Чудеса магнетизма

Письмо другу

О том, кто изобрел компас, до сих пор нет единого мнения, но зато известен первый трактат о магнетизме, дошедший до нас, — труд Пьетро Перегрино из Марикура. Перегрино принимал участие в осаде Лючеры (Фоджа) в Италии вместе с войсками Карла Анжуйского и во время этой осады умудрился написать трактат «О магнитах», правда, в форме письма, датированного 8 августа 1269 года и адресованного пикардийскому дворянину, некоему Сигерию. Вот собственно и все, что известно о Перегрино. Трактат таинственным образом сохранился и долго ходил в рукописном виде, а в 1558 году был напечатан. Автор выделил четыре отличительные черты хороших магнитов: цвет, вес, способность притяжения и сплошная структура без пузырей. Далее в письме описаны три экспериментальных метода определения полярности магнита. И что интересно: Перегрино пользовался магнитами сферической формы, а не в виде бруска, а это значительно усложняло определение полярности, но дотошный исследователь с этим блестяще справлялся. Определив направление поляризации, он показал, как найти северный и южный полюс, как установить отталкивание одноименных полюсов и притяжение разноименных и как намагнитить железо соприкосновением. И еще в трактате было описано явление магнитной индукции, и этим описанием по сей день пользуются учителя в школах. Автор был не чужд и теоретических рассуждений. Отвергая теорию своего времени, которая приписывала ориентацию стрелки наличию больших залежей магнетита вблизи северного полюса Земли, Перегрино утверждал, что на магнит влияет небо так, что каждая его точка индуцирует на магнитной сфере аналогичную точку, которая «рождает в себе подобие неба». Таким образом, автор приписывал магнетизму небесное происхождение.

Магнитное поле Земли до расстояний порядка трех земных радиусов соответствует приблизительно полю однородно намагниченного шара с напряженностью поля порядка 0,70 эрстед у магнитных полюсов Земли и 0,42 эрстед на магнитном экваторе. Наблюдаются вековые, суточные и нерегулярные изменения (вариации) магнитного поля Земли, в т. ч. магнитные бури. На расстояниях, превышающих три земных радиуса, магнитное поле Земли имеет более сложное строение. Магнитосфера Земли и других планет — это область околопланетного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 земных радиусов, с ночной — вытянута, образует магнитный хвост Земли в несколько сотен земных радиусов. Протяженными магнитосферами обладают Юпитер и Сатурн. Магнитосферы Меркурия, Венеры, Марса ярко не выражены

Каждый, кто прочтет сегодня трактат Пьетро Перегрино, восхищающий ясностью и систематичностью изложения, убедится, что автор не компилятор, а искусный экспериментатор. Он писал не о том, что слышал или читал, а о лично обнаруженных фактах. Исходя из идей Перегрино, английский физик Уильям Гильберт (1544-1603) изготовил магнит сферической формы — «маленькую Землю”. Затем, обходя с помощью небольшой намагниченной стрелки поверхность шара, он исследовал магнитные свойства своего шара и нашел, что они соответствуют магнитным свойствам земли — большого магнита. Из этого он заключил, что с точки зрения магнитного действия Земля отличается от этого шара лишь своими размерами. Значение этого вывода, о котором Галилей сказал, что он достоин удивления, в том, что так впервые человек осмелился сопоставить явление, полученное в стенах лаборатории, с явлением космического порядка.

“Душа” магнита

Английскому физику и врачу Уильяму Гильберту мы обязаны зарождением науки об электричестве, остававшейся до 1600 года практически на уровне знаний древних греков, которым было известно лишь, что натертый янтарь притягивает соломинки. В труде «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» ученый впервые последовательно рассмотрел магнитные и электрические явления. В этой книге описано более 600 проделанных Гильбертом опытов и изложены выводы, к которым пришел ученый. Он установил, что у магнита всегда имеются два неразделимых полюса: если магнит распилить на две части, то у каждой из половинок оказывается вновь по паре полюсов. Полюса, которые Гильберт назвал одноименными, отталкиваются, а другие — разноименные — притягиваются. Он придумал прибор «версор» — прообраз электроскопа. С помощью версора Гильберт показал, что притягивает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, карбункул, опал, аметист, берилл, горный хрусталь, стекло, сланцы, сера, сургуч, каменная соль, квасцы. Все эти тела он назвал электрическими. Абстрактное понятие «электричество» появилось в 1650 г. с подачи Гильберта. А еще ученый открыл явление магнитной индукции: брусок железа, расположенный возле магнита, сам приобретает магнитные свойства.

В XVI веке в списках странных и загадочных явлений, недоступных познанию и, следовательно, относящихся к чудесам, магниту отводилось первое место: он самостоятельно распознает тела одной с ним природы, передает некоторым веществам свои магнетические свойства и действует на расстоянии невзирая ни на какие препятствия. Гильберт взглянул на эти свойства магнита с нового ракурса. Orbis virtutis (мир добродетели — лат.), под которым Гильберт подразумевает некую «область качества», присутствующую вокруг магнита, в точности соответствует современному пониманию магнитного поля. Гильберт даже описывает его силовые линии, перемещая вдоль них магнитную стрелку. Тем не менее, он отказывается говорить о магнитной «силе». Он полагает, что, если электрические тела производят силу «посредством эманации от электрической жидкости естественных флюидов», то магнетические тела действуют иначе: через свою «форму». Причина в том, что «тело, притягиваемое электрическим телом, не изменяется последним; оно остается таким же, каким было до того, не получая ни малейших добавок к своему качеству, тогда как магнит притягивает к себе магнетические субстанции, которые тут же получают добавку своей действенности, причем не только поверхностной, но также и их внутренние части, их самое ядро». Так что если бы магнетический флюид существовал, то был бы «исключительно тонким и разреженным, чтобы смочь проникать внутрь железа». Гильберт приписывает магнетизм некой «форме», которую называет «душой» (словом, не имевшим в то время исключительно религиозного значения, каковое оно приобрело впоследствии). «Магнитная природа не происходит от всего неба и не создается благодаря симпатии, влиянию или скрытым качествам; не происходит она и от какой-либо особой звезды, — так Гильберт объясняет исчезновение магнитных свойств железа при нагревании выше температуры, которую теперь называют точкой Кюри (примерно 700ºС), и повторное намагничивание при охлаждении. — Огонь разрушает магнитные силы в камне не потому, что он отрывает от него какие-нибудь главные притягивающие части, а потому, что стремительная сила пламени, разрушая материю, искажает форму целого... железо, раскалившись до огня, охваченное сильным жаром, имеет нарушенную, искаженную форму, почему оно и не притягивается магнитом, и теряет эту каким-либо образом приобретенную притягательную силу; когда же оно, как бы возрожденное, пропитывается магнитом или землей, … воскресает его форма, не угасшая, а только возмущенная, нарушенная». Дело в том, что утрата нагретым железом магнитных свойств, а потом их возвращение при охлаждении сегодня также объясняется изменением формы: переупорядочением стенок между микроскопическими смежными областями, называемыми соответственно стенками Блоха и доменами Вейсса, внутри которых царит спонтанное намагничивание.

 Вскоре после смерти ученого английский поэт Джон Драйден написал: «Гильберт будет жить до тех пор, пока магнит будет притягивать».

 Из трактата Гильберта «О магните»:

«Высказывают подозрение по поводу магнита, не создан ли он коварно злыми демонами. Или будто, если положить его под голову спящей женщины так, чтобы она об это не знала, он сбрасывает с постели прелюбодейку. Или будто магнит своим дымом и чадом приносит пользу ворам, как будто этот камень возник ради воровства. Или будто он открывает запоры и замки… Или будто белый магнит может заменить любовный напиток. Или будто, … если держать его в руке, он вылечит боли в ногах и судороги. Или будто он делает человека приятным для государей и красноречивым... Или, как утверждает астролог Лука Гаврик, будто под хвостом Большой Медведицы имеется магнитный камень. Кроме того, он говорит, что магнит принадлежит знаку девы, окутывая такого рода ученым математическим покровом глупости, от которых становится стыдно… Подобным вздором и сказочкам пошлые философы забавляются сами и кормят жаждущих познать таинственное читателей и невежд, пробавляющихся нелепостями. Однако, после того как в дальнейшем изложении будет раскрыта исследованная благодаря нашим трудам и опытам природа магнита, скрытые и недоступные причины такого действия магнита станут ясными, доказанными, очевидными и объясненным. Вместе с тем исчезнет всякий туман, и всякие корни заблуждений будут вырваны и выброшены; будут заложены и вновь появятся основы славной философии магнита, для того чтобы праздные домыслы больше не вводили в заблуждение высокие умы».

Притягательная сила шарлатанства

Удивительная действенность внушения при лечении болезней хорошо и давно известна. Движение руки или взгляд способны довести ослабленного и доверчивого пациента до припадка, а пилюля, сделанная из хлебного мякиша и принятая больным, уверовавшим в ее целебную силу, может оказаться эффективнее всех фармацевтических средств. В те времена, когда алхимия начала сдавать свои позиции под натиском научных воззрений, внезапно появилось новое заблуждение, основанное на непонимании или недооценке силы внушения и нашедшее поборников в лице алхимиков, многие из которых, оставив былые устремления, заделалось магнетизерами. Именно тогда появилось учение о минеральном, а затем о животном магнетизме. Приверженцы минерального магнетизма заслуживают внимания, прежде всего, как достойные предшественники сегодняшних шарлатанов.

Известный алхимик и врач Филип Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенхейм (1493-1541), более известный как Парацельс, был искренне убежден в том, что магнит — это философский камень, который может облегчать людские страдания и останавливать старение, лечить от эпилепсии, истерии и спазматических заболеваний. Парацельс хвалился способностью «пересаживать» болезнь из человеческого тела в землю посредством магнита: «Возьми магнитного порошку, пропитанного мумом [целебные смолы, входящие в состав магнетических лекарств, которые добывали из мумий или из трупов висельников, потому что от этих тел исходило «легкое осушение, устраняющее водянистую влагу, не уничтожая маслянистую духовную субстанцию, лелеемую небесными светилами и непрестанно усиливаемую духами-небожителями» — из труда 1653 года «Симпатический мум как резюме трудов Парацельса»] и смешанного с хорошо просеянной плодородной почвой. Заполни сей смесью глиняную посудину, посади туда несколько семян, сообразных иль однородных с твоей болезнью, и ежедневно поливай их лосьоном, в коем был омыт хворый член или все тело. Так болезнь будет пересаживаться из человеческого тела в семена, находящиеся в почве. Когда лосьон подойдет к концу, пересади семена из глиняной посудины в землю и жди их прорастания. По мере роста побегов болезнь будет ослабевать, а когда они перестанут расти, исчезнет совсем».

Немецкий ученый, иезуит Атанасиус Кирхер (1602-1680), противопоставлявший себя алхимикам разоблачением множества их обманов, твердо верил в целебные свойства магнита. Когда к нему обратился пациент, страдавший грыжей, он велел этому человеку проглотить небольшой магнит, источенный в порошок, а сам в это время приложил снаружи к опухоли припарку из железных опилок. Он рассчитывал, что таким образом магнит, достигнув соответствующего участка внутри тела, втянет опилки внутрь и притянет их к себе вместе с опухолью, за счет чего она быстро и благополучно рассосется.

Сторонники магнетической доктрины расширяли сферу применения магнитов в лечебных целях, пускаясь с разнообразные по своей абсурдности рассуждения. Так алхимики утверждали, что раны, нанесенные любым металлическим предметом, можно лечить магнитом. С течением времени эта иллюзия приняла такие масштабы, что для вылечивания любой раны, которая в принципе могла бы быть нанесена шпагой, не имеющей к ней никакого отношения, считалось достаточным намагнитить эту шпагу! Так появился популярный в XVII веке оружейный бальзам: «Возьми унцию мха, растущего на голове повешенного и оставленного висеть вора, унцию настоящего мума, унцию все еще теплой человечьей крови, унцию человечьего околопочечного жира и по две драхмы [аптекарская единица веса = 3,89 грамма] льняного масла, скипидара и армянской железистой известковой глины. Все это хорошенько перемешай в ступе и храни полученный бальзам в узкой продолговатой урне». Этим бальзамом надо было смазать, к счастью для раненого, не рану, а оружие, предварительно погруженное в кровь, собранную из раны. Смазанное таким образом орудие убийства следовало отложить в прохладное место. Рану же надо было промыть свежей чистой водой, забинтовать чистым и мягким льняным лоскутом и разбинтовывать один раз в день для очистки от гноя. Конечно, процедуры по обработке раны сами по себе приводили к ее вылечиванию, но оружейный бальзам при этом пользовался большим спросом и успешно продавался, принося доход его распространителям.

В 1784 году по приказу короля Франции Людовика ХVI было проведено исследование по изучению животного магнетизма. Его проводили Бенджамин Франклин (1706-1790), американский ученый и политический деятель, и Антуан Лавуазье (1743-1794), выдающийся французский химик и один из создателей современной химии. Они решили на практике проверить, насколько верны утверждения немецкого врача Франца Антона Месмера, первооткрывателя «животного магнетизма». Месмер утверждал, что подобно тому, как невидимая сила притягивает железную стружку к куску руды, так и неведомая мощь животного магнетизма пронизывает живые существа. Экспериментаторы пытались намагнитить самих себя. Ничего не получилось. Для проверки нуль-гипотезы (магнетизм — плод воображения) исследователи внушали подопытным, что они подверглись воздействию животного магнетизма. Результаты однозначны — действует сила убеждения. В другом эксперименте (всего их было 16) Франклин заставил представителя Месмера намагнитить дерево в саду, которое, по идее, должно так сильно воздействовать на человека, что он может даже потерять сознание. Несчастный обнимал деревья до тех пор, пока не свалился в изнеможении у четвертого, а «намагниченным» было пятое. Одна женщина утверждала, что может определять «намагниченную» воду. Лавуазье наполнил несколько чашек, «намагнитив» лишь одну. Выпив обычную воду, она торжественно заявила, что ей гораздо лучше. Комиссия заключила, что доказательств существования флюидов «животного магнетизма» нет. Групповые опыты доказали, что чудесные исцеления — плод воображения.

Но традиции средневековых врачевателей живы и поныне. Сегодня пользуется успехом убеждение в целебных свойствах магнитного поля. Представители альтернативной медицины утверждают, что магнитотерапия ускоряет процесс восстановления костей при переломах, уменьшает боль и т.п. А на самом деле как обстоят дела? Можно сказать — отлично! Несмотря на то, что спецы по магнитотерапии никогда не пытались доказать научными методами свои технологии врачевания, а действовали всегда силой убеждения, производство магнитных браслетов, обручей, обувных стелек, поясов, подтяжек, матрацев и прочих магнитных аксессуаров по-прежнему возрастает, а рекламисты продолжают информировать доверчивых обывателей о чудодейственных возможностях этих изделий. И в результате доход индустрии магнитотерапии в наши дни составляет порядка 150 миллиардов долларов ежегодно. Возможно, так проявляется свойство магнита притягивать… деньги.

Кстати, в Нью-Йоркском ортопедическом колледже были проведены эксперименты, которые показали, что магниты не имеют никакого положительного воздействия на уменьшение боли в пятках. В течение месяца 19 пациентов носили в обуви стельку с магнитной фольгой, а 15 пациентов носили точно такую же стельку, но без магнитной фольги. В результате 60% пациентов из обеих групп сообщили об улучшении состояния своего здоровья: или боли сами по себе прошли, или стельки помогли — случай очень напоминает лечение ран при помощи оружейного бальзама, не правда ли?

Случайные связи в науке

В истории науки не сосчитать случаев, когда принципиально важные эксперименты задумывались, исходя из «неправильных” предпосылок. Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это представление было настолько распространено, что даже Гильберт считал его предрассудком и всячески старался показать различие этих двух явлений. Но исследования ученых в XVIII веке все в большей степени склоняли их к предположению о том, что существует некая связь между магнетизмом и электричеством. И все же, несмотря на интересные результаты экспериментов, до важного открытия путь был неоднозначен. Причину этого следует искать в научных представлениях, господствующих в те времена. Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т.е. как силы, которые действуют между материальными частицами в направлении соединяющей их прямой. Поэтому исследователи старались обнаруживать силы именно этого рода, создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и электрическим током, или, как говорили в те времена, между гальваническим и магнитным флюидами.

21 июля 1820 года была опубликована одна очень лаконичная статья всего на четырех страницах на латинском языке «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam» («Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку»). В ней датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) описал фундаментальный опыт по электромагнетизму, доказывающий, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет магнитную иглу от направления меридиана. Интерес и удивление ученого мира были велики не только потому, что Эрстед получил столь долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неньютоновского типа. В самом деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по перпендикуляру (нормали) к этой прямой, т.е. она, как тогда говорили, является силой поворачивающей. Значение этого акта почувствовалось уже тогда, хотя полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую трещину в ньютоновской модели мира.

За первой статьей на латыни ученый опубликовал вторую статью на немецком языке, но эта статья осталась малоизвестной. В ней Эрстед показал взаимосвязь электричества и магнетизма. Он подвешивал к проволоке маленькую батарейку, замыкал цепь и регистрировал ее вращение при приближении к ней магнита. Позже то же самое явление обнаружил и французский физик Андре Ампер (1775-1836), а затем и английский физик Майкл Фарадей (1791-1867). В 1821 году Фарадей сконструировал очень интересное приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита.

Кроме взаимосвязи электрического тока и магнетизма, эксперименты, поставленные после открытия Эрстеда, показали, что электрический ток сильно изменяет намагниченность магнита. В связи с этим Фарадей ожидал, что и магнит должен влиять на силу тока. В конце концов, в 1831 году Фарадей сделал свое самое великое открытие — явление электромагнитной индукции. Наиболее наглядное проявление электромагнитной индукции было получено физиком с помощью нехитрого прибора. На железное кольцо наматывались две отдельные спирали, из которых одна соединялась с батареей, а другая — с гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки гальванометра, а при размыкании цепи — отклонение в противоположном направлении. Этот важный опыт, всячески видоизменявшийся, позволил Фарадею «получить электричество из магнетизма» простейшим, сейчас хорошо известным способом: достаточно вводить магнит в спиральный проводник, соединенный с гальванометром, чтобы получить отклонение стрелки в одну сторону, а при выводе магнита из спирали стрелка отклоняется в противоположную сторону.

Фарадей был очень дотошным ученым и провел огромное количество опытов, на которое почему-то сторонники альтернативной медицины никогда не удосуживаются. Возможно, здесь виной четкое понимание, что деньги надо брать быстро, пока клиент верит в чудо! Больших ученых всегда отличает поразительное трудолюбие, благодаря которому перерабатывается огромный опытный материал. О Майкле Фарадее говорят, что он отличался не только блестящим умом, но и поразительной работоспособностью, умением затратить большие усилия на стадии именно чернового труда. Ведь в самых успешных случаях, говорил Фарадей, оправдывается едва ли десятая доля гипотез, желаний, предварительных догадок. И ученый с потрясающей настойчивостью провел огромное количество экспериментов. Одна серия опытов следовала за другой, а поиски не давали положительного результата. Но не таков был этот человек, чтобы скоро отступить. Давно приучив себя к аккуратности, он завел тетрадь, где каждую из попыток записывал особым параграфом. Из этих записей, которые были изданы в 1931 году под названием «Дневник Фарадея», стало известно, что в течение 7 лет ученый исследовал явление электромагнитной индукции. В конце концов, он настиг удачу. Заключительный параграф этой изнуряющей охоты за неуловимым спутником магнетизма имел номер 16041. Так рождалась новая наука, лежащая в основе всех современных технологий, — теория электромагнетизма.