Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Диамагнетизм можно весьма хитроумно использовать в колдовстве. Он позволяет добиться левитации любого предмета в магнитном поле, достаточно быстро изменяющемся в пространстве. У этого явления есть практические применения: например, левитация мышей дает возможность моделировать состояние невесомости, не покидая Земли. Благодаря диамагнитной левитации я получил один из самых ясных в моей жизни опытов трехэтапного восприятия природной магии. Это произошло, когда я приехал в Сент-Эндрюсский университет в Шотландии. Зайдя в кабинет каких-то аспирантов, я увидел висящий в воздухе над полкой маленький, тонкий кристалл. Первая стадия восприятия была очевидной: левитирующий кристалл! Я не видел ни лесок, ни обманчивого освещения, ни зеркал, скрывающих опору. Когда я подтолкнул кристалл, он сдвинулся, но остался парить в воздухе. Я был убежден, что его левитация имеет магнитную природу; к этому моменту я переходил ко второй стадии восприятия волшебства: пытался рационализировать его, опираясь на знакомые мне концепции. Но тут у меня возникло затруднение, потому что существует математическое доказательство невозможности левитации магнитов в статической конфигурации – так называемая теорема Ирншоу. Вы можете убедиться в ее справедливости на собственном опыте: как бы вы ни старались, вам не удастся добиться, чтобы один магнит завис в равновесном состоянии над другим, не используя никаких опор. Я задумался, не может ли кристалл очень медленно вращаться: это было бы одним из решений проблемы. Я спросил о кристалле у аспирантов, и они сказали, что он висит там уже не первый месяц. Это исключало возможность вращения, так как сопротивление воздуха постепенно остановило бы его. К слову, аспирантам даже не пришло в голову показать мне этот левитирующий кристалл – именно потому, что он был у них уже несколько месяцев; они к нему привыкли. Но для меня он был внове, и его волшебство становилось тем сильнее, чем дольше мне не удавалось понять его.

В конце концов они признались, что кристалл представлял собой невероятно сильный диамагнетик. Это был кусок пиролитического графита – в обычных условиях этот материал является самым сильным из всех известных диамагнетиков, – а парил он над подложкой из невероятно сильного ферромагнетика – неодима. Теорема Ирншоу исключает статическую магнитную левитацию только для ферромагнетиков, а здесь речь шла о диамагнетике. Так что теперь я перешел на третью ступень восприятия: я понимал, как именно получается левитация кристалла, но все равно мог оценить техническое мастерство исполнения и необычайно редкие образцы диамагнетиков и ферромагнетиков, настолько сильных, что они обеспечивают левитацию без подачи энергии.

Магнитные свойства всех материалов возникают из магнитных полей отдельных атомов – атомных спинов. Само слово «спин»[17] указывает на происхождение этих полей: при вращении электрически заряженного объекта вокруг него возникает магнитное поле. Тот спин, о которым мы говорим, представляет собой квантово-механическую величину, к которой трудно подобрать аналогии из повседневной жизни. Но в качестве запоминающейся иллюстрации вы можете представить себе, что спин атома возникает в результате того, что отрицательно заряженные электроны движутся по орбитам вокруг атомного ядра так же, как Луна вокруг Земли. Движущийся по круговой траектории электрический заряд порождает магнитное поле (на этом принципе основаны электромагниты, в которых магнитное поле создает электрический ток, текущий по спиральной проволочной обмотке).

Ферромагнетизм уникален среди трех типов магнетизма тем, что это чисто эмерджентное свойство: оно появляется только из-за магнитного взаимодействия многочисленных спинов, приводящего к их ориентации в одном и том же направлении. Напротив, парамагнетизм и диамагнетизм можно понять из модели, в которой спины всех атомов ведут себя независимо друг от друга; их общее поведение представляет собой всего лишь сумму составляющих и не более того. По этой причине кое-кто утверждает, что только ферромагнетики – это истинное состояние материи, а остальные два типа таковыми не являются. Лично я считаю такое разделение слишком строгим. Одна из причин, по которым я так думаю, связана с тесным родством между механизмом превращения ферромагнетиков в парамагнетики и механизмом превращения жидкой воды в газ. Такие преобразования не менее важны, чем сами состояния.

Фазовые переходы