И. Френкелем, а также немцем Вернером Гейзенбергом. Большой вклад в нее внесли советские ученые Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц, опубликовавшие свои труды в 1935 году. Еще позднее над этим плодотворно работали С. В. Вонсовский, Н. С. Акулов, Е. И. Кондорский, К. П. Белов и другие.
В 1975 году советскому физику С. В. Вонсовскому была присуждена Государственная премия за две фундаментальные монографии: «Магнетизм» и «Магнетизм микрочастиц». В них с единых научных позиций освещены все основные направления этой области науки, современные физические представления о магнетизме твердых тел, атомных ядер, элементарных частиц.
Каковы же нынешние научные воззрения на природу магнетизма? Очень упрощенно их можно изложить так. На основе созданной Нильсом Бором теории строения атомов стал ясен физический смысл круговых молекулярных токов Ампера — это электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра. Однако электроны в атоме вращаются не только вокруг ядра, но и вокруг своей оси (сравните с планетами, которые вращаются вокруг солнца и одновременно оборачиваются вокруг своей оси). Это вращение вокруг оси называется спином — от английского to spin — вращаться. Круговое движение электронов можно рассматривать как и круговой электрический ток, который создает свое магнитное поле. Следовательно, каждый электрон создает два магнитных поля — одно от вращения вокруг ядра, и одно от спина. Оказалось, что у одних веществ главную роль играют магнитные поля от вращения электронов вокруг ядра, а у других — спин электронов. Причем эти вторые вещества (их называют ферромагнетиками) обладают гораздо более сильными магнитными свойствами.
У одних веществ (железо, никель, кобальт и др.) магнитные поля, создаваемые движением электронов вокруг ядра и спином, могут складываться, образуя общее поле. Эти вещества притягиваются магнитом. У других веществ (медь, сурьма, висмут, алюминий и др.) магнитные поля, наоборот, погашают друг друга. Эти вещества магнитом не притягиваются.
Сейчас магнетизм считается побочным продуктом электричества: он возникает лишь как результат движения электрически заряженных частиц. Но еще несколько десятилетий тому назад знаменитый английский физик-теоретик Поль Дирак высказал предположение о том, что в природе может существовать элементарная частица магнетизма — монополь — точно так же, как существует элементарный носитель электричества — электрон. И все эти годы во всем мире физики ищут эту частицу. Найдут ли?
Вопрос этот имеет не только теоретический, но и практический интерес. По представлению физиков, монополь должен иметь огромный магнитный заряд и благодаря этому чрезвычайно быстро набирать энергию, разгоняясь в магнитном поле. А раз набирает энергию, значит, может и совершать работу. Причем работу «бесплатную»: ведь разгоняться он будет в магнитном поле Земли! Так что монополь представляется своего рода вечным двигателем. Некоторые зарубежные ученые уже создают проекты микродвигателей и микрогенераторов, действующих на основе монополя. Есть даже проект двигателя для океанских лайнеров. Для этого надо только «запрячь» несколько монополей, а уж они, влекомые магнитным полем Земли, потянут за собой по волнам огромный корабль. Осталось «немногое» — найти монополь.
Магнетизм — одно из важнейших свойств металлов, без которого была бы немыслима вся современная цивилизация (даже электрическая лампочка не загорелась бы, поскольку в электрических генераторах главную роль играет магнитное поле). Магнетизм нашел огромное практическое применение и найдет еще большее, когда его природа будет разгадана до конца.
