Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

В то время как общая энергия материала может быть снижена за счет электронов, указывающих в правильном направлении для каждого домена, энергия должна возрастать непосредственно в ходе самого процесса. Опять-таки, этот магнетизм легко разрушается: по мере нагрева материала тепловая энергия добавляется к движению электронов и может стать достаточно большой, чтобы перекрыть увеличение энергии, необходимое для того, чтобы электроны могли свободно ориентировать свои спины, как им вздумается – обычно в направлениях, благоприятных для кристаллической структуры их конкретного домена. Магнитные материалы, таким образом, имеют характерную «температуру Кюри», выше нее их электроны уже не остаются совместно направленными вдоль различных доменов, и они теряют свои магнитные свойства[224].

Понимание физики этих процессов, от спинов электрона до кристаллических доменов, также позволило физикам сконструировать магнитные материалы, которые не встречаются в природе. В частности, с 1970-х годов использование крайне сильных магнитов, основанных на «редкоземельных» элементах типа неодиума, стали широко распространенными, их можно найти везде, от детских игрушек до магнитных систем хранения данных. Они сделали магнитные прижимы в целом гораздо более распространенными и более надежными, чем во времена, когда я был в том возрасте, чтобы прикреплять рисуночки к холодильнику.

Магнитное хранилище информации

В то время как перегруппировка доменов в магнитном материале, помещенном в магнитное поле, обычно временное явление, для некоторых материалов, если приложить достаточно большое поле, можно создать более постоянное расположение.

Однажды сориентировавшись в одинаковом направлении, эти домены будут оставаться в своей новой ориентации после того, как убрано поле, до тех пор, пока что-нибудь еще – нагрев, механическое воздействие или достаточно сильное поле противоположного направления – не разрушит новое расположение. Постоянство магнитных доменов сделало эти материалы важной частью индустрии систем хранения данных.

На заре компьютерной эры многие машины использовали «магнитную основную память», где биты, используемые в вычислениях, временно хранились в маленьких кусочках магнитного материала с направлением северного полюса, переключаемого между двумя значениями с помощью протекающего через контур провода тока вокруг каждого кусочка. Магниты в этой системе могли быть довольно существенными – достаточно большими, чтобы создавать сигналы, которые воспринимал расположенный поблизости радиоприемник. Один из моих профессоров по компьютерным наукам в колледже рассказал историю про конструирование программ на перфокартах, они будут бесцельно считывать биты в нужной последовательности, так что на поставленном неподалеку от этих компьютеров радиоприемнике можно будет прослушать хит «Резиновая уточка» из мультсериала «Улица Сезам».

В меньших масштабах гибкие полоски магнитного материала создают основу для кассет и видеолент VHS[225], что радовали меня в юные годы, для хранения звуков и видео в виде распределения магнитных доменов на ленте с использованием электромагнитов для записи. Эти распределения потом считывались небольшим датчиком, который улавливал изменения в магнитных полях, проходя над витками проволоки в плейере. Ленты могли хранить данные длительный период, хотя используемые материалы медленно ухудшали свои качества после многих воспроизведений.

Менее устаревшие технологии, а именно магнитные домены с возможностью перезаписи, также лежат в основе операций современных твердых дисков. Основной принцип остается тем же самым: электромагнит в «пишущей головке» изменяет ориентацию магнитных доменов на диске, чтобы сохранить цифровую информацию. В то же время «считывающая головка» распознает картину магнитных полей на диске, превращая хранящуюся на диске информацию обратно в единицы и нули для рабочей памяти. Десятилетия инженерных усилий по разработке лучших магнитных материалов и высокопроизводительных систем чтения и записи данных продвинули эти системы до такого уровня, что они могут хранить невероятное количество данных. Четырехтерабайтный диск, который я использую, чтобы сохранять данные на моем компьютере дома, имеет габариты коробочки для хранения пятидюймовых флоппи-дисков, использовавшихся на моем первом компьютере; при этом вся та коробочка сохранила бы для меня одну миллионную часть данных, которые умещаются сегодня на моем твердом диске.

Эта глава лишь коснулась поверхности крайне сложной физики магнитных материалов, богатого и разнообразного поля, где счастливо трудятся множество физиков. Однако неважно, заинтересованы ли вы в хранении данных высокой плотности или просто прикрепляете карандашные рисуночки на кухонные приборы, физика всего этого имеет глубокие корни в квантовой механике. Каждый магнит, какой вы видите, – в конечном счете квантовый объект, действующий благодаря присущему его электронам спину.

Глава 10 Детектор дыма: Побег мистера Гамова