Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма
Шрифт:
Сейчас ясно, что с таким подходом убедить налогоплательщиков давать деньги на физику будет трудно. Нужно учиться говорить понятно для непрофессионалов.
Мы прочитали курс по математическому моделированию как межфакультетский. Потом стало ясно, что он полезен и нашим студентам.
В этой книге я попытался переработать содержание тех частей курса, которые рассказывал сам. Скажу честно, я не знаю, как писать такие книги, но хочу научиться.
Посмотрим, как у меня получится.
Время написать эту книгу нашлось из-за пандемии коронавируса. Пришлось уехать в глухую деревню в муромских лесах. Интернет был, но было и свободное время.
Безусловно, эта книга – не учебник
Введение
Мы собираемся поговорить о том, как устроена современная физика в той ее части, где существенно востребованы современные математические идеи (таких областей физики – большинство). Разумеется, мы обсудим и то, что интересно мне лично, – просто потому, что на другие темы должны говорить люди, на них специализирующиеся. Я занимаюсь магнетизмом небесных тел – в широком смысле слова. Чем же отличается эта область физики от всех прочих многочисленных областей?
Можно привести простой пример. На физическом факультете МГУ есть много разных научных групп, так или иначе изучающих магнитные явления. Регулярно – раз в несколько лет – проводится российская конференция по магнетизму. Делается много докладов, работают секции, жизнь кипит.
Удивительно, но на этой конференции не было сделано ни одного доклада по магнетизму небесных тел, включая геомагнетизм. Несмотря на то что на факультете есть отделение геофизики, где занимаются, в частности, геомагнетизмом. Один из деканов был специалистом в этой области в текущем столетии.
Среди организаторов конференции были мои однокурсники, которых я хорошо знал со студенческих лет. Я много раз говорил с ними – без всякого результата – о том, что неплохо было бы организовать на конференции секцию по космическому магнетизму.
Как говорят, nothing personal. Просто организаторы конференции не воспринимают космический магнетизм как часть науки о магнитных явлениях. Это кажется необычным, но у организаторов конференции есть свои резоны.
Наверное, в космическом магнетизме есть что-то необычное и интересное, что заслуживает обсуждения. Этому и посвящена эта книга.
Глава 1
Откуда мы знаем про магнитные поля небесных тел
Много лет назад мы с коллегами написали обзорную статью про очень конкретный вопрос из области астрономии. Статья так и называлась: «Магнетизм галактик». Она была написана по-английски, но суть дела от этого не меняется. В то давнее время интернета не было, поэтому журналы выдавали авторам оттиски статей, которые авторы могли послать по почте своим научным знакомым: приятно же, когда твоими статьями кто-то интересуется. Чтобы сообщить авторам, что кто-то не против прочитать их статью, желающий присылал им специальные открытки-запросы на оттиски. В тот раз открытки пришли, и соавторы поручили мне как самому молодому в команде пойти на почту и разослать оттиски. Открыток было много, но все какие-то странные, от знакомых астрономов вовсе ничего не пришло – наверное, они прочитали нашу статью в библиотеке (тогда люди еще ходили в научные библиотеки; я и сам ходил и хорошо это помню). Но открытки пришли из самых различных мест, совершенно не связанных с астрономией. Особенно запомнилось письмо из Каирского зоопарка – его сотрудники тоже не могли жить без магнетизма галактик.
Так я узнал о том, что вопросы космического магнетизма интересуют широкую публику.
У человека нет специального органа чувств, с помощью которого можно непосредственно ощущать магнитное поле. Мы судим о присутствии магнитного поля по тому, как оно действует на что-то другое, прежде всего на магнитную стрелку. Мы делаем так, если интересуемся магнитным полем прямо в том месте, где находимся сами. С небесными телами дело обстоит гораздо сложнее: мы живем только на одном небесном теле – нашей Земле. Люди уже побывали на Луне, космические аппараты достигли Марса и Венеры и пролетели в окрестностях других планет. На многих из этих космических аппаратов стояли сложные приборы – магнитометры, которые измеряли магнитное поле в той точке, где в тот момент находились. В этом смысле магнитометры похожи на магнитные стрелки. Это, безусловно, очень важные данные, но мы бы практически ничего не узнали о космическом магнетизме, если бы у астрономов не было других методов измерения (или, может быть, лучше сказать «наблюдения») магнитного поля на астрономических расстояниях.
1. Что должен отвечать на вопрос о наблюдениях магнитных полей студент-астроном
Начнем с простого – с того, что должно быть известно каждому студенту.
В основном знания в области астрономии мы получаем из света, приходящего от различных небесных тел. Не обязательно света в видимом диапазоне, но и радиоволн, рентгеновского излучения и других видов электромагнитных волн. Безусловно, астрономы очень ценят все остальные источники информации: космические лучи, гравитационные волны, нейтрино несут важные сведения, но все же основную массу знаний дают электромагнитные колебания.
Оказывается, магнитное поле может влиять на свойства света. При определенных условиях атомы излучают или поглощают электромагнитные волны в очень узком диапазоне частот (можно сказать, одного цвета) – в некоторой спектральной линии. Если же атом находится в магнитном поле, то спектральная линия распадается на две или несколько линий, соответствующих нескольким разным частотам. В физике принят термин «расщепление спектральных линий». По тому, насколько велико это расщепление (как различаются цвета, соответствующие этим линиям), можно узнать, насколько сильно магнитное поле в точке, где излучается свет. Явление расщепления спектральных линий в магнитном поле называется эффектом Зеемана.
С помощью эффекта Зеемана в начале XX в. американский астроном Хейл впервые измерил магнитное поле в солнечных пятнах. Так люди узнали, что Солнце является гигантским магнитом. Это был триумф физики и астрономии: стало ясно, что не нужно лететь на удаленное небесное тело для того, чтобы узнать, какое там магнитное поле.
Поэтому каждый студент должен уверенно отвечать: в астрономии магнитные поля измеряют по эффекту Зеемана. Однако часто студенты не знают того, что они знать обязаны.
Этот ответ верен, но, как часто бывает со студенческими знаниями, он очень неполон. Если бы в распоряжении астрономов был только эффект Зеемана, сегодня наши знания о космическом магнетизме были бы гораздо беднее.
2. Как наблюдают магнитные поля галактик
Что же прочитали в нашей статье уважаемые сотрудники Каирского зоопарка о том, как наблюдают магнитные поля галактик? Конечно, никто не собирается отказываться от старого доброго эффекта Зеемана, который уже больше ста лет верой и правдой служит астрономам. Проблема только в том, что он хорош для измерения магнитных полей в солнечных пятнах, но плохо работает при измерении магнитных полей галактик – галактики тоже являются магнитами.