Текст книги "Физика и астрофизика: краткая история науки в нашей жизни"

Как сделать атомную бомбу

Проблема применения накопленных знаний в целях разрушения встает перед человечеством каждый раз, когда оно овладевает какой-то новой энергией. Овладели огнем – придумали, как использовать его в военном деле. Изобрели порох, стали воевать с его помощью. Изобрели аэропланы – начали на них воевать. Ну и, разумеется, когда в начале XX века люди открыли феномен радиоактивности и поняли, что перед ними источник энергии необычайной силы, тут же встал вопрос: а как его применить для убийства других людей? Ведь энергия распада атомных ядер огромна, и Эйнштейн вовсе не зря сравнивал ее с овладением огнем. Только Эйнштейн мечтал об атомных электростанциях, а военные – об оружии.

«А нельзя ли сделать атомную бомбу на основе явления распада?» – задумался в свое время Гитлер. Точнее, не сам Гитлер, конечно, он-то в физике не разбирался и вообще имел довольно специфические представления о реальности. Задумались немецкие физики. Им было о чем подумать…

Мария и Пьер Кюри работали над проблемой распада вещества еще до Первой мировой войны, которая прокатилась по Европе тяжелым бульдозером. Германия ту войну проиграла. В результате в Германии пришел к власти фюрер, и через двадцать лет после Первой мировой началась Вторая мировая война. Но физики, принявшие у супругов Кюри эстафету исследований, не обращая внимания на политические бури и войны, увлеченно продолжали работу. И вот всего за год до начала Второй мировой войны физики обнаружили одно чертовски интересное явление.

Распад урана под воздействием случайного протона

Оказалось, что если в ядро изотопа урана-235 попадает случайный нейтрон, ядро может развалиться. Оно ведет себя как капля жидкости – в эту «жидкость» ударяет прилетевший нейтрон, от удара «капля» деформируется, из круглой становясь продолговатой, то есть ее края разъезжаются. И в этот миг расстояние между протонами на дальних краях начинает превышать радиус действия ядерных сил, то есть того самого сильного взаимодействия, которое и держит нуклоны в ядре. Оно ведь очень короткодействующее! И тогда силы электростатического отталкивания между дальними протонами расталкивают куски ядра с огромной скоростью. Ядро урана разваливается на две части – барий и криптон (найдите эти вещества в таблице Менделеева). При этом еще получается уйма энергии в виде гамма-излучения и парочка лишних свободных нейтронов.

Физики подсчитали, что из одного грамма урана-235 можно извлечь энергии столько же, сколько от сжигания 3 тонн каменного угля, если реакция распада будет идти не затухая. Но что должно инициировать дальнейшую реакцию? Да вот те самые два нейтрона, которые получились в ее результате! Мы начали с одного случайного нейтрона, в результате нейтронного удара по ядру получили осколки, кучу энергии и еще целых два нейтрона. Если теперь оба они попадут в соседние ядра и разрушат их, то у нас получится уже 4 свободных нейтрона! Если те попадут в соседние ядра, будет 8 нейтронов. Потом 16. И так далее. Пойдет цепная реакция распада с высвобождением все большей и большей энергии. Взрыв!

Атомный взрыв!

А если эта парочка нейтронов не попадет по соседним ядрам, а вылетит из куска урана и будет поглощена окружающей средой? Тогда цепная реакция не пойдет. И взрыва не будет.

Для взрыва нужно, чтобы первое делящееся ядро урана-235 довольно плотно окружали такие же ядра. Нейтронное излучение очень проникающее, нейтрон может пролететь в металле довольно долгий путь, не попасть при этом ни в одно ядро и вылететь из куска металла на волю. А попасть нейтрону в соседнее ядро не так-то и просто, потому что атом ведь практически пуст! Его маленькое ядро окружает довольно разреженная шуба электронных орбит. Это огромная планетная система! Вокруг ядра урана летает 92 электрона.

Попасть нейтроном в ядро все равно, что горошиной в горошину на расстоянии в сотни метров. Вероятность попадания ничтожна. Но ведь и атомов в веществе миллиарды, а значит, вероятность попадания вырастает в миллиарды раз! То есть ничтожно малую величину нам нужно умножить на огромную и посмотреть, что перевесит. Иными словами, возникает вопрос: сколько атомов урана-235 надо слепить в комок, чтобы получившиеся в результате первичной реакции нейтроны попали все-таки в ядра атомов прежде, чем вылетят из куска металла?

Ответ на этот вопрос есть: критическая масса урана-235 содержится в шарике диаметром всего в 18 сантиметров и массой в 52 кг. Небольшой мячик такой, но увесистый. В этом количестве металлического урана-235 содержится как раз такое число атомов, которое гарантированно обеспечит цепную реакцию – ядерный взрыв. То есть если сложить полмячика и полмячика вместе, они взорвутся.

Другое дело плутоний-239. Из него тоже можно делать шикарные атомные бомбы, причем критическая масса плутония составляет всего 11 кг при диаметре шарика в 9 см.

В общем, если слиток радиоактивного металла превышает критическую массу, он сам по себе взрывается. А если не превышает, ядра атомов в куске металла просто постепенно распадаются, металл греется, гамма-излучает, но не взрывается, поскольку не начинается цепная реакция – нейтроны не успевают попасть в соседнее ядро, как уже вылетают из слитка наружу.

Итак, в марте 1939 года, за несколько месяцев до Второй мировой войны, французские физики опубликовали статью о том, что из металлического урана можно добывать энергию для мирных целей, а также использовать его в военном деле для создания бомб чудовищной мощности. Эта статья не осталась незамеченной. И потому уже в апреле к военным властям Германии обратились немецкие физики с предложением создать урановую бомбу.

К 20 сентября идея дошла до Гитлера. Вторая мировая война шла к тому времени уже три недели, правда, тогда еще никто не знал, что началась именно мировая война – немецкие войска успешно давили последнее сопротивление поляков, а им на помощь за три дня до указанной даты пришли советские войска, напавшие на Польшу с другой стороны. Казалось, военный пожар уже практически угас: Польша, согласно договору о дружбе, заключенному между Германией и СССР, поделена между двумя друзьями и перестала существовать, а Гитлера тем не менее ставят в известность о том, что возможно создание чудо-оружия.

Гитлеру даже показали мультфильм, в котором самолет с крестами на крыльях сбрасывал над Англией какой-то металлический ящик, после чего разворачивался и улетал обратно. Когда самолет был уже достаточно далеко от места сброса, срабатывает взрыватель, который резко сближает две половинки критической массы металла, – и происходит ядерный взрыв. Вспышка – и Лондона нет. Миллионы людей гибнут в один момент.

Гитлер был в восторге от этого мультика! Он захлопал в ладоши и выделил ученым финансирование для создания столь чудесного приспособления.

Так началась работа по созданию урановой бомбы. Координировал всю работу Физический институт, который возглавлял великий немецкий физик Гейзенберг, именем которого назван так называемый принцип Гейзенберга, о котором мы еще поговорим. Гейзенберг был гений, он получил Нобелевскую премию в 32 года, а это о многом говорит.

Создание атомной бомбы – процесс непростой. Он находился на самом острие науки, человечество еще никогда ничего подобного не создавало, нужно было решить массу непростых чисто инженерных задач. Для этого у немцев было, казалось, все необходимое – талантливые физики, мощная научная школа, отличная передовая промышленность.

Однако для того, чтобы добывать уран, нужны еще две вещи – урановая руда и тяжелая вода. С рудой все понятно. Как железо добывается из железной руды, так и уран – из урановой. Но месторождений железной руды на земле много, потому что железо – очень распространенный химический элемент. А вот уран – элемент очень редкий, его месторождений на земле не так много. Правда, немцам повезло. Урановое месторождение было в Чехии, а Чехию немцы к тому времени уже захватили. Там добывали как раз ту самую руду – смоляную обманку, с которой экспериментировала Мария Кюри.

А вот зачем нужна тяжелая вода? И что это вообще такое?

Мы с вами уже знаем, что такое тяжелый и сверхтяжелый водород. Это дейтерий и тритий, то есть водород, у которого в ядре атома не одинокий протон, а протон с нейтроном (дейтерий) или даже с двумя нейтронами (тритий). Так вот, тяжелая вода – это вода, сделанная не из кислорода и водорода, как обычная вода, а из кислорода и тяжелого водорода. Если вода дейтериевая, она называется тяжелой, а если тритиевая – сверхтяжелой.

Молекулы тяжелой и сверхтяжелой воды всегда содержатся в очень небольшом количестве среди молекул обычной воды (на 7000 молекул обычной воды приходится одна тяжелая). Именно из обычной воды тяжелую воду и добывают путем обогащения – как из руды полезный материал. Правда, процесс этот долгий, нудный и весьма энергозатратный. Впервые небольшое количество тяжелой воды физиками было добыто в 1933 году – как раз в тот год, когда фашисты пришли к власти в Германии.

Любопытно, что свое название тяжелая вода вполне оправдывает, она действительно тяжелее обычной воды. А сверхтяжелая вода соответственно еще тяжелее. Сверхтяжелая вода замерзает при температуре +9°С. а кипит при температуре +104°С.

Ученые – существа любопытные. Им было интересно, как отнесутся к тяжелой воде живые существа. Выяснилось, что в небольших дозах – нормально. Человек может хлопнуть стакан-другой тяжелой воды, и ему ничего не будет. Другое дело, если все время поить животное только тяжелой водой.

Человек, как и прочие живые существа, примерно на 70 % состоит из воды. Все жизненные биохимические реакции в нашем теле идут в водном растворе. Когда мы пьем воду, она всасывается, проходит через все клеточки, принося туда вместе с собой питательные вещества в виде раствора. А затем выводит из клеточек продукты распада и отходы. Таким образом, человек – большой сложный фильтр, который все время промывается. И что же будет, если начать его или другое живое существо «промывать» тяжелой водой?

Над людьми такие эксперименты, конечно, не ставились, но вот опыты над животными показали, что постепенное упорное замещение в организме обычной воды на тяжелую даром не проходит. Когда четверть всей воды, из которой состоит организм, заменена тяжелой, животное теряет способность к размножению. А когда концентрация тяжелой воды достигает половины, животное погибает. И этот эффект достигается всего за неделю.

Почему такое происходит? Казалось бы, какая разница организму, какая в нем вода? А все дело именно в тяжести. Поскольку в ядре атома тяжелого водорода вдвое больше нуклонов, молекулы тяжелой воды больше весят и потому чуть хуже и медленнее участвуют в биохимических реакциях, сбивая тонкие настройки организма, который сначала компенсирует эти изменения, а потом просто перестает справляться.

Не менее интересен вопрос, а сколько видов тяжелой воды существует?

Мы знаем два вида – тяжелая (в которой вместо водорода дейтерий) и сверхтяжелая воды (в которой вместо водорода тритий). Но!

Но в молекуле воды два атома водорода! Смекаете?

А что, если не оба атома водорода, а только один будет заменен дейтерием? Возможно такое?

Конечно! Как правило, так и есть. Подобную воду – из водорода и дейтерия – называют полутяжелой. И вероятность такого варианта как раз намного больше, чем вероятность того, что два столь редких изотопа, как дейтерий, встретятся с одной молекулой кислорода, чтобы образовать молекулу тяжелой воды. В природе чаще встречается вода полутяжелая.

Ученые люди обычный водород обозначают латинской буквой Н (от латинского слова Hydrargyrum), тяжелый водород обозначают значком D (дейтерий), а сверхтяжелый – значком Т (тритий).

А теперь попробуем написать все возможные комбинации, которые могут изотопы водорода образовывать с кислородом (О):

Н-О-Н – обычная вода;

D-O-H – полутяжелая вода;

D-O-D – тяжелая вода;

Т-О-Т – сверхтяжелая вода;

T-O-H – не имеет специального названия, давайте назовем ее «сверхполулегкая» вода;

D-O-T – не имеет специального названия, предлагаю назвать ее «сверхполутяжелая» вода.

Но и это еще не все! Ведь изотопы имеются не только у водорода, но и у кислорода! Помимо обычного кислорода-16 существуют еще стабильные изотопы О¹⁷ и О¹⁸. Вода с такими тяжелыми изотопами кислорода называется тяжелокислородной.

И если теперь записать все возможное количество комбинаций, которые могут составить между собой изотопы кислорода и водорода, получится 18 видов различных «вод». Причем 9 из них стабильные, а 9 других слаборадиоактивные.

Так вот, тяжелая вода была нужна Гитлеру, точнее, его физикам, как элемент технологического процесса при обогащении радиоактивного металла – в качестве замедлителя цепной реакции.

Правда, изготовить ядерную бомбу до конца войны нацисты так и не успели. Первыми атомную бомбу сделали американцы и даже успели ее применить в войне с Японией. Урановую бомбу они сбросили на японский город Хиросиму, а плутониевую – на город Нагасаки.

Хиросима была уничтожена практически полностью, там одномоментно погибло 80 тысяч мирных жителей, причем среди них были и американские военнопленные. В Нагасаки погибло 75 тысяч мирных жителей. И впоследствии еще десятки тысяч в обоих городах умерли от лучевой болезни.

Это было первое и последнее военное применение ядерного оружия в истории земной цивилизации.

Через какое-то время после того, как физики открыли три вида ионизирующего излучения (альфа, бета, гамма), они обнаружили еще один вид – нейтронное излучение. Из названия понятно, что нейтронное излучение – это просто поток энергичных нейтронов, летящих с большой скоростью. Они очень опасны при проникновении в тело. Поэтому была даже придумана нейтронная бомба (разновидность атомной бомбы), которая при взрыве давала сравнительно небольшие разрушения зданий и сооружений, но убивала все живое мощным нейтронным излучением. Нейтронное оружие никогда не применялось, но идея была именно такой – выкосить излучением живую силу противника.

Нейтронное излучение легко прошивает даже танковую броню толщиной в 15–20 сантиметров. На это и был расчет у изобретателей. Никто не укроется!.. Однако вскоре выяснилось, что нейтроны легко задерживаются материалами, содержащими водород, – водой, полиэтиленом, парафином, из которого свечи делают. Недорогие добавки к броне надежно защищали экипаж, а простая полуметровая насыпь из влажного грунта, за которой могли спрятаться пехотинцы, ослабляла нейтронное излучение в сто раз.

Правда, у нейтронного излучения есть еще вторичный фактор поражения – взаимодействуя с различными веществами, нейтроны могут создавать радиоактивные изотопы в этом веществе. Мы помним, что изотоп – это атом, в ядре которого есть лишние нейтроны. Так вот, если вещество наберется этих шальных нейтронов, в изобилии летящих от бомбы, оно потом начинает само излучать.

Поэтому нейтронную бомбу еще называют грязной бомбой.

Часть II. Помимо вещества

Поле чудес

Мы теперь знаем, как устроено вещество. Оно сделано из нейтронов, протонов и электронов. Из нейтронов и протонов собираются атомные ядра. А летающие вокруг ядра электроны образуют атом в сборе, причем количество электронов равно количеству протонов. Если же пару электронов смахнуть с атомной орбиты веником, останется положительно заряженный недоатом – ион.

А еще нам теперь известно, что помимо вещества, сделанного из атомов, в мире существуют некие лучи. Мы также знаем, что по крайней мере часть лучей состоит из частиц, например, нейтронное излучение, а также электронное излучение, которое по-другому еще называют бета-излучением. Такое излучение просто представляет собой поток частиц, летящих в пространстве, то есть обычное вещество. Но вот другие лучи сделаны бог знает из чего. Например, солнечные, рентгеновские или гамма-лучи – они из чего состоят?

Мы помним: Ньютон полагал, будто солнечный свет – это поток неизвестных электронейтральных частичек – корпускул. Но ему другие дяденьки возражали: нет, свет – это просто волна, то есть колебание все пронизывающего мирового эфира.

То есть свет – это или струя мелкого «гороха», или волна колебания среды, которая заполняет все пространство вселенной.

А еще что-нибудь в этом мире есть, кроме вещества, непонятных лучей, пространства и времени?

Есть. Поле…

К этому понятию физики пришли, раздумывая над вопросом, как передается взаимодействие между предметами и частицами.

Ну, в самом деле, как передается воздействие? В макромире, где мы живем, все понятно – шахтер вагонетку толкнул, она поехала. Груз к пружине подвесили, она растянулась. Два бильярдных шара столкнулись с приятным стуком и разлетелись. А если бы не столкнулись, не разлетелись бы. Ведь чтобы передать воздействие на предмет, нужно к нему подойти. Издалека-то разве можно на предмет воздействовать, мы же не колдуны?! Не прикасаясь к вазе, стоящей на столе, ее не сдвинешь. Толкнуть надо!

Но иногда воздействие передается и на расстоянии, вы прекрасно это знаете. Если поднести магнит к скрепке, лежащей на столе, она почувствует этот магнит не в момент касания, а раньше – и сама прыгнет на него!

А если потереть янтарь шерстяным носком, янтарь начнет притягивать мелкие бумажки – тоже на расстоянии, еще до касания.

Яблоко опять же падает с яблони на землю. Земля его притягивает на расстоянии, и едва оно теряет связь с деревом, как сразу устремляется вниз. Точно так же притягивает Землю Солнце, отчего планета наша вокруг светила вращается. Иначе бы давно улетела в мировое пространство.

А еще точно так же на расстоянии электроны чувствуют протоны, притягиваясь к ним. И вращаются вокруг ядра атома, словно планетки.

Видите, кругом тела воздействуют друг на друга на расстоянии. Как это возможно? Посредством чего? С помощью какого волшебства?

Когда сталкиваются бильярдные шары, тут все вроде бы понятно – они упругие, непосредственно взаимодействуют аж со стуком и разлетаются. А вот магнит… Как он действует дистанционно? Какими такими невидимыми ручками притягивает к себе скрепку? Разве не удивительно – самого предмета в этом месте пространства еще нет, а его влияние уже чувствуется другими предметами!

Вот тут физики и предложили свой вариант ответа. Наверное, есть некое невидимое поле, окружающее магнит, решили они, попав в которое железки начинают притягиваться. Поле это распространяется вокруг магнита и затухает с расстоянием, его сила постепенно падает до нуля. Поле магнита так и назвали – магнитным. С его помощью и происходит взаимодействие.

И у всякой массы тоже есть свое – гравитационное – поле. У малых масс оно слабенькое, а у большой Земли поле очень сильное, поэтому нас всех к ней притягивает.

И есть еще электрическое поле, которое притягивает бумажки к наэлектризованному янтарю и электроны к протонам.

Вот так все решили объяснить физики. Ловко! Взяли и заявили, будто существует некая невидимая и неосязаемая материя, окружающая тела.

Но если поле реально существует, значит, у него должны быть какие-то свойства, которые можно изучить. Физики стали их изучать, чтобы подтвердить свою догадку. И вскоре путем экспериментов нашли способ это самое невидимое поле визуализировать – косвенным образом, конечно же, – точно так, как мы наблюдаем черные пятна на фотоснимке, оставшиеся от невидимого рентгеновского излучения. То есть мы наблюдаем не сами рентгеновские лучи, а их следы, проявление.

Чтобы увидеть проявления магнитного поля, надо взять магнит, накрыть его листом бумаги и насыпать сверху крохотные железные опилки. И опилки, чувствующие поле, тут же расположатся в определенном порядке, показав нам устройство поля. Классический школьный опыт!

Визуализация магнитного поля с помощью железных опилок. Посмотрите, опилочки словно малюсенькие стрелочки компаса лежат вдоль дугообразных линий. Эти линии назвали силовыми линиями поля. Силовые линии поля словно выходят из северного полюса магнита (N) и, описав дугу, возвращаются в его южный полюс (S)

Дальше больше – выяснилось, что магнитное поле взаимодействует с электрическим. И вообще оно чем-то похоже на электрическое. В электричестве есть два заряда – положительный и отрицательный. И у магнита есть два полюса – северный и южный. Одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. И у магнитов так: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются!

Вот только электрические заряды можно разделить, накопив на каком-то предмете положительный заряд или отрицательный (если на предмете будет избыток электронов, как на янтаре, который шерстью потерли, он будет отрицательно заряжен, а если недостаток электронов – он будет заряжен положительно). А вот магнитные полюса разделить нельзя! Если мы разрежем магнит на две части посередине, на месте разреза тут же образуются новые полюса, и у нас в руках снова будет два двухполюсных магнита. Не бывает однополюсных магнитов!

На данном рисунке воображаемые линии поля нарисованы с условными стрелками

А как магнитное поле взаимодействует с электрическим? Весьма хитро! Магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Если заряд относительно магнита покоится, замер, затаился, никакого взаимодействия нет, они просто не замечают друг друга, как кошка подчеркнуто не замечает неподвижный фантик. Но если фантик тронется, кошка начнет за ним настоящую охоту!.. Так и тут – стоит заряду двинуться, как магнитное поле его тут же «замечает» и начинает хватать и тащить.

Но что такое движущиеся заряды? Это, например, электрический ток в проводе! Возьмем проводник, то есть, попросту говоря, прямой провод, пропустим через него поток электронов и поместим в магнитное поле. Что получится?

Опыт Эрстеда. Слева батарейка. По проводу течет ток, под проводом – стрелка компаса. Нет тока – стрелка повернута как положено – по направлению север-юг. Но стоит пропустить по проводу ток от батареи, как стрелка забывает о магнитном поле Земли и повинуется бо́льшей силе – магнитному полю проводника с током

Такой опыт еще в начале XIX века поставил физик Эрстед. XIX век называют веком угля и пара, но это был еще и век покорения электричества. Эрстед, Вольт, Ампер, Фарадей – ученые, чьими именами сегодня названы различные физические единицы (силы тока, напряжения и т. д.), – это все великие имена XIX века… Открытие Эрстеда было случайным, как и многие другие открытия в науке. Демонстрируя студентам простейшую электрическую схему с батареей, Эрстед замкнул контакты выключателя, пустив по цепи ток, и увидел, как стрелка лежащего рядом компаса дернулась и повернулась перпендикулярно к проводнику.

«Между магнетизмом и электричеством есть связь!» – смекнул Эрстед. И дальнейшие опыты другого физика – Фарадея – эту связь не просто подтвердили, она оказалась неразрывной! Движущиеся электрические заряды порождали вокруг себя магнитное поле (на которое и реагировала стрелка компаса), и наоборот – движущийся внутри проволочной катушки магнит порождал в проволоке электрический ток (см. рисунок ниже).

Опыт Фарадея. Ушлый Фарадей совал магнит в деревянную катушку с намотанным проводом и диву давался: сунешь – прибор показывает, что по проволоке пробежал ток, и бежит он, пока магнит движется внутрь катушки. Обратно магнит начинаешь вынимать – стрелка отклоняется в другую сторону, то есть электрический ток течет в другую сторону, но течет он по проводам только пока вынимаешь магнит, то бишь пока магнитное поле вокруг проводов движется. А если магнит неподвижен, тока нету. Такие дела…

Так были придуманы генераторы и электромоторы! Ведь если безостановочно двигать внутри замкнутых проводников магниты, в проводниках будет возникать постоянный электрический ток. На этом принципе Фарадея работают все электростанции: река крутит турбины с магнитами внутри катушек, и по линиям электропередачи к потребителям идет ток. А там этот ток используют для освещения или переводят обратно в механическое движение, то есть во вращение токарного станка или, скажем, компрессора холодильника. Это делается по тому же принципу, только в обратном порядке – по принципу Эрстеда бегущий по хитро сплетенным проводникам ток приводит в движение магниты, то есть ротор электродвигателя, на которое насажено сверло или еще что-нибудь полезное… Вот в предельно упрощенной форме вся суть современной электрической цивилизации.

Вот вам принципиальная схема генератора постоянного тока, крутишь внутри рамки магнит – получаешь ток. Не крутишь – не получаешь

На схемах всё выглядит практически одинаково, но в инженерной реальности всё, конечно, гораздо сложнее – появляются угольные щетки токосъемников, сложная намотка проводов и так далее. Нам же главное не ковыряться в железе, а понять основной принцип работы генератора и электромотора: движущийся электрический заряд порождает вокруг себя магнитное поле. Это люди и научились использовать в неизмеримой хитрости своей.

А вот вам принципиальная схема электромотора. Подаешь на него ток – начинает крутиться магнит. Не подаешь – не начинает

Вы поняли? Еще раз… Движение зарядов по проводнику в опыте Эрстеда порождает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем стрелки компаса. И поворачивает ее. То есть движущееся электрическое поле порождает поле магнитное!

А движущееся магнитное поле в опыте Фарадея с катушкой порождает электрическое поле. Которое, взаимодействуя с электрическим полем электронов, толкает их по проводнику.

Одно поле порождает своим движением другое!

Продолжив эксперименты Эрстеда и Фарадея, наука постепенно поняла, что магнетизм и электричество есть одна и та же сущность, которую назвали электромагнитным полем. Просто в разных экспериментах мы видим разные ипостаси, то есть проявления этой физической сущности: у постоянного магнита мы видим только магнитную составляющую электромагнитного поля, а у одинокого неподвижного зарядика – только электрическую его составляющую.

Это как орел и решка у монеты. Орел и решка вроде бы разные, но это всего лишь две стороны одной реальности по имени монета. Так и магнетизм с электричеством – две стороны одной реальности по имени электромагнитное поле.

Но что же такое поле по сути своей, господа и дамы? Из чего оно сделано?

Вот, например, на этой картинке изображено магнитное поле проволоки с током. Оно – круговое. Силовые линии этого поля замкнуты. Это подтверждают и металлические опилки, рассыпанные на бумажке, которую проткнули проводником

Вопрос, конечно, интересный. И физиков он, разумеется, всегда занимал. Но физики народ выдержанный. Если они не могут пока ответить на какой-то вопрос – например, из чего сделан предмет, – они на время откладывают этот вопрос в сторону и спокойно изучают свойства этого предмета. Так, например, до сих пор никто не знает, что такое заряд по сути своей. Но это же не мешает нам пользоваться розеткой! Потому что физики прекрасно изучили свойства этой таинственной сущности. И может, когда-нибудь с более глубоких позиций поймут, что такое заряд. Но для того, чтобы пользоваться чем-либо, до таких глубин добираться не нужно, вы же пользуетесь телевизором, не зная, как он устроен внутри. Просто усвоили, что если нажать такую-то кнопку – случится то-то и то-то. Именно так и ведет себя наука по отношению к миру. Только она еще пользуется математикой для описания.

Еще вопрос. Если магнитное поле порождается движущимся электрическим зарядом и наоборот, то чем же порождается магнитное поле постоянного магнита? Ну, в самом деле, почему вот эта вот железка, тупо лежащая на столе, все время магнитит? Магнитное поле должно быть порождено движущимися зарядами! А где там они в куске железки?

Есть там зарядики! Это электроны, движущиеся по своим орбитам! Просто в магните атомы расположены в таком порядке, что электротоки синхронно крутящихся электронов как бы складывают свою силу, образуя единое магнитное поле. Упорядочивание расположения атомов в железке и называется намагничиванием. Если магнитные поля электрончиков расположены хаотично, как это бывает во всяком другом веществе, то все их магнитные поля компенсируются, и никакими магнитными свойствами в среднем вещество не обладает. Но в некоторых веществах атомы можно развернуть и расположить в определенном порядке. Тогда магнитная сила их электронов начинает складываться, и мы имеем магнит.

Впервые эту идею о существовании в куске магнита неких элементарных токов высказал гениальный французский физик Ампер. До него люди все искали особые магнитные заряды – наподобие зарядов электрических. И они были по-своему правы: на уровне микромира электрическое поле порождается электрическими зарядами, присущими микрочастицам. Они и есть носители поля, которое вокруг себя распространяют. Значит, магнитное поле тоже должно порождаться особыми магнитными частицами!.. Но Ампер сказал: да нету их, не ищите, магнитное поле порождается какими-то элементарными токами внутри самого металла!.. Это была гениальная догадка, ведь об электронах тогда еще ничего не знали, а планетная теория атома была разработана только через сто лет. На сто лет опередил свое время гениальный Ампер!

Ну, а раз никаких отдельных магнитных зарядов нет, а есть лишь заряды электрические, которые просто движутся и порождают вокруг магнитное поле… Если эти зарядики по-разному себя проявляют – то в виде электрических явлений, то в виде магнитных, – значит, электромагнитное поле действительно едино. И бессмысленно отделять орла от решки, это невозможно.

По-моему, все ясно. Или нет?

А что тут может быть неясного? Лежит магнит на столе. Притягивает железки, током не бьется. Мы видим только одну ипостась электромагнитного поля – магнитную.

Висит на ниточке электрический заряд, например, заряженный металлический шар. Гвозди и скрепки он не притягивает, но если к нему протянуть шаловливый пальчик – с треском проскочит искра, и по пальчику шарахнет электрический разряд. Никаких тебе магнитных проявлений, одни электрические.

Теперь если мы начнем двигать магнит, то увидим проявления электрического поля (которое сможем засечь, например, по его действию на пробный заряд).

А если начнем двигать заряд на ниточке, то сможем засечь проявление вокруг него магнитного поля (по его действию на магнитное поле стрелки компаса, например).

Вы, как человек умный, можете, хитро прищурившись, сказать: «Но ведь движение – штука относительная! Может двигаться заряд, а могу двигаться я сам относительно заряда. Или, допустим, еще круче – я стою напротив заряда, и он по отношению ко мне неподвижен и никаких магнитных свойств не проявляет. А мой приятель Петя начнет вокруг этого заряда носиться как полоумный. Это означает, что заряд будет относительно Пети двигаться. Но движущийся заряд должен порождать магнитное поле! При этом относительно меня заряд неподвижен, а относительно безумного Пети – очень даже подвижен! Так что же происходит на самом деле – порождает висящий заряд магнитное поле или нет?»