Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Наиболее полезное применение магнитов, а именно постоянство направления компаса, также высвечивает другую проблему, которая добавляет сложность в вопросы магнетизма: магнитные взаимодействия являются фундаментально более сложные, чем электростатическое притяжение или отталкивание между заряженными частицами. Электрический заряд частицы имеет конкретное значение, и, если знаете заряд, вы сразу определите и силу, с которой воздействует электрическое поле на эту частицу. Энергия двух взаимодействующих зарядов зависит от знака и размера их индивидуальных зарядов, расстояния между ними и ни от чего больше.

Однако нет магнитного аналога одиночному электрическому заряду – вы никогда не найдете отдельный северный магнитный полюс без соответствующего южного полюса, – так что магнитные силы зависят не только от простого заряда, но также и от направления. Как любой, кто играл с магнитами в виде брусочков, знает, сила между двумя магнитами становится сильнее или слабее и даже изменяется от притягивающей на отталкивающую в зависимости от направления, куда показывает северный полюс каждого магнита. Чтобы найти энергию пары магнитов, вы должны знать не только их силу и насколько далеко они находятся друг от друга, но также и угол между северными полюсами.

Эта зависимость от ориентации усложняет определение поведения частиц с магнитной природой. Как и электрическое поле, магнитное поле связано с определенным направлением, но, чтобы понять его действие на магнитную частицу, помещенную в поле, необходимо знать направление, связанное с частицей. Эта дополнительная информация также нужна, чтобы вычислить свойства большого количества магнитов и открывает возможности для совершенно нового явления. Большое собрание магнитов, при котором все указывают в одном и том же направлении, сильно отличается от набора, где каждый магнит направлен своим северным магнитным полюсом в противоположную соседу сторону.

Мы можем преодолеть часть сложностей, связанных с магнетизмом на разных уровнях, используя тот же фундаментальный принцип, который объясняет так много в физике: неважно, в каком масштабе мы рассматриваем, но любая физическая система всегда стремится найти самое низкое из возможных энергетических состояний. Нахождение этой минимальной энергии включает баланс энергетических затрат всех различных взаимодействий, которые данный объект – будет ли это фундаментальная частица, атом или небольшой кусок минерала – имеет с остальной Вселенной. Если помнить про этот баланс, то можно получить простой и надежный путеводитель по трудностям с постоянными магнитами, наподобие иглы компаса, всегда указывающей на север.

В целом, энергия магнитного предмета на любом уровне будет самая низкая, когда его северный полюс указывает в том же направлении, что и магнитное поле в том месте, где он находится, и наивысшей, если он показывает в противоположном направлении. Это заставляет компас работать: токи в ядре Земли генерируют магнитное поле в большом масштабе, так что каждая точка на поверхности планеты находится в небольшом магнитном поле, указывающем в определенном направлении. Игла компаса – это небольшой легкий постоянный магнит, который может свободно крутиться относительно своего центра, чтобы минимизировать свою энергию, что происходит, когда северный полюс магнита направлен на Северный полюс планеты более или менее точно. Мы обозначаем полюса магнитов как «северный» или «южный» в зависимости от того, в каком географическом направлении они показывают, когда могут свободно вращаться.

По договоренности, однако, поле, окружающее магнитный предмет, направлено (или указывает) наружу в области северного полюса и внутрь в районе южного, при этом линии поля между ними формируют замкнутые контуры (петли), похожие на те, которые мы видим в знакомой демонстрации картины железных опилок над брусочком магнита. Это направление с севера на юг для магнитного поля означает, что называемое нами земным Северным полюсом в действительности соответствует южному полюсу обычного магнита[214].

Когда отдельные магниты выравнивают свое положение относительно других ближайших предметов, то это изменяет не только энергию магнитов, но и то, каков будет вклад магнитного поля этих магнитов в общее поле, создаваемое группой. Если магниты расположены конец к концу, расположение с минимальной энергией должно быть таким, чтобы все северные полюса указывали в одном и том же направлении; в этом случае отдельные магнитные поля добавляются, чтобы создать более сильный по воздействию магнит.

С другой стороны, магниты, расположенные бок о бок, будут предпочитать, чтобы их северные полюса были направлены в противоположных направлениях, и в этом случае их отдельные поля в целом взаимно уничтожат друг друга, создавая более слабый по воздействию магнит.