Текст книги "Удивительная физика"

Земное эхо солнечных бурь

Момент появления на Солнце пятен характеризуется максимумом солнечной активности, который тоже имеет период в 11 лет. С солнечной активностью, или солнечными бурями, связан целый ряд земных событий, играющих большую роль в нашей с вами жизни. Эта связь была наиболее полно замечена, изучена и описана русским ученым А. Л. Чижевским. Ученый заметил, что самые разнообразные процессы на нашей планете обычно имеют циклический характер и возникают одновременно, причем эти процессы тесно связаны с изменением магнитной активности Солнца.

Так, например, периодичность вспышек эпидемий, болезней животных и растений совпадает с периодом солнечной активности. Чижевский публично высказал свои первые соображения на этот счет еще в 1915 г. (рис. 361).

«Астронома, читающего эпидемиологию холеры, невольно изумляет тот факт, что хорошо знакомые ему годы солнечных бурь и ураганов вызывают столь великие бедственные явления, и, наоборот, годы солнечного успокоения и мира совпадают с годами освобождения человека от безграничного ужаса перед этим неодолимым невидимым врагом».

Чтобы убедиться в достоверности связи эпидемий с периодичностью солнечной активности, Чижевский воспользовался методом, названным впоследствии методом наложения эпох. Ученый получил среднюю кривую активности Солнца за девять периодов, а затем в те же периоды по годам вставил статистические данные о заболеваниях холерой в России. И глазам предстала картина замечательного параллелизма двух рядов явлений: солнечной деятельности и хода развития эпидемий холеры в России за 100 лет (см. рис. 361, б). Та же связь была прослежена для эпидемий гриппа (см. рис. 361, в) и целого ряда других болезней. Появилась возможность прогнозировать эти эпидемии и противостоять им во всеоружии.

Чем же объясняется эта таинственная связь таких, казалось бы, не похожих друг на друга явлений, как солнечный магнетизм и жизнь на Земле? Чижевский открыл, что жизненные функции болезнетворных бактерий, а также устойчивость к ним человека, животных и растений находятся в прямой связи с электромагнитными возмущениями в атмосфере Солнца и на Земле.

Подсознательно это ощущали и древние, отчего у них и появились соответствующие приметы – знамения. Но древние не могли объяснить связи стихийно-природных явлений и различных бедствий на Земле. Они увлекались поэзией сравнений, впадали в мистику. А тогдашние ученые, критикуя всякого рода природные предзнаменования, не учитывали их реальной связи с массовыми заболеваниями, стихийными бедствиями и другими явлениями на Земле.

Просто удивительно, на какие только стороны нашей жизни не влияют солнечные пятна! Частота гроз и бурь, урожай зерновых культур и других растений, даже рождаемость детей находятся в явной связи с активностью магнитного поля Солнца – солнечными пятнами.

Вот краткий перечень основных явлений на Земле, явно связанных с появлением солнечных пятен:

1. Величина урожая злаков (см. рис. 361, д) и цены на зерно.

2. Урожай и качество винограда.

3. Рост древесины (толщина годовых колец).

4. Время зацветания и пышности цветения растений.

5. Массовые болезни человека, животных, растений.

6. Размножаемость животных, насекомых, рыб.

7. Рождаемость детей (см. рис. 361, а)

8. Время весеннего прилета птиц.

9. Частота бурь (см. рис. 361, г) пожаров и поражения человека молниями.

10. Частота несчастных случаев и преступлений.

11. Частота обострений болезней и внезапных смертей.

Все эти явления находятся в связи с количеством и площадью солнечных пятен, характеризуемых числами Вольфа, введенными швейцарским астрономом Р. Вольфом. Причем не всегда максимум одного явления порождает максимум другого. Так, цены на пшеницу становятся максимальными в годы минимума чисел Вольфа – солнечных пятен.

Говоря о болезнях человека и их связи с пятнами на Солнце, Чижевский предостерегает, что было бы совершенно неверно полагать, что заболевания вызываются этими пятнами. Речь идет только о толчке извне, влиянии магнитной активности Солнца, потока частиц и электромагнитных излучений, достигающих Земли в этот период, на организм человека. И если для здорового, молодого человека это влияние ничтожно, то для ослабленного длительной болезнью или инфекцией человека оно может оказаться решающим.

Чижевский не только раскрыл это влияние на отдельные части и отделы человеческого организма, но и научил, как предохраняться от этого влияния. «Наука может тут говорить достаточно громко. Да, физика знает способы оградить человека от такого рода вредных влияний Солнца или подобных им, откуда бы они ни исходили. Спасителем здесь является металл: железо, сталь, свинец…Нетрудно рассчитать толщину того металлического экрана, который предохранит больные и старые организмы».

Оказывается, достаточно тоненьких листов металла, толщиной в доли миллиметра. Чижевский предлагает обшить стены, пол и потолок больничных палат, где лежат тяжелые больные, такими металлическими листами, предохраняющими от воздействия электромагнитных излучений Солнца. По сигналу из астрономической обсерватории о приближающейся магнитной буре на Солнце больных следует помещать в такие защищенные палаты, где они будут находиться один, два или три дня, пока не минует кризис болезни или не упадет активность магнитных явлений на Солнце.

И, наконец, о совершенно фантастическом влиянии солнечной активности на наши, российские события недавнего прошлого. По расчетам английского астронома Д. Уайтхауза, которые были опубликованы в 80-х г г. XX в., максимальное число солнечных пятен должно было прийтись на август 1991 г. Что у нас в России было в это время, наверное, все помнят: 19—21 августа был путч ГКЧП. Таким образом, расчет Уайтхауза оказался поразительно точным…

В поисках магнитного монополя

Как-то в детстве автору пришла в голову необыкновенная мысль: получить магнит с одним полюсом – монополем. У автора имелся большой подковообразный магнит, и один его край, как и половина стрелки компаса, как полагал автор, стремится на юг, а другой – на север. Середина же магнита не притягивает железа, а стало быть, никуда не стремится. И, казалось, если разломать магнит и поставить куски на колесики, а еще лучше на дощечки в воде, то одна часть магнита поплывет на юг, а другая – на север! Изготовив огромные половинки магнита и положив их на грузовик или катер, можно будет вовсе без двигателя добраться хоть до Северного полюса, хоть до Южного!

Конечно же, магнит был разломан и красная половинка водружена на кусок доски, плавающей в тазу с водой.

Но кусок магнита так и не поплыл никуда. Он только медленно развернулся, так, что его целый край стал указывать на юг, а обломанный – на север! Приблизив компас к обломанному краю, автор, к своему удивлению, убедился, что на нем… Южный полюс. А на другом куске обломанный край стал полюсом Северным. Гвоздь одинаково сильно начал притягиваться к каждому краю кусков, как будто не этот самый гвоздь отказывался притягиваться, когда куски были вместе. Вот чудеса!

Тут что-то подсказало автору соединить куски магнитов, на сей раз их целыми концами, и повторить пробу на гвоздь. И гвоздь нисколько не притянулся к месту соединения полюсов, как будто их там и не было!

Куда подевались полюса? Ведь к каждому из них гвоздь достаточно сильно притягивался. И вместо того, чтобы притянуться вдвое сильнее, он вовсе не желал делать этого. Автор почувствовал себя совсем одураченным: и магнит сломан, и путешествие на Север отменяется, и никак нельзя отделить Северный полюс магнита от Южного…

Магнит с одним-единственным полюсом, или, как его называют, монополь, оказывается, совсем не противоречит науке. И удивительно то, что мы до сих пор его не имеем, как не имеем, впрочем, и доказательств его невозможности. Поговорим об этом удивительном магните поподробнее.

В 1931 г. выдающийся физик П. Дирак (1902—1984) математически доказал возможность существования частицы с магнитным зарядом – монополя, то есть, что могут быть отдельно «северные» и «южные» магнитные заряды. Точно так же Дирак предсказал существование электрона с положительным зарядом – позитрона, и уже в 1932 г. он был обнаружен в природе.

Но прошло уже столько времени, а монополь все еще является призраком, существующим только на бумаге. Дело в том, что существование монополя дает естественное объяснение некоторым физическим явлениям, которые иначе как с помощью монополя и не объяснить.

Время от времени физики пускаются на поиски монополя, но пока каждый раз безуспешно. Магнитные и электрические явления почти во всем подобны, кроме одного. Электрических зарядов – положительных и отрицательных – оказывается достаточно для создания как электричества, так и магнетизма (последний возникает при движении зарядов). Но электричество имеет источник своего существования – электрический заряд, а магнетизм заряда не имеет. Налицо асимметрия, электричество имеет некоторые преимущества перед магнетизмом.

И как раз Дирак доказал, что такого преимущества у электричества нет и быть не может. Магнитные и электрические явления должны быть полностью подобны, симметричны. При этом получен достаточно точный портрет монополя. Единичный заряд монополя в 38,5 раза больше единичного заряда электрона. Взаимодействие двух монополей в 4 700 раз сильнее взаимодействия двух электронов, стало быть, при тех же скоростях, что и электрон, магнитный монополь в 4 700 раз сильнее ионизирует атомы окружающей среды. Такой большой магнитный заряд позволяет легко управлять монополем даже слабыми магнитными полями, разгонять его до гигантских энергий, недоступных электронам. Монополь может сотворить чудеса в электронике, физике, наконец, применяться, например, в телевидении, ускорительной технике, да мало ли еще где.

Искали монополи в пучке ускоренных частиц при их столкновении с веществом, в космических лучах. Не удалось вытянуть их с помощью мощных магнитов из железосодержащих горных пород и метеоритов, где монополи космического происхождения могли застрять и накопиться за миллионы лет. Монополь должен быть очень стабилен, он не исчезнет, пока не столкнется с другим, противоположным по знаку монополем. Даже в лунном грунте и то искали магнитный монополь, но безуспешно.

То там, то здесь появляются сенсационные сообщения о «поимке» таинственного монополя, но при тщательной проверке они оказываются несостоятельными. Около 30 лет назад китайские ученые были уверены, что обнаружили монополь, но, увы, открытие не состоялось. В 1982 г. в солидном Стенфордовском университете (США), казалось бы, уже «поймали» монополь с помощью сверхпроводникового магнита. Но повторные опыты, более точные, ничего не дали.

Наконец, в 1985 г. в Лондонском университете с помощью чувствительнейших датчиков, казалось бы, обнаружили-таки монополь. Но подтверждения этого открытия пока не последовало.

В чем причина столь длительной неудачи поиска монополя? Может быть, он очень редок? Или его не там ищут? Или Дирак ошибся и неверно определил заряд монополя? В таком случае, выходит, не то ищут?

Но доказательства невозможности монополя тоже нет, и подтвердить эту невозможность не проще, чем найти сам монополь.

Спеши, читатель, ищи и найди свой монополь. Будет обидно, если это сделает кто-нибудь другой!

Янтарь с магнитом – братья?

Оказалось, что это близко к истине, и «побратала» их молния. Ведь при электризации янтаря возникают искры, а искры – это маленькие молнии.

Но молния молнией, а при чем же здесь магнит? Как раз молния и оказалась тем, что соединило воедино янтарь и магнит, ранее «разлученные» Гильбертом. Вот три выдержки из описания удара молнии, в которых видна близкая связь между электричеством янтаря и притяжением магнита.

«…В июле 1681 г. корабль „Квик“ был поражен молнией. Когда же наступила ночь, то оказалось по положению звезд, что из трех компасов… два, вместо того, чтобы, как и прежде, указывать на север, указывали на юг, прежний северный конец третьего компаса направлен был к западу».

«…В июне 1731 г. один купец из Уэксфилда поместил в углу своей комнаты большой ящик, наполненный ножами, вилками и другими предметами, сделанными из железа и стали… Молния проникла в дом именно через этот угол, в котором стоял ящик, разбила его и разбросала все вещи, которые в нем находились. Все эти вилки и ножи… оказались сильно намагниченными…»

«…В деревне Медведково прошла сильная гроза; крестьяне видели, как молния ударила в нож, после грозы нож стал притягивать железные гвозди…»

Удары молний, намагничивающие топоры, вилы, ножи, прочие стальные предметы, размагничивающие или перемагничивающие стрелки компасов, наблюдались столь часто, что ученые стали искать связь между электрическими искрами и магнетизмом. Но ни пропускание тока через железные стержни, ни воздействие на них искр от лейденских банок ощутимых результатов не дало – железо не намагничивалось, хотя точные современные приборы, пожалуй, почувствовали бы это.

Чуть-чуть отклонялась стрелка компаса в опытах физика Романьози из города Трента, когда он приближал компас к вольтову столбу – электрической батарее. И то лишь тогда, когда по вольтову столбу шел ток. Но Романьози тогда не понял причины такого поведения стрелки компаса.

Честь открытия связи между электричеством и магнетизмом выпала на долю датского физика Ханса Кристиана Эрстеда (1777—1851), да и то случайно. Произошло это 15 февраля 1820 г. вот как. Эрстед в этот день читал лекцию по физике студентам Копенгагенского университета. Лекция была посвящена тепловому действию тока, иначе говоря, нагреванию проводников, по которым протекает электрический ток. Сейчас это явление используется сплошь и рядом – в электроплитках, утюгах, кипятильниках, даже в электролампах, спираль которых добела раскалена током. А во времена Эрстеда такое нагревание проводника током считалось новым и интересным явлением.

Рис. 362. Опыт Х. К. Эрстеда:

а – батарея отключена, стрелка компаса параллельна проводнику; б – батарея включена, стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику

Итак, первая случайность состояла в том, что около одного из нагреваемых проводников оказался компас, совершенно не нужный при такого рода опытах. Затем произошла другая случайность – один из студентов, окружавших Эрстеда, заметил, что стрелка компаса отклоняется, когда проводник подключен к источнику тока – электрической батарее (рис. 362). И третья случайность завершила рождение открытия – студент решился указать именитому профессору на, казалось бы, совершенно постороннее, не имеющее к теме лекции никакого отношения явление, и ученый прислушался к реплике ученика.

Жаль, что мы так и не знаем имени того студента – ведь он полноправный соавтор великого открытия – связи между электричеством и магнетизмом, официальным автором которого стал профессор Эрстед.

Эрстед провел целую серию опытов, поясняющих закономерности поведения магнитной стрелки. Было замечено, что протекание тока по проводнику в разные стороны вызывает изменение направления отклонения стрелки компаса. Эрстед заметил также, что такому поведению стрелки не мешала никакая изоляция. Ученый помещал самые различные изоляционные материалы между проводником и компасом, но стрелка отклонялась все так же, и ее отклонение зависело только от направления и силы проходящего по проводнику тока.

И тогда с большой поспешностью Эрстед опубликовал свой знаменитый «памфлет» – четыре страницы текста на латинском языке, понятном тогда большинству ученых. Этот памфлет произвел ошеломляющее впечатление на ученый мир. Опыты Эрстеда стали повторять во многих лабораториях, причем удивлению и восторгу присутствующих не было предела. Свидетели вспоминают, что один их присутствующих на таком опыте встал и взволнованно произнес: «Господа, происходит переворот…»

Награды и почести так и посыпались на Эрстеда. Его выбирают академиком французской академии и награждают призом, учрежденным в свое время Наполеоном Бонапартом за крупные открытия в области электричества, – 3 тысячи золотых франков, назначают членом Лондонского королевского общества и многих других научных обществ. На родине Эрстеда король Фредерик VI наградил его Большим крестом ордена Даннеброг – высшей наградой Дании и разрешил ему основать Политехнический институт. Эрстед открывает в Дании общество для «поощрения научных занятий» и даже начинает выпускать литературный журнал. Между прочим, любовь маститого ученого к литературе не прошла даром и для самой литературы: Эрстед покровительствовал «маленькому Гансу Христиану» – будущему великому сказочнику Андерсену.

Эрстед становится национальным героем Дании и популярнейшим ученым в Европе. Ханс Кристиан Эрстед скончался в 1851 г. в зените своей славы.

Как электромагнит набирался сил?

Одно открытие порождает другое. Только успел Эрстед заметить связь между электричеством и магнетизмом, как в сентябре того же 1820 г. французский физик Д. Араго заметил, что проволока, по которой течет ток, притягивает железные опилки и намагничивает стальные иголки совсем как магнит. В лабораторию Араго как-то зашел А. М. Ампер – ученый, которого мы все знаем хотя бы по единице силы тока, названной в его честь. Ампер предложил свернуть проволоку в спираль, а иголку поместить внутрь спирали. Ученые тут же не медля осуществили эксперимент и были с лихвой вознаграждены за это – игла намагнитилась намного сильнее, чем раньше. Полученная спираль, или трубка, названная впоследствии соленоидом, теперь хорошо известна любому школьнику. Слово «соленоид» в переводе с греческого и означает – «трубкообразный», «в виде трубки». Но гений Ампера не остановился только на создании прибора. Уловив связь между магнитом и соленоидом, Ампер предположил, что внутри магнита существует огромное количество крошечных колец с током. Сейчас уже доподлинно известно, что идея Ампера была верной – роль колец с током играют электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов (рис. 363).

Рис. 363. Соленоид и его аналогия в ферромагнетике

Началась новая эпоха в понимании многих физических явлений и процессов, где главные роли играли ток и магнит. И, пожалуй, эти два понятия нигде так тесно не проявляют свою связь, как в электромагните. Соленоид Ампера еще не был электромагнитом в прямом понимании этого слова – там отсутствовал железный сердечник, который и становился самым настоящим магнитом при пропускании тока по виткам проволоки. Сердечник этот во много раз усиливал действие соленоида, делал электромагнит значительно сильнее лучших природных магнитов.

А для того чтобы просто-напросто ввести сердечник в соленоид, понадобилось 5 лет, и открытие это сделал английский механик Вильям Стерджен (1783—1850) в 1825 г.

Биография Стерджена еще раз показывает, что творческий человек не пропадет, в каких бы условиях ни протекали его детство и юность. Такие примеры широко известны нам как среди писателей, художников, музыкантов, так и среди изобретателей и ученых.

Воспитанием маленького Вильяма никто не занимался. Отец его, довольно легкомысленный человек, только и делал, что удил рыбу и забавлялся петушиными боями. Начав было учиться сапожному ремеслу, Вильям вскоре сбежал от своего сурового учителя, который морил его голодом. Юноша работал в полиции, а затем служил в армии. Но во время службы он ухитрялся ставить несложные опыты по физике и химии.

Там же, в армии, произошло событие, оказавшее большое влияние на молодого солдата. Стерджен стал свидетелем необычайной по силе грозы. Огромные ослепительные молнии и грохочущий гром поразили его, и он решил заняться изучением электричества.

Но чтобы читать книги, нужно быть грамотным, и Стерджен начал упорно учиться чтению, письму и грамматике, постепенно осваивал математику, физику, языки, а кроме того, он чертил и с удовольствием ремонтировал часы. И все это в армии с ее дисциплиной, преимущественно по ночам!

Закончив службу в армии, молодой Стерджен купил токарный станок и стал изготовлять физические и электрические приборы. Это произошло в 1820 г., когда были сделаны великие открытия Эрстеда, Араго и Ампера. И 23 мая 1825 г. Стерджен представил Обществу искусств построенный им первый электромагнит.

Это был подковообразный стержень, покрытый для электроизоляции лаком, длиной 30 и диаметром 1,3 см. На этот стержень был намотан всего один слой голой медной проволоки, которая замыкалась на электрическую батарею (рис. 364). При массе 0,2 кг электромагнит Стерджена поднимал железный груз, почти в 20 раз тяжелее. Первый же электромагнит сразу оказался сильнее природных магнитов той же массы.

Рис. 364. Первые электромагниты Стерджена

Правление Общества искусств сумело оценить работу Стерджена. Он был награжден медалью и денежной премией, а прибор выставили в музее. Однако, несмотря на последующие выдающиеся достижения Стерджена, слава и успех так и не пришли к нему. Он умер в бедности и лишениях в 1850 г., причем не сохранилось даже портрета изобретателя первого электромагнита.

Долгое время, вплоть до 1840 г., электромагниты Стерджена были самыми сильными в мире. А потом вперед вышел ученик Стерджена, будущий великий физик Д. Джоуль. Повысив число полюсов электромагнита и рационально расположив их на грузе, он создает конструкцию, способную при собственной массе 5,5 кг поднимать 1,2 т! Важно при этом, чтобы полюса были парными и число их – четным.

Следует сказать, что не любое повышение числа полюсов выгодно. Так, например, «трехлапый» магнит (рис. 365, а) хуже обычного двухполюсного (рис. 365, б), потому что магнетизм каждого из стержней мешает другим. Невыгодно также один крупный магнит составлять из отдельно намотанных мелких.

Рис. 365. «Трехлапый» электромагнит (а) и двухполюсной электромагнит (б)

Электромагниты стали широко применять в промышленности для подъема тяжелых стальных грузов (рис. 366). В 1864 г. в Нью-Йорке построили электромагнит массой 260 кг, «который поднял семерых человек однажды, и сколько он еще может поднять, никто не знает».

Рис. 366. Грузовой электромагнит

Заметим, что электромагнит был не столь уж безопасным подъемным устройством. Стоило только току прекратиться, как электромагнит мгновенно терял силу, и страшный груз сваливался «с неба» на что и кого попало. А причин прекращения тока могло быть предостаточно – порвался провод, выбило предохранитель, случилась авария на станции и т. д. Поэтому в дальнейшем стали поступать иначе.

Витки проволоки стали навивать не на простое железо, а на намагниченный материал – постоянный магнит, причем так, чтобы при пропускании тока размагнитить его. Для подъема груза ток выключали, и постоянный магнит (а сейчас есть очень сильные постоянные магниты) притягивал стальные, железные и чугунные предметы, которые поднимали и переносили на место. А чтобы отпустить груз, подавали ток в витки, и магнит временно размагничивался – полюса постоянного магнита и обмотки соленоида были противоположными! Груз отцеплялся. Когда магниту не надо было работать, ток, конечно, выключали, отодвинув магнит от железных предметов подальше, например, подняв его в воздух.

Подъемные краны с таким магнитом стали значительно безопаснее, им уже не страшны перерывы в подаче тока.

В первой половине XX в. были построены электромагниты, поднимавшие грузы до 75 т. Казалось, что сила электромагнитов может расти бесконечно… Однако получилось так, что выгода от введения Стердженом железного стержня внутрь обмотки стала постепенно исчезать. Пока катушки были малы (вспомним однослойную навивку первого электромагнита), железо сильно увеличивало подъемную силу магнита. Но потом создатели электромагнитов заметили, что с повышением силы магнита его железо как бы насыщается и больше не помогает электромагниту. Начали строить магниты с короткими заостряющимися полюсами, массивным ярмом и огромными катушками, так как эти мероприятия, как оказалось, еще более увеличивали подъемную силу.

Можно, конечно, сделать количество железа в электромагните настолько большим, чтобы не доводить его до «перенасыщения». Американский изобретатель Эдисон, например, предложил построить самый крупный электромагнит в мире, обмотав проволокой скалу из магнитного железняка в американском городе Огдене, массой более чем 100 млн т!

К сожалению, этот смелый и остроумный проект не был осуществлен, иначе легенда о магнитной горе, вытаскивающей гвозди из кораблей, стала бы явью!