1.4. Космический магнетизм
Магнетизм - форма взаимодействия движущихся заряженных частиц на расстоянии посредством магнитного поля. Первые сведения о магнитных свойствах материалов человек получил еще на заре цивилизации, в 4-м тысячелетии до н.э. благодаря обнаружению магнитного железняка. А в конце второго тысячелетия китайские мореплаватели уже использовали компас. Но при этом свойства намагниченных материалов считали магией. Описания магнитных свойств металлов есть в работах ученых Древней Греции и Древнего Рима. В средневековье наука в вопросах магнетизма не продвинулась, хотя компас использовали и мореплаватели, и путешествующие сушей. В 18-м веке успешно вопросами магнетизма занимались М.В. Ломоносов, Р. Декарт, Ф.Т. Эпинус, Ш. Кулон, А. Бургманс, в 19-м - Г.К. Эстред, А.М. Ампер, В.Э. Вебер, Д.А. Юинг, Д. Росс, М. Фарадей, Э.Х. Ленц, Д.К. Максвелл, Г.Р. Герц, Х.А. Лоренц, П. Зееман, в 20-м - П. Ланжевен, Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Г.А. Петраковский, В. Канелла, Д. Мидош и многие другие.
Бурно направление физики о магнетизме начало развиваться в 19-м веке. Первым был описан ферромагнетизм. Этим мы обязаны Майклу Фарадею, автору закона электромагнитной индукции. Затем физики, которые занимались изучением магнитных процессов в кристаллических и аморфных твердых телах, описали явления диамагнетизма и парамагнетизма. Они описаны в рамках квантовой физики. Открытием диамагнетизма в 1930-м году мы обязаны Л.Д. Ландау. Особыми магнитными свойствами обладают специальные сплавы, созданные как раз для этих целей. Например, спиновые стекла. Связанное с ними явление суперпарамагнетизма используют для хранения информации на магнитных носителях. Еще два важных для нашей темы направления в современной науке о магнетизме связаны с поисками элементарной магнитной частицы, а также с магнетизмом галактик, звезд и планет.
Магнитными свойствами обладают многие известные элементарные частицы. Все они являются магнитными диполями и создают электромагнитное поле. Элементарной магнитной частицей должен быть монополь. Его существование обосновано теоретически. За последнее десятилетие ученые продвинулись в этом вопросе, создав магнит с одним полюсом. Не следует путать магнетон (Бора) с магнитным монополем, гипотетической однополюсной элементарной частицей, обладающей ненулевым магнитным зарядом. Считают, что эта элементарная частица участвует и в гравитационных взаимодействиях.
Магнетизм участвует в образовании и разрыве петель (арок) протуберанцев на поверхности Солнца. Два конца арки заряжены противоположными зарядами, и когда петля перекручивается, происходит короткое замыкание, взрыв, от короны отрывается сгусток плазмы, который долетает до Земли примерно за двое суток. Во время взрыва также возникает радиации (гамма-излучения и рентгеновского излучения), волна которого достигает Земли уже через 8 минут (со световой скоростью). Такая бомбардировка Земли однажды может закончиться уничтожение сети орбитальных спутников и всей наземной элетроинфраструктуры. Предположительный ущерб от сильной солнечной бури может составить 2 триллиона долларов, и отбросить цивилизацию на 100 лет назад за один день. Ориентировочно буря на солнце такой силы с направлением удара в сторону Земли случается на Солнце раз в 150 лет.
Земля сдерживает атаки космических излучений с помощью своего магнитного щита. Магнитное поле создается благодаря вращению ядра относительно мантии с разной скоростью.
На Земле благодаря магнитному полю мы наблюдаем полярные сияния. Это световое шоу происходит благодаря магнетизму.
Магнитного щита лишены геологически мертвые планеты. Например, на Марсе магнитного поля нет, поэтому там такая тонкая атмосфера. Солнечный ветер сдувает атмосферу с поверхности Марса. Вероятно, он же испарил влагу его океанов. Именно поэтому мы ищем жизнь прежде всего на тех планетах, где есть геологическая активность, а значит и магнитное поле. А само магнитное поле планеты считаем обязательным условием для возникновения биологической жизни на основе углерода.
"В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. В 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде" (цитата из Википедии). Силовые магнитные линии замыкаются на магнитных полюсах Земли, подобно условной географической сетке на глобусе. Магнитное поле Земли не однородно, и распределяется в пространстве неравномерно. «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили установить, что линии магнитного поля Земли имеют разрывы, образуют пузырьки.
Магнитные поля наводят порядок в хаосе. Они опутывают целые галактики нитями длиной в тысячи световых лет. Внутри галактик существуют малые магнитные поля, которые отвечают за формирование туманностей. В этих туманностях рождаются новые звезды. Магнитное поле Земли защищает нас не только от солнечной радиации, но и от радиации других звезд, гамма-излучений квазаров и блазаров, влияния пульсаров и магнитаров.
У галактики Млечный путь, как и у Земли, есть защитный магнитный контур, силовые линии которого замыкаются на центре галактики, на ее черной дыре. Галактика летит в пространстве Вселенной с огромной скоростью - 200 км/с. Навстречу идут потоки космической радиации, подвергающие жизнь на Земле угрозе массового вымирания видов каждые 62 млн лет, когда Земля подходит ближе к поверхности Млечного пути. Вблизи черных дыр искривляется пространство-время и магнитные линии всей галактики (если речь идет о сверхмассивных черных дырах). Силовые линии сходятся в центре черной дыры, в связи с чем черная дыра втягивает еще больше частиц и энергии.
Два слова следует сказать и про биомагнетизм. В теле многих животных и рыб есть отложения ферромагнетиков - например, у морских черепах, саламандр, тритонов, молюсков, аллигаторов, медоносных пчел, лососевых рыб. Кристаллы магнитина найдены в магнетосомах грибов. Скорее всего это используется при магниторецепции, для ориентации в пространстве. Ориентация на магнитные ориентиры присуща и более примитивным биологическим видам. Так, бактерии используют магнетотаксис. Однако нет единого мнения, как именно это происходит. Так, например, известно, что в клюве голубей есть три очага накопления магнитина, и долгое время считалось, что голуби находят дорогу домой, ориентируясь на магнитное поле Земли. Говорили, что рядом со скоплениями магнитина есть нервные окончания, которые воспринимают намагничивание, и что это встроенный биокомпас. Но был проведен эксперимент, доказавший, что птицы находят дорогу домой по запаху, а не благодаря магнитному чувству. Голубей разделили на три группы: первой хирург перерезал нервные окончания, идущие от скоплений магнитина, второй - от обонятельной области, третью (контрольную группу) микрохирургическим операциям не подвергали. Голубей отвезли от дома и выпустили. Вернулись голуби второй и третьей групп (в популярной форме про это рассказано в фильме «Животные-гении»). Но зачем тогда им нужен магнитин? Ведь природа ничего не делает просто так?! На эти вопросы нам еще предстоит ответить.
Источники:
Р. Фейнман. Фейнмановские лекции по физике. - М.: Мир, 1966. - Т. 7. - С. 104-105.
К.М. Хёрд - Многообразие видов магнитного упорядочения в твёрдых телах. Успехи физических наук. - Том 142, вып. 2. - 02.1984.
Александр Семенов. Джинн из луковицы: Магнит об одном полюсе. «Популярная механика» (№16, февраль 2004).
Каталог проекта Вселенная, Млечный путь и Солнечная система
1. Вселенная
1.1. Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной
1.2. Энергия Вселенной
1.3. Темное вещество и темная энергия
.