История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие - Дональд Протеро
21. Как палеомагия дала начало тектонике плит
Природные магнетиты
Magnus magnes ipse est globus terrestris. (Земля сама по себе является огромным магнитом.)
Уильям Гильберт. О магните
Фрагмент головоломки № 1: Магнетиты и магнетизм Земли
С античных времен людей озадачивали некоторые камни, которые называли магнитами[79]. Теперь известно, что это были куски минерала магнетита (рис. 21.1). Еще в VI в. до н. э. греческий философ Фалес Милетский описывал, как эти особые камни притягивались друг к другу и как к ним прилипали мелкие железные предметы. Упоминания о притягивающих камнях есть в китайском труде IV до н. э. «Гуй Гу-цзы» (неизвестный автор книги укрылся за псевдонимом, означающим «Ученый из Долины бесов»). Китайская хроника III в. до н. э. «Люйши чуньцю» содержит утверждение: «Магнит притягивает железо: будто кто-то тянет»[80]. В трактате «Лунь хэн» («Критические рассуждения»), появившемся в конце I в. н. э., отмечается, что магнит притягивает иглу. К XII столетию китайские мореплаватели соединили магнит с пробкой, которая плавала в воде: получился примитивный компас. А в 1190 г. Александр Некхэм описал компас из магнитного камня, сообщив, что к тому времени такие компасы были широко распространены не только в Китае, но и в Европе.
Рис. 21.1 Галилей предложил вариант компаса, в котором на проволоке был подвешен кусок природного магнетита. Поскольку он мог свободно поворачиваться, устройство годилось для определения магнитного севера. Источник: Wikimedia Сommons
Веками высказывались предположения, какая таинственная сила заставляет магнит искать север и притягивать другие магниты или куски железа. Слово «магнетизм» фактически стали применять к любой необъяснимой силе, действующей на расстоянии, не имеющей никакой реальной связи с тем, что мы теперь знаем о магнитах или электричестве. Даже сегодня мы все еще говорим о «животном магнетизме» или о «магнетических личностях». Но в 1600 г. английский естествоиспытатель и физик Уильям Гильберт опубликовал написанную им на латыни (языке ученых в то время) книгу под названием «De magnete» («О магните»)[81], в которой обобщил почти все, что было известно о магнетизме и магнитах на тот момент. Его работа считается началом современного понимания электричества и магнетизма. Ученый пришел к верному заключению, что вокруг стержневого магнита существуют невидимые поля, которые притягивают другие магнитные объекты, и что это можно наблюдать, если рассыпать вокруг магнита железные опилки. Он также утверждал, что вся Земля должна быть огромным магнитом, и это объясняло, почему магнит всегда указывает на север. Намного опередив свое время, он писал, что в недрах Земли должна находиться колоссальная масса железа; ученые подтвердили это гораздо позже – с помощью сейсмологии и исследований гравитации и метеоритов (см. главу 10).
Гильберт также правильно отмечал, что Земля вращается вокруг своей оси, и, пользуясь намеками, поддерживал гелиоцентрическую систему Коперника (работа Коперника была опубликована в 1543 г.), хотя эта идея все еще считалась ересью для большей части христианского мира. Вспомните, что это было еще за три десятка лет до того, как Галилей станет отстаивать гелиоцентрическую систему, а инквизиция – угрожать ему пытками, если он не отречется от своей ереси. Гильберт указал, что представление о «неподвижных звездах» на огромном куполе небес (так тогда было принято считать) абсурдно – как абсурдна и концепция «небесных сфер», по которым перемещаются планеты под этим куполом. Он понял, что звезды – точки света от источников, расположенных на огромных расстояниях от нас. Гильберт также занимался изучением природы статического электричества и даже назвал эту силу электрической: он ввел слово electricus, что буквально означает «напоминающий янтарь». Это определение восходит к латинскому electrum (янтарь), а далее к греческому обозначению янтаря ἤλεκτρον: ведь можно легко создать статический заряд, потерев кусок янтаря о ткань.
У Гильберта не было возможности продолжить свою блестящую работу, потому что он скончался (возможно, от бубонной чумы) всего через три года после публикации книги. Однако на протяжении столетий изучение магнитов и дальнейшие прорывы в понимании электричества были на переднем крае научных исследований. В начале XIX в. Майкл Фарадей провел множество экспериментов, которые продемонстрировали природу магнитного поля Земли и связь между магнитными и электрическими полями. В 1860-х гг. Джеймс Клерк Максвелл с помощью математики блестяще объяснил эксперименты Фарадея.
Источник магнитного поля Земли долгое время оставался загадкой, с которой связано много мифов. Древние философы и натуралисты предполагали, что источник силы находится где-то в небесах, потому что магнит действовал в воздухе без какой-либо очевидной физической причины. Во времена греков и римлян считалось, что сила создается некой огромной магнитной горой где-то далеко на севере[82]. Греческий философ и астроном Клавдий Птолемей из Александрии (тот самый Птолемей, что создал систему эпициклов для объяснения проблем с орбитами планет в геоцентрической системе[83]) упоминал острова недалеко от Борнео, которые притягивают корабли с железными гвоздями. В знаменитых арабских сказках о Синдбаде-мореходе из цикла «Тысяча и одна ночь» изложена легенда о магнитной горе, которая вытянула из корабля все гвозди и другое железо, после чего он распался на части. Прославленный картограф Меркатор изобразил железную гору на Северном полюсе, а когда это не помогло объяснить проблемы с направлением магнитного поля, возникающие из-за разницы между Северным географическим полюсом и Северным магнитным полюсом, он поместил в верхней части своей карты две железные горы.
Истинную причину магнитного поля Земли обнаружили только в середине ХХ в., когда геологи пришли к заключению, что у Земли есть ядро из плотного сплава железа и никеля (см. главу 10). Температура ядра превышает 4000 ℃: это слишком много для существования в центре какого-то постоянного стержневого магнита (твердые стержневые магниты размагничиваются, если их нагреть выше 650 ℃). В 1946 г. Вальтер Эльзассер впервые выдвинул предположение, каким образом движения потоков железа в ядре могут генерировать наблюдаемое магнитное поле Земли. Затем появилась работа физика Эдварда Булларда, который впервые
