Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

К началу 1950-х годов никаких новых идей на сей счет выдвинуто не было, зато появились новые измерения. Лава, извергаемая вулканами, содержит богатые железом соединения. Оказалось, что каждая крупица одного из этих соединений может вести себя подобно стрелке компаса, ориентируясь в направлении локального магнитного поля. Самым интересным было то, что, когда лава остывала и превращалась в твердую скальную породу, эти крошечные вкрапления железосодержащих минералов жестко фиксировались в исходном положении, ориентированном в направлении локального магнитного поля. Наличие этих крошечных «замороженных компасов» означало, что в момент образования скальных пород в них оказалась встроенной существовавшая в то время картина магнитного поля Земли. Когда геологи воспользовались этой картиной, чтобы исследовать изменения магнитного поля Земли, происходившие на протяжении целых геологических эпох, удалось выявить чрезвычайно любопытные факты. Выяснилось, что каждые несколько сотен тысяч лет направление магнитного поля Земли меняется на противоположное, то есть магнитный север и магнитный юг меняются местами. Казалось бы, что нам с того? Но все равно это выглядело очень странно.

Затем геологи обратили взор на морское дно. Одним из множества необъясненных явлений структуры Земли было наличие в нескольких океанах длинных цепей подводных гор, тянущихся вдоль обширных «равнин» морского дна. Никто не мог ответить на вопрос, как эти горные цепи там появились. Самая знаменитая горная цепь – Среднеатлантический горный хребет: гряда вулканов, которая берет начало над водой (Исландия представляет собой лишь окончание этого хребта, выступающее над поверхностью воды), а потом уходит под воду и тянется по центру Атлантического океана почти до Антарктики. Но в 1960 году магнитные измерения показали, что магнетизм скальных пород, окружающих этот горный хребет, выглядит чрезвычайно странно. Он необычен своей полосатостью, причем полоски тянутся параллельно хребту. По мере удаления от центрального хребта скальные породы морского дна обладают магнетизмом, который ориентируется сначала на север, затем на юг, потом снова на север, причем эти полоски тянутся по всей длине горной гряды. Но и это еще не все: если взглянуть на другую сторону гряды, то магнитные полоски на ней представляют собой зеркальное отражение первых.

В 1962 году двое британских ученых, Драммонд Мэтьюз и Фред Вайн, высказали идею на этот счет[83]. А вдруг, предположили они, вулканы на морском дне формируют новое морское дно, когда континенты расходятся? Магнетизм, выявленный возле горного хребта, соответствует нынешнему направлению магнитного поля. Но когда континенты расходятся в стороны, горные породы от этих хребтов растягиваются по обе стороны вулканов; при этом образуются новые горные породы. Когда магнитное поле Земли меняет направление на противоположное, магнетизм этой новой лавы также меняет направление на противоположное, давая начало новой полосе, указывающей в противоположном направлении. Причина, почему эти полосы зеркально отражают друг друга, состоит в том, что каждая полоса представляет период одной магнитной ориентации, прежде чем произойдет ее очередная смена. Другие открытия, сделанные примерно в то же время, позволили выявить места, где происходило разрушение старого морского дна, что было очень важно, поскольку размер самой планеты не меняется. По другую сторону Южной Америки существует горный массив Анды, так как именно здесь старое морское дно из Тихого океана заталкивается под континент, обратно в мантию Земли. Когда вы точно знаете, что континенты могут перемещаться, сталкиваясь и разделяясь, создавая и разрушая морское дно в ходе таких перемещений, геологические картины обретают глубокий смысл. Открытие тектоники плит стало поворотным моментом в геологической науке. В наши дни тектоника плит исполняет роль станового хребта всех наших представлений о том, почему Земля именно такая, как есть.

Итак, континенты таки «дрейфуют», правда, при этом не «пропахивают» морское дно. Они плывут поверх того, что под ними, под воздействием конвекционных токов, перемещающихся под поверхностью Земли. И этот процесс разворачивается прямо у нас на глазах. Сейчас Атлантический океан все еще расширяет свои границы со скоростью примерно 2,5 сантиметра в год[84]. В настоящее время продолжается формирование магнитной полосы. Чтобы убедить ученых в том, что поверхность Земли подвижна, потребовалось немало фактов, но неопровержимым доказательством послужили картины магнетизма морского дна. Сегодня мы можем измерить перемещение всех континентов с помощью очень точных данных, поступающих с GPS. Они позволяют нам видеть механизм таких перемещений в действии. Но ключом к прошлой истории Земли и ее нынешнему виду оказался магнетизм, заключенный в древних горных породах планеты, возраст которых сотни тысяч лет.

Сочетание электричества и магнетизма образует симбиоз, играющий огромную роль в нашей жизни. Наша нервная система использует электричество для передачи сигналов к разным участкам тела, электропитание необходимо многим устройствам, жизненно важным для современной цивилизации, а магнетизм позволяет нам сохранять информацию и управлять упорядоченным движением электронов, исполняющим те или иные полезные функции. Мы добились значительных успехов в том, что касается контроля электромагнетизма. Мы довольно редко испытываем удар электрическим током, да и неожиданные отключения электроэнергии стали редкостью. Мы научились эффективно защищать себя от вредного воздействия сильных электрических и магнитных полей; более того, мы живем, даже не замечая их существования. С одной стороны, наше умение управлять электромагнетизмом не может не радовать. С другой – мне становится грустно оттого, что мы так тщательно прячем от себя такую важную часть физического мира, как электромагнетизм. Впрочем, меня не покидает надежда, что в будущем человечество найдет дополнительные способы напоминать людям о наличии электромагнетизма, чтобы мы не забыли о нем окончательно. Перед человечеством встала во весь рост проблема неминуемого исчерпания традиционного источника энергии – ископаемого топлива. В будущем выработка электроэнергии не обязательно будет происходить на удаленных электростанциях. Возобновляемая энергия может вырабатываться гораздо ближе к местам нашего проживания. Не исключено, что появятся какие-то новые способы выработки электроэнергии. Циферблат моих наручных часов представляет собой солнечную батарею. С момента их покупки прошло семь лет, а они тикают, как ни в чем не бывало. Уже разработаны технологии, которые позволяют добывать солнечную энергию из света, проникающего в наши жилища через окна, из кинетической энергии, вырабатываемой при ходьбе, и из энергии волн в устьях рек. Принципы, на которых основаны эти технологии, – все те же законы электромагнетизма.

⁂

Мне осталось добавить еще один фрагмент в картину электромагнетизма, иначе она будет неполной. Мы видели, что электрический ток может создавать магнитное поле в тостере. Но этот процесс действует и в обратном направлении. Когда вы перемещаете магнит вблизи проводника, магнитное поле воздействует на заряженные частицы (например, на электроны), а это означает, что вы можете создать в проводнике электрический ток, которого там раньше не было. Речь в данном случае идет не о каких-то технологиях будущего, а о довольно распространенном способе выработки электроэнергии в наши дни. Мы подаем в электрическую сеть электроэнергию, образующуюся за счет перемещения магнитов – либо с помощью вращения турбин тепловых или атомных электростанций, либо вращая ручку так называемого заводного радиоприемника, который работает от встроенной динамо-машины. Один из самых элегантных и простейших примеров использования электричества и магнитов для выработки электроэнергии – ветряной двигатель.