Чому Земля – магніт? ч. 4 У пошуках істини в блозі Науково-пізнавальний · від Олег · додано 03.09.2009 18:18

Гільберт помилявся. Таємниця магнітного відхилення була розгадана ще до нього, але про це стало відомо з опублікованого в тому ж 1600 р. листі знаменитого картографа Герард Меркатора, творця проекції карт, яка носить його ім'я. Це лист, написаний у 1580 році, приховували в архівах британського адміралтейства разом зі звітами експедицій, які шукали Північно-західний прохід до Індії, уздовж берегів Канади. Англійці боялися, щоб їх не випередили, і всі матеріали тримали в суворій таємниці.

Меркатор стверджував, ніби магнітні полюси Землі не збігаються з географічними. Тому і виникає магнітне відхилення. Стрілка компаса вказує напрямок на магнітний полюс. І чим ближче до нього, тим сильніше вона відхиляється від географічного меридіана. Тільки на меридіані, що проходить через обидва полюси - і магнітний та географічний, - стрілка буде вказувати точно на північ. Саме цей меридіан і перетнув Колумб на шляху до Африки.

Пройшли століття, поки вдалося перевірити геніальний здогад Меркатора і точно визначити положення магнітних полюсів. А по дорозі до них дослідники натрапили ще на декілька явищ, які зажадали пояснення. Схема земного магнетизму, яка здавалася Гільберт такою простою і зрозумілою, все ускладнювалася.

З'ясувалося, що магнітне відхилення зовсім не залишається незмінним. Професор астрономії Геллібранд у 1634 році виміряв величину схилення в Лондоні і здивувався. Воно виявилося рівним чотирьом градусів. А всього за шістдесят років до цього, коли такі ж вимірювання проводив Норман, величина відхилення була зовсім іншою, одинадцять з чвертю градусів. Помилки не могло вийти: пунктуальний Геллібранд повторив досвід кілька разів. Але не могли ж у такому випадку магнітні полюси переміщатися з місця на місце?

Учені стали порівнювати величини магнітного відхилення за різні роки і підтвердили спостереження Геллібранда. Так, відхилення змінювалося. Такі зміни назвали магнітними варіаціями. Щоб їх краще вивчити, в кінці XVII століття вирушила в Атлантичний океан спеціальна експедиція на чолі з відомим астрономом Галлея. Він провів безліч вимірювань величини відмінювання, завдаючи точки на карту. Точки, де відмінювання виявилося однаковим, Галлей з'єднав ізолініями.

Так з'явилася перша магнітна карта. Вона робила картину магнітного поля Землі наочною, але, на жаль, ще більш незрозумілою. Чому ізолінії так вигадливо згинаються? Вони зовсім не схожі на строгі смужки географічних меридіанів і майже ніде з ними не збігаються.

- Може бути, усередині Землі не один магніт, а два, нахилених один до одного під деяким кутом? - Дивувався Галлей.

А незабаром з'ясувалося, що відхилення змінюється з кожним роком. Більше того, воно не буває стійким навіть протягом доби.

Моряки також помітили, що бувають дні, коли компасні стрілки немов сходять з розуму. Вони починають скажено кидатися по картушам. Такі обурення стали називати магнітними бурями.

Спостереження все накопичувалися, а зрозуміти їх і пояснити виявилося не так-то легко. Велику роботу тут зробили російські вчені. Над таємницями магніту багато роздумував М. В. Ломоносов.

Він, мабуть, першим зрозумів всю складність загадки земного магнетизму. У 1759 році в «Роздумах про велику точність морського шляху» Ломоносов писав: «Отже, припустимо, що Земля магніт з різних великих частин різної щільності складеної, або з багатьох магнітів різної сили в одному складеної, які за своїм станом сил діють; то необхідно випливає, що на ній по різниці місць повинно бути різне магнітної стрілки відхилення».

Так Ломоносов запропонував нову гіпотезу походження земного магнетизму. Воно виникає не від обертання планети, а просто тому, що в її надрах багато покладів магнітних руд. Вони і створюють магнітне поле Землі. Подальший розвиток науки показало, що в цьому Ломоносов помилявся. Але зате воно підтвердило правильність його головною геніальної здогадки: великий магніт Землі складається з кількох частин. І всі вони впливають один на одного і на стрілки компасів. Ось чому такою складною і навіть суперечливою виходить картина магнітного поля Землі.

Але це поки що була тільки здогад. Сам Ломоносов попереджав:

- Без багатьох і вірних спостережень кожного місця загальна теорія про зміни магнітної сили затверджена бути не може.

І російські вчені почали збирати «багато і вірні спостереження».

Перш за все вони зацікавилися осередками, де компасна стрілка веде себе неспокійно. У 1784 році П. Б. Інохідця проводив геодезичну зйомку біля Курська. Вірний помічник - компас тут раптом змінив. Він вів себе так, наче опинився на магнітному полюсі: стрілка часом поставала майже вертикально до того ж відхилялася на 180 градусів.

Подібні ж «ненормальності» в поведінці стрілки виявили дослідники і на Україні і на Уралі. Такі місця стали називати магнітними аномаліями. Це й були «додаткові» магніти, передбачені Ломоносовим.

Під час навколосвітніх плавань Крузенштерна, Лисянського та інших прославлених російських мореплавців велися постійні виміру магнітної сили в самих різних куточках Землі. Взимку 1820 шлюпи «Схід» і «Мирний», заплив далі за всіх на південь, відкрили Антарктиду. Начальник експедиції Ф. Ф. Беллінсгаузен наближено обчислив положення південного магнітного полюса. Він був зовсім поруч, біля гори Еребус, який ховався в сніговій імлі.

Інше важливе відкриття зробив астроном експедиції Іван Михайлович Симонов. Одного разу він спостерігав в телескоп плями на Сонці, яких чомусь в той день з'явилося особливо багато. Симонов часто відривався від труби, вселяє священне повагу всім матросам, щоб помилуватися грою полярного сяйва на небі. У цей день воно розігралося теж особливо сильно, І раптом прикра перешкода відриває вченого від спостережень.

- Компаси зовсім показилися, - лається штурман. - Прошу вас сюди, Іван Михайлович, спробуйте розібратися. Стрілки танцюють як скажені.

З компасом нічого не можна було вдіяти. Мабуть, вирувала магнітна буря. Симонов повернувся до телескопа. На жаль, саме цікаве вчений упустив, пораючись з компасом. Плям стало значно менше. І райдужні полотнища сполохів в небі поступово почали затухати.

Симонов кинувся знову оглядати компаси. Вони забутися. Стрілки, здригаючись, вставали на колишній курс. Магнітна буря пройшла. Чому три явища збігалися? - Задумався астроном. Плями на Сонці, полярне сяйво, магнітна буря. .. Чи випадково вони відбувалися всі в один час? Навряд чи. Між ними є якась ще неясна зв'язок.

Симонова дуже зацікавили ці спостереження. Повернувшись з плавання, він створив перший в Росії магнітний павільйон при Казанському університеті, професором якого був. Йому допомагав професор фізики А. Ф. Купфера, який виявився дуже енергійним організатором. Завдяки його турботам незабаром вдалося відкрити ще один павільйон у Петербурзі. Пізніше на його базі виникла Головна фізична обсерваторія.

І. М. Симонов тим часом був занурений у складні математичні обчислення. Він задумав навести порядок в хаосі магнітного поля Землі. Кращим шляхом для цього здавалася математика. Симонов спробував вивести формули, за якими можна було б заздалегідь теоретично вирахувати потенціал магнітного поля для будь-якої точки земної поверхні.

Йому не вдалося довести цю роботу до кінця. Повну математичну теорію земного магнетизму дав інший дослідник - німецький вчений Карл Фрідріх Гаус.

Гаус ще в дитинстві вражав усіх своїми видатними математичними здібностями.

- Я навчився рахувати раніше, ніж говорити, - жартував він, згадуючи своє дитинство.

Ще в шкільні роки у нього виникла інша пристрасть. Він став захоплюватися іноземними мовами, давніми й сучасними. І тут проявилися неабиякі здібності. І навіть 62-літнім старим Гаус самостійно вивчив, наприклад, російську мова. Він читав в оригіналі «Бориса Годунова» і розмовляв про це з І. М. Симоновим, коли той відвідав його.

Вступаючи в університет, Гаус навіть вагався, який факультет вибрати: філологічний чи математичний. Але математика все-таки перемогла, і він їй віддав все життя. Чудові праці Гаусса були відзначені спеціальною медаллю, відлитої в його честь, з лаконічною написом: «Першому з математиків».

Гаус не став дошукуватися причин земного магнетизму. Він просто брав як факт, що джерела його лежать всередині Землі. Потенціал магнітного поля планети залежить від широти і довготи. Гаус склав рівняння, які дозволяють обчислювати потенціали для будь-якої точки земної кулі.

У формули Гаусса входять особливі коефіцієнти. Він вивів їх з спостереження в багатьох куточках Землі, вивчаючи магнітні картки свого часу. Потім, користуючись своїми рівняннями, Гаус розрахував величини схилення і напруженість магнітного поля для дев'яносто однієї точки земної поверхні і звірив їх знову-таки за картками з даними безпосередніх спостережень. Збіг вийшло дуже гарне. Отже, теорія і всі формули є правильними. Ними можна користуватися для розрахунків.

Геніальна робота Гаусса відкрила нову епоху у вивченні загадок земного магнетизму. Це була велика перемога людської думки. Раз ми можемо передбачати події, значить вдалося зрозуміти закономірності, їх викликають. Крім того, вчений розробив і дуже точну техніку магнітних спостережень, якою користуються вчені до сих пір.

Але чому ж все-таки виникло навколо Землі магнітне поле? Хто намагнітив планету? Бог? Або джерелом магнетизму служили поклади залізних руд? А може бути, чарівна сила виникає від обертання планети, як припускав Гільберт?

Гаус не намагався відповісти на ці питання.

- Я завжди не схильний або принаймні соромлюся робити припущення там, де відсутні підстави, - обережно говорив він.

Але всюдисуща загадка сама весь час нагадувала про себе. Вона не хотіла вкладатися в залізні рамки математичних формул.

Продовження слідує…

Щоб залишати коментарі, необхідно авторизуватись.