Последний опыт профессора Лебедева

       
Наверное, трудно оспорить утверждение о том, что магнитный компас является не менее важным открытием человечества, чем колесо. Имя первооткрывателя компаса так же сокрыто во мраке веков и тысячелетий, как и имя изобретателя первой в мире тачки. Компас применяют как в мореходстве, так и в самых обыкновенных походах за грибами... Одним словом, всякому понятно, что это прибор незаменимый, давно и прочно вошедший в нашу жизнь.

О том, что заставляет стрелку компаса выстраиваться по линии север—юг, люди задумывались испокон веков, и, наверное, не случайно слова "магнетизм" и "магия" могут показаться почти однокоренными: сила, действующая на стрелку, долгое время превосходила человеческое разумение. Да и теперь магнетизм таит немало тайн.

Альберт Эйнштейн на всю жизнь запомнил тот день, когда его отец принес ему, четырехлетнему ребенку, компас. Многие дети были знакомы с такой игрушкой, но для маленького Альберта магнитная стрелка явилась откровением. Спустя шестьдесят лет в своей автобиографии Эйнштейн писал: "Я помню еще и сейчас — или мне кажется, будто я помню, — что этот случай произвел на меня глубокое и длительное впечатление".

Добавим, что это впечатление великий физик пронес через всю жизнь: излюбленной мечтой создателя теории относительности была единая теория поля, основанная на синтезе гравитации и электромагнетизма. Данная проблема до сих пор остается открытой, так что магнитная стрелка, заворожившая Эйнштейна, возможно, еще долго будет напоминать нам о его мечте.

Наш соотечественник Петр Николаевич Лебедев (1866-1912) в начале XX века также ломал голову над проблемой магнетизма... По школьным учебникам П.Н. Лебедев нам известен как блестящий физик-экспериментатор, который впервые измерил давление света на вещество и тем самым подтвердил один из важнейших выводов электромагнитной теории Максвелла. Но гораздо менее известен тот факт, что в самом конце своей жизни П.Н. Лебедев работал над проблемой магнетизма Земли и других вращающихся небесных тел.

Природа земного магнетизма получила более или менее правдоподобное объяснение только в середине XX веке, уже много позже смерти П.Н. Лебедева, но его работы в этой области еще не утратили актуальности.

Идея новой серии физических исследований возникла сразу же после завершения работ по световому давлению. В письме к К.А. Тимирязеву П.Н. Лебедев писал: "Я, кажется, ухватил очень важное соотношение. Магнитные свойства вращающейся планеты связаны с гравитационными свойствами материи... Но еще Менделеев говорил: "Оно, конечно, сказать все можно, а ты пойди, демонстрируй!" И вот я сейчас занят проектами новых опытов: они оказываются чудовищно трудными и потребуют огромных затрат, так как возможны только с огромными массами. Но положительный результат их может оказать очень большое влияние на все учение об электричестве."

Итак, П.Н. Лебедев провидел фундаментальную связь между гравитацией и магнетизмом вращающихся небесных тел и видел свою задачу в том, чтобы в лабораторных условиях это продемонстрировать. Какова же была ближайшая предыстория этой идеи?

Одним из основных инструментов астрофизики является спектроскоп — прибор, разлагающий свет, принимаемый от небесных тел, в спектр. По характеру спектра можно установить, какие вещества входят в состав космического объекта и даже изучать физические процессы, которые там происходят. Несколько веков известно, что "Солнце не без пятен", но только в 1909 г. было сделано важное открытие, проливающее свет на их природу. Направляя спектроскоп на какой-либо участок солнечного пятна, ученые обнаружили, что в этом случае спектр имеет характерную особенность: каждая из спектральных линий расщепляется на несколько тонких близко расположенных линий.

В земных условиях физики наблюдали это явление и ранее: спектральные линии расщепляются, если вещество, которому принадлежит спектр, находится в сильном магнитном поле. Естественно было предположить, что солнечное пятно создает сильное магнитное поле, которое действует на раскаленный газ ярко светящейся фотосферы Солнца и вызывает расщепление спектральных линий. Но как образуется магнитное поле в самом солнечном пятне?

Естественно было предположить, что причина состоит в том, что солнечные пятна являются громадными вихрями вещества. Эти вихри состоят из заряженных частиц, которые при своем циркуляционном движении создают магнитное поле аналогично тому как создает его ток электронов в обычном соленоиде или электромагните.

Какая же связь магнетизма солнечного пятна и вращающейся Земли? П.Н. Лебедев полагал, что связь здесь прямая. Он обратил внимание, что направление магнитного поля Земли находится в том же отношении к направлению вращения Земли, как и направление магнитного поля солнечных пятен к направлению вихревого движения фотосферы в этих пятнах. Исходная гипотеза Петра Николаевича состояла в том, что вообще все физические причины магнетизма пятен и Земли тождественны и что, следовательно, геомагнетизм всецело обусловлен вращением Земли вокруг оси. Более того, любое вращающееся тело создает около себя магнитное поле.

Возможное обоснование этой гипотезы по мнению ее автора заключается в следующем. Каждое материальное тело состоит из молекул, а молекулы — из атомов, представляющих собой систему положительно и отрицательно заряженных частиц. Если рассматриваемое тело покоится, то положительные и отрицательные заряды каждой молекулы находятся в непосредственной близости друг от друга, так что молекулы представляют собой в целом нейтральные системы. Такие системы при своем движении не создают магнитного поля. Заставим теперь это тело быстро вращаться. Как известно, при вращении частицы тела под влиянием центробежной силы стремятся отойти дальше от оси вращения. Легкие электроны должны отклониться сильнее, чем тяжелые ядра атомов, поэтому произойдет своеобразная поляризация — разделение положительных и отрицательных зарядов. При этом на поверхности тела должен появиться избыточный отрицательный заряд. Такая вращающаяся система со смещенными зарядами действительно будет создавать магнитное поле.

Эту идею он изложил в одном из своих писем следующим образом: "По некоторым соображениям, на которых я останавливаться не буду, я пришел к выводу, что все вращающиеся тела должны быть магнитны — та особенность, что наша Земля магнитна и притягивает синий конец магнитной стрелки компаса к северному полюсу, обусловлена именно ее вращением вокруг оси. Но это только идея — нужен опыт, и теперь я его подготовляю: я возьму ось, которая делает более тысячи оборотов в одну секунду — как раз конструкцией этого прибора я сейчас занят — на эту ось я буду насаживать шарики в три сантиметра диаметра из разных веществ: меди, алюминия, пробки, стекла и т.д. и буду приводить во вращение; они должны сделаться магнитными, так же как Земля; и чтобы в этом убедиться, я возьму крохотную магнитную стрелку — всего в два миллиметра длины, подвешу ее на тончайшей кварцевой ниточке — тогда ее конец должен притягиваться к полюсу вращающегося шарика".

Обратим внимание на тот предельно широкий уровень обобщения, на который отважился ученый. П.Н. Лебедев пытался представить магнетизм вращающихся и в целом электронейтральных тел как фундаментальное явление природы, мера которого определяется всецело моментом инерции вращающегося тела и угловой скоростью его вращения. Прямых свидетельств в пользу такой фундаментальнейшей гипотезы не существовало. Смелость этого обобщения может быть сопоставима разве что с дерзновением Исаака Ньютона, который, размышляя над падением яблока на землю, предположил, что причины этого явления те же самые, что и те, которые управляют движением всех небесных тел.

В одной из статей, посвященных памяти П.Н. Лебедева, К.А. Тимирязев рассказывает: "Заходившие в его лабораторию бывали поражены каким-то необычайным не то свистом, не то жужжанием. Когда Петр Николаевич со своей обычной любезностью показал и разъяснил мне это свое новое произведение, я ему сказал в шутку:

— Если я понял, то это что-то вроде лавалевского сепаратора: тот отделяет сливки от молока, а ваш будет отделять отрицательное электричество от положительного.

Он рассмеялся и сказал:

— Пожалуй, что и так, только мой сепаратор должен делать несколько тысяч оборотов в секунду".

Почему были нужны такие огромные скорости вращения? Конечно же потому, что сам эффект очень слаб и усиление его возможно только одним путем — увеличением частоты вращения исследуемого тела.

Хотя угловая скорость вращения нашей планеты невелика (1 оборот за 24 часа), ее радиус, составляющий примерно 6400 км, огромен. Поэтому и линейная скорость точек, лежащих на экваторе Земли, возникающая вследствие вращения нашей планеты, тоже немалая: она имеет порядок 500 м/с. Чтобы достигнуть такой линейной скорости в лабораторных условиях на модели Земли метрового диаметра, как нетрудно подсчитать, нужно раскрутить эту модель до тысячи оборотов в секунду. Технически это очень непростая задача. Ее сложность связана с огромной мощностью и прочностью требуемой конструкции, а также высокой точностью изготовления и балансировки вращающихся частей, предотвращением резонансных явлений и т.д.

Чтобы проверить выдвинутую гипотезу, Лебедев сначала провел ряд опытов с вращающимися кольцами.

Согласно гипотезе "сепарации" зарядов, при вращении тела на его поверхности должна была быть наибольшая плотность отрицательных зарядов, которая уменьшалась бы к центру. Для того чтобы осуществить эту закономерность на модели, кольцо было составлено из плотно входящих друг в друга коротких эбонитовых цилиндров, на которых витками была намотана проволока разной длины. Получалась, таким образом, система соленоидов, вставленных друг в друга. Эти соленоиды были соединены в общую цепь, через которую пропускался электрический ток. Вследствие неодинаковости количества витков проволоки, в каждом слое кольца протекали различные количества электричества, так что получалась иллюзия убывающей плотности электричества от края к центру.

Такая система возбуждала магнитное поле определенной напряженности, измеряемой магнитометром. Меняя силу тока в устройстве, можно было изменять и магнитное поле. П.Н. Лебедев подсчитал, какой силы ток необходимо пропускать через проволоку, чтобы получить около нее такую же напряженность магнитного поля, как и на экваторе Земли. Во время опыта достигалась именно такая величина тока. При этом отмечалось отклонение стрелки магнитометра.

Далее электрический ток отключался, исчезало и магнитное поле. После этого кольцо диаметром в 6 см раскручивалось до 30 тыс. оборотов в минуту. По гипотезе П.Н. Лебедева вращающийся диск должен был создать как раз такое же магнитное поле, как и описанное ранее устройство, что и должен был зафиксировать магнитометр. Однако это ожидание не оправдалось, хотя чувствительности магнетометра для измерения ожидаемого эффекта должно было хватить с избытком.

Это не обескуражило П.Н. Лебедева. Опыты с кольцами служили в основном для освоения методики и выяснения величины ожидаемых эффектов, как первая ступень на пути изучения более тонких эффектов, в существовании которых он не сомневался. Но уже тогда стало ясно, что величина магнитного поля Земли намного превышает эффекты, обусловленные только ее вращением, иначе в эксперименте Лебедева магнитное поле вращающегося диска обязательно было бы зафиксировано — ведь он проектировал свою установку именно из расчета, что все магнитное поле нашей планеты обусловлено ее вращением. Поэтому более точные опыты могли бы привести обнаружению магнитного поля вращающихся тел, хотя и недостаточного для объяснения геомагнетизма.

П.Н. Лебедев писал: "Другие гипотезы... заставляют ожидать, что при условиях и размерах описанных выше опытов могут возникнуть только очень слабые магнитные поля, которые не могут быть обнаружены магнитометрически; для проверки этих гипотез самую схему опытов нужно изменить, чтобы получить достаточную чувствительность измерений".

П.Н. Лебедев планировал продолжить исследования, но его здоровье было подорвано интенсивной работой и он не успел довести ее до конца. Смертельным ударом для ученого, жившего наукой, стал вынужденный уход из Московского университета в 1911 году из-за общественных волнений, вызванных политикой правительства, когда подали заявление об отставке К.А. Тимирязев, Н.А. Умов и другие видные ученые: 124 лучших преподавателя покинули Университет. Свидетелем глубокой трагедии ученого и патриота была его сестра: "Петр Николаевич не спал и мучился несколько дней. Он не мог сразу принять решение уйти... Он чувствовал и видел, что погибало дело его жизни... За эти дни он очень изменился: поседел, похудел, но решил поступить так, как поступил бы гражданин".

В 1928 г. Уилсон произвел лабораторный эксперимент по измерению магнитного поля качающегося стрежня, и результат этого опыта также оказался отрицательным.

В настоящее время ученые полагают, что разгадку, по крайней мере, основного вклада в магнитное поле Земли следует искать в процессах, протекающих в ее ядре, скрытом от нас тремя тысячами километрами вещества земной коры и мантии. Согласно современным представлениям, геомагнитное поле, ориентирующее стрелку компаса, создается движением свободных электронов во внешних слоях ядра. Предполагается, что земное ядро ведет себя так же, как самоподдерживающееся динамо, т.е. машина, превращающая механическую энергию в магнитную. Движение расплавленного вещества ядра, создающего магнитное поле, обусловлено вращением Земли в сочетании с гравитационными и термодинамическими эффектами.

Некоторые детали механизма геодинамо не ясны, но в целом эта гипотеза имеет хорошее обоснование. Один из ее выводов состоит в возможности инверсии (то есть изменении полярности) магнитного поля Земли. Палеомагнитные данные действительно свидетельствуют, что в далеком прошлом магнитные полюса Земли располагались обратно их нынешнему положению. Один из фундаментальных принципов геофизики гласит, что магнитное поле Земли может существовать в одном из двух направлений полярности: “нормальном”, при котором смотрящая на север стрелка компаса указывает на географический север, и “обратном”, когда эта стрелка указывает на географический юг.

Это, конечно, противоречит возможности жестко связать полярность магнитного поля с направлением вращением Земли, как это предполагал Лебедев и некоторые другие ученые в начале XX века. Поэтому можно утверждать, что основной вклад в магнитное поле Земли большинства других небесных тел с активными недрами, не связан с фундаментальным механизмом, общим для всех вращающихся тел.

Причина магнетизма, связанная с геодинамо, как видим, не так фундаментальна (хотя и не менее интересна), чем та, которой доискивался П.Н. Лебедев. Механизм геодинамо возникает лишь при специфическом строении и особом материальном составе тела, которое нельзя смоделировать в лабораторных условиях с помощью любой быстровращающейся болванки.

Опыт П.Н. Лебедева послужил первым свидетельством в пользу того, что необходим поиск более сложных механизмов возникновения земного магнетизма, что и привело в конечном счете к разработке модели геодинамо. Загадка магнитного поля Земли в основных чертах разрешена, но многие вопросы по-прежнему остаются.

Один из этих вопросов — прямое следствие опытов Лебедева, оставшихся незавершенными: существует ли магнитное поле, пусть и гораздо более слабое, чем ожидал русский физик, свойственное любым вращающимся массивным телам?

Добавим, что новые теории, допускающие это, созданы и продолжают разрабатываться, а современная техника позволяет производить измерения магнитного поля с гораздо большей чувствительностью, чем во времена П.Н. Лебедева. Так что будем ждать новых вестей из лабораторий.