Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Сила между двумя магнитами или между магнитом и куском металла считается одним из наиболее увлекательных примеров фундаментальной физики, как для молодых, так и для старых. Одной из наиболее популярных игрушек в дни моего детства был конструктор из пластиковых фигурок простых форм, которые могли соединяться за счет магнитов по сторонам; почти каждый день из них создавались новые интересные конструкции. Местный научный музей выстраивал длинные линии с помощью гигантского подковообразного магнита и нескольких пригоршней стальных шайб, и взрослые наравне с детьми пытались понять, какой длины можно вытянуть цепь из шайб, присоединив их к одному из полюсов магнита. В действительности, магниты – это притягательные врата для входа в физику. Эйнштейн вспоминал, как захватывал его воображение компас, когда он был ребенком, удивляясь невидимым силам, которые всегда тянули иглу назад к северу. Это подталкивало к размышлениям о природе этого явления, продолжавшимся всю жизнь. В моих воспоминаниях о детстве есть, например, попытка заставить небольшой магнит левитировать над набором больших магнитов[209]. Восхищение не пропадает даже у взрослых, и игрушки на магнитном столе стали распространенным явлением на факультетских кафедрах в отделениях физики повсюду.

Какими бы они ни были знакомыми, все же известно, что действие магнитов сложно объяснить. Часто показывают клип из шоу 1980-х, в котором прославленный физик Ричард Фейнман[210] категорически заявлял: «Я действительно не могу объяснить магнитные силы в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы, потому что я не понимаю это в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы»[211]. Менее интеллектуальный пример можно привести из песни 2009 года «Чудеса», в которой клоунская группа рэпперов Insane Clown Posse спровоцировала тысячи неуспешных попыток объяснить работу магнитов строчкой: «Долбаные магниты, как они работают?» [212]

Может показаться странным, что так широко распространенное явление, что мы используем, чтобы прикрепить рисунки детей на кухне к бытовой технике, так трудно объяснить нетехническим языком, но физика действительно крайне сложна и зависит от тонких деталей микроскопической структуры материалов, состоящих из частиц. И конечно же – как вы, возможно, догадались, – это сводится обратно к квантовому миру: постоянные магниты, которые мы используем для крепления бумажек на дисплей, были бы невозможны без спинов и принципа запрета Паули.

Направляющий магнетизм

Когда люди спрашивают «Как работают магниты?», они на самом деле задают два различных, хотя и связанных между собой, вопроса. Постоянный магнит является макроскопическим куском материала, который создает магнитное поле вокруг себя. Одним из вариантов интерпретации вопроса будет ссылка на общее поведение этих магнитных полей. С точки зрения физики, это наиболее легкий вариант для ответа на эти два вопроса. Природу магнитных полей начали изучать с середины 1800-х годов, когда Максвелл написал свои уравнения, показывающие, как токи и изменяющиеся электрические поля создают магнитные поля, и наоборот.

К несчастью, в то время как уравнения Максвелла предлагают прямолинейный подход к пониманию возникновения магнитных полей за счет движения вокруг заряженных частиц, они не отвечают на второй вопрос про постоянные магниты, а именно, в первую очередь – почему эти особенные куски инертного в других отношениях материала спонтанно генерируют магнитные поля. В конце концов, не похоже, что внутри куска природного магнетита текут какие-либо токи, и все же минерал создает значительное магнитное поле.

Склонность некоторых материалов притягивать металлы была известна по крайней мере с шестого века до нашей эры, встречается в записях в Греции, Индии и Китае и практически использовалась, по меньшей мере, с XI века н. э., поскольку с этого времени китайцы использовали магнитные компасы для навигации[213]. Однако, несмотря на такую длинную историю, происхождение магнитных свойств этих материалов оставалось загадкой до XX века.

Существование постоянных магнитов не имеет простых объяснений, потому что включает физические явления на многих уровнях. Физика в масштабе атомов, очевидно, тоже в этом участвует, поскольку все природные магнитные материалы содержат железо, и только некоторые другие элементы проявляют явные свойства магнита. Однако физика на атомном уровне – это еще не все, множество материалов,

содержащих большие количества железа, не являются магнитными, включая различные стальные сплавы, так что кристаллическая структура материала также должна играть в этом свою роль. И, конечно же, все в конечном счете связано вместе на уровне фундаментальных частиц, так что магнитное поведение должно иметь корни в поведении отдельных протонов и электронов.