Загадка магнітного поля

Середньовічний мореплавець діловито втовкмачував юнзі: магнітна стрілка тягнеться до полярної зірки, як соняшник повертається до Сонця. Це – закон. Сьогодні нам відомо, що впертість компасної стрілки – один із проявів магнітного поля нашої планети. А саме магнітне поле – прояв чого? Чим воно створене? З тих пір, як Вільям Гільберт, один з найблискучіших фізиків XVI століття, оголосив Землю великим магнітом, не припиняються спроби знайти пояснення цьому безперечного факту. Сам Гільберт вважав, що Земля складається з магнітного каменю, ось тому-то…

Пізніше пропонувалися гіпотези про те, що магнітне поле Землі з’явилося під впливом магнітного поля Сонця або навіть Галактики в цілому… Але підрахунки показали, що в цьому випадку магнетизм Землі був би незрівнянно слабкіше, ніж це є насправді.

Потім за поясненнями вчені звернулися не до космосу, а до земних глибин. Кілька цікавих гіпотез пов’язували магнітне поле Землі з рухами, течіями в масі її рідкого металевого ядра. При таких рухах, на думку ряду вчених, повинні були виникати електричні струми, поступово намагнічуючі нашу планету. Одне із заперечень в тому, що ця гіпотеза спирається на гіпотезу ж – стан земного ядра невідомий (багато вчених вважають, що він – твердий).

В КОСМОС ЗА ВІЗОЮ

Словом, гіпотез було багато. Ось чому з таким нетерпінням чекали фізики всього світу, що скажуть з цього приводу спостереження місячника. У Місяця при його невеликій масі і низькій питомій вазі не може бути того рідкого металевого ядра, на яке спираються гіпотези Френкеля і деяких інших вчених. Значить, якщо там не виявиться магнітного поля, багато що стане ясніше. Надії збулися: Місяць виявився несхожим на Землю. Космос давав свою візу «ядерним» теоріям магнетизму.

Все, здавалося б, стало на своє місце. Але, на жаль, – ненадовго. Одна космічна ракета тимчасово заспокоїла фізиків, а інша знову внесла сум’яття в уми. У Венери, всупереч всім очікуванням, магнітне поле виявилося надзвичайно слабким. Космос брав свою візу назад.

Це вже виглядало незрозуміло. Сестра Землі, її двійник, що володіє майже тієї ж масою і, мабуть, тою же будовою (значить, таким же ядром) раптом «підвела» вчених. У чому тут може бути справа?

Будова і маса у цих двох планет, наскільки нам відомо, повинні бути подібними. А що, крім величини магнітного поля, різне? Таке є. Це – швидкість обертання навколо своєї осі. Венеріанська добу, як вважає ряд вчених, по тривалості відповідає декільком земним місяцям.

І тоді – тоді згадали про одну гіпотезу, яка була ґрунтовно забута… ні, мабуть, не забута, а занедбана. Про неї якщо й заходила мова в останні роки в працях з астрономії, то тільки мимохідь.

ЧИ ВСІ ВОЛЧКИ – МАГНІТИ

Початок їй, мабуть, поклав англієць Шустер. У 1891 році, коли магнітне поле у Сонця ще тільки підозрювалося (за формою його корони), цей вчений запропонував з’ясувати: чи не є всяке тіло, що обертається магнітом?

Роки віддав розробці цієї гіпотези російський фізик П. М. Лебедєв. Він зробив спробу пояснити появу магнітного поля у обертового тіла. Лебедєв припускав, що під впливом відцентрової сили негативні заряди (тобто електрони) в атомах дещо зміщуються перпендикулярно до осі обертання.

В результаті тіло на поверхні виявляється зарядженим негативно, що і викликає появу магнітного поля. Кільце діаметром в шість сантиметрів робило в досліді Лебедєва до тридцяти п’яти тисяч обертів на хвилину. Але самий чутливий на ті часи магнітометр не знайшов появи магнітного поля.

Однак Лебедєв закінчив статтю про свій експеримент словами впевненості в тому, що можна провести нові, більш точні досліди, висунути інші, ближчі до істини гіпотези.

СОРОК РОКІВ ПІСЛЯ

У 1947 році по фізичним журналам світу пройшла стаття англійця М. С. Блекета. Пояснюючи народження магнітного поля, він не посилався в ній на закони електродинаміки і електростатики, на зміщення зарядів в атомі тощо. Він просто припустив, що поява магнітного поля навколо обертового тіла – новий закон природи. Здавалося б, це було відступом перед труднощами. Адже він просто відмовився пояснити явище, виходячи з відомих тоді фізичних законів.

Але в науці це – дуже сміливий крок: Лише в рідкісних випадках він буває виправданий – тоді, коли відбуваються великі відкриття. Так, коли було експериментально показано, що швидкість світла не залежить від швидкості його джерела – це було новим науковим фактом. Коли на основі його була побудована спеціальна теорія відносності, факт був, так би мовити, зведений у ранг закону. Поява, вірніше, пізнання нових законів природи – річ природна. Якщо старі відомі закони не можуть пояснити нових фактів – доводиться шукати нові закони.

Блекет спробував дати формулу залежності магнітного поля від обертання тіл. У його розпорядженні були дані про швидкість обертання і магнітні поля трьох небесних тіл – однієї планети і двох зірок. Планета, звичайно, Земля. Одна із зірок, зрозуміло, Сонце. А друга? У тому ж 1947 році дуже хитрим шляхом було виміряно магнітне поле одного білого карлика, зірки Е 78 із сузір’я Діви.

Магнітне поле тіла характеризується його магнітним моментом. Обертання тіла, з врахуванням його розмірів і маси, – кутовим моментом. Так ось, вже давно було відмічено, що магнітні моменти Землі і Сонця відносяться один до одного так само, як їхні кутові моменти. Білий карлик із сузір’я Діви дотримувався цієї пропорційності.

І, нарешті, сам коефіцієнт пропорційності – відношення магнітного моменту тіла до кутового – виходив досить привабливим для вченого. Він був приблизно рівний кореню квадратному з гравітаційної постійної, поділений на подвоєну швидкість світла.

Як хочете, а такі збіги рідко виявляються випадковими. Тим більше, що магнітний момент Сонця більше магнітного моменту Землі в кілька десятків мільйонів, а магнітний момент зірки Е 78 – в десятки мільярдів раз. І точно та ж пропорція дотримується у кутових моментів.

ВІДСТУП ПРО ТОЧНІСТЬ

Втім, точно та ж – це не зовсім вірно. Відносини магнітного моменту до кутового у Сонця і зірки Е 78 сузір’я Діви майже рівні, а у Землі – вони, приблизно, вчетверо менше.

Значить, пропорційність дотримана природою не так вже точно? Ні, просто фізика і астрофізика далеко не завжди ті надточні науки, якими ми ще за шкільною партою звикаємо їх рахувати. У наукових статтях по деяким розділам фізики можна прочитати епічно спокійне зауваження «про можливість помилки в два-три порядки». А адже це означає – в сто – тисячу разів!

А одного разу мені довелося прочитати в науковому журналі статтю, автор якої зазначав у роботі іншого вченого помилку «на десять порядків» – в десять мільярдів разів. І, тим не менш, стаття винуватила в помилці не стільки вченого, скільки надзвичайну складність явищ, з якими він мав справу. До того ж для відхилень Землі від пропорції можна знайти пояснення.

Продовження читайте в наступній статті.

Автор: Р. Подольний.