Теорія досить заплутана і пов’язана з потоками електричного струму, які циркулюють у земному ядрі, а також із тою реалією, що Земля обертається, — фізики називають це магнітним динамо. (Астрофізики, до речі, за допомогою цієї теорії пояснюють магнітні поля зір, зокрема Сонця, магнітне поле якого повністю змінює напрямок приблизно кожні одинадцять років). Можливо, ви будете вражені, але науковці досі працюють над створенням повної математичної моделі Землі та її магнітного поля — така вона непроста. Завдання ще більше ускладнене тим, що існують геологічні докази, що магнітне поле Землі протягом тисячоліть суттєво змінилося: полюси змістилися на значно більшу відстань, ніж зазвичай за рік, і, здається, магнітне поле також повертало в протилежному напрямку — більше ніж 150 разів лише за останні 70 мільйонів років. Дивно, еге ж?
Зараз завдяки супутникам (зокрема, данському супутнику «Ерстед»), обладнаним чутливими магнітометрами, ми можемо скласти більш-менш точну карту магнітного поля Землі. Нам відомо, що воно простягається в космічний простір більше ніж на мільйон кілометрів. Також ми знаємо, що ближче до Землі магнітне поле створює одне з найкрасивіших атмосферних явищ.
Сонце, як ви, мабуть, пам’ятаєте, випромінює потужний потік заряджених частинок, що складається в основному із протонів і електронів і має назву сонячний вітер. Магнітне поле Землі спрямовує деякі із цих частинок у нашу атмосферу біля магнітних полюсів. Коли ці частинки, що летять зі швидкістю приблизно 400 кілометрів за секунду, зіштовхуються в атмосфері з молекулами кисню й азоту, частина їхньої кінетичної енергії (енергії руху) перетворюється на електромагнітну енергію у вигляді світла. Кисень вивільняє зелені або червоні промені, а азот — сині або червоні. Ви, певно, здогадуєтеся, про що я. Правильно, так створюється ефектне світлове шоу, яке в Північній півкулі називають північним полярним сяйвом, а в Південній — південним полярним сяйвом. Чому це сяйво можна побачити тільки дуже далеко на півночі або на півдні? Тому що сонячний вітер потрапляє в земну атмосферу переважно біля магнітних полюсів, де магнітне поле найсильніше. Те, що в деякі ночі вияви цього ефекту яскравіші, пов’язано із сонячними спалахами, які дають більше частинок для світлового шоу. Потужні зблиски на Сонці можуть мати серйозний вплив на магнітне поле Землі, викликаючи так звані магнітні бурі та полярне сяйво далеко за межами звичних районів, часом негативно впливаючи на радіозв’язок, роботу комп’ютерів, керування супутниками і навіть призводячи до відключень електроенергії.
Якщо ви не живете поблизу Північного (або Південного) полярного кола, то не дуже часто спостерігатимете полярне сяйво. Тому якщо вам доведеться ввечері летіти в Європу з північного сходу Сполучених Штатів (а більшість рейсів вечірні), раджу вам узяти місце в лівій частині літака. Можливо, на висоті 11 кілометрів ви зможете трохи роздивитися з вікна полярне сяйво, особливо якщо Сонце останнім часом було надто активним, про що можна дізнатися з інтернету. Саме завдяки цьому я багато разів бачив полярне сяйво, тому, якщо є така змога, я завжди сідаю в лівій частині літака. Я вважаю, що фільми можна подивитися вдома будь-коли. У літаку я вночі шукаю полярне сяйво, а вдень — глорії.
Ми у величезному боргу перед магнітним полем Землі, бо якби його не було, постійний потік заряджених частинок, що бомбардують нашу атмосферу, призвів би до серйозних наслідків. Сонячний вітер знищив би нашу атмосферу й воду ще мільйони років тому, і життю в таких умовах було б набагато складніше розвиватися, якщо взагалі можливо. Учені припускають, що тонка атмосфера Марса та порівняно незначні запаси води пояснюються саме такими постійними ударами сонячного вітру, від яких потерпає Червона планета через своє слабке магнітне поле. У такому середовищі людські істоти можуть існувати тільки за допомогою потужних систем життєзабезпечення.
Таємниця електромагнетизму
У ХVIII столітті деякі вчені почали підозрювати, що електричні й магнітні явища якось пов’язані, хоча інші вчені, наприклад англієць Томас Юнг і француз Андре-Марі Ампер, вважали, що вони не мають нічого спільного. Вільям Гільберт вважав електрику й магнетизм абсолютно незалежними явищами, але все-таки досліджував їх одночасно, описавши електрику у своїй праці, присвяченій магнетизму. Він називав здатність бурштину притягувати до себе інші тіла «електричною силою» (пригадуєте, давні греки називали бурштин електроном?). Він навіть винайшов щось на зразок електроскопа, за допомогою якого можна було виміряти статичну електрику і продемонструвати її наявність. (В електроскопі на кінці металевого стрижня закріплено пучок фольгових смужок. Щойно він наелектризується, смужки настовбурчуються — такий собі лабораторний відповідник волосся з-під шапки).
У 1776‒1777 роках Баварська академія наук просила дослідників надсилати есе про зв’язок між електрикою та магнетизмом. Уже якийсь час було відомо, що від розрядів блискавки могли виходити з ладу компаси, і не хто інший, як сам Бенджамін Франклін намагнічував голки, якими розряджав лейденську банку. (Винайдена в середині ХVIII століття в Нідерландах лейденська банка могла «зберігати» електричні заряди. Це була найперша версія пристрою, який ми називаємо конденсатором). Але попри бурхливі темпи дослідження вченими електричних явищ на початку ХІХ століття, жоден з них прямо не пов’язував електричний струм з магнетизмом аж до вирішального відкриття данського фізика Ганса Крістіана Ерстеда (народився 1777 року), яке звело разом електрику й магнетизм. За словами історика Фредеріка Ґреґорі, це чи не єдиний випадок в історії сучасної фізики, коли таке колосальне відкриття було здійснено під час лекції на очах у студентів.
У 1820 році Ерстед звернув увагу, що коли через провідник, під’єднаний до батареї, проходить струм, стрілка розташованого поблизу компаса відхиляється від напрямку північ‒південь і встановлюється перпендикулярно до провідника. Щойно він роз’єднав провідник і струм припинився, стрілка повернулася у звичайне положення. Не відомо, чи Ерстед навмисно проводив такий експеримент на лекції, чи компас випадково опинився в його руках, і вчений просто помітив цей неймовірний ефект. Його власні звіти різняться — ми вже не раз спостерігали подібне в історії фізики.
Випадковість це чи ні, не має значення, але це чи не найважливіший експеримент (назвімо так) за всю історію фізичних досліджень. Завдяки йому Ерстед зробив логічний висновок, що електричний струм у провіднику створив магнітне поле, і магнітна стрілка компаса рухалася під його дією. Таке вражаюче відкриття викликало справжній бум досліджень у сфері електрики й магнетизму, зокрема Андре-Марі Ампера, Майкла Фарадея, Карла Фрідріха Гауса, й нарешті зумовило появу визначних теоретичних праць Джеймса Клерка Максвелла.
Струм — це потік заряджених частинок, а отже, Ерстед продемонстрував, що рухомий електричний заряд створює магнітне поле. У 1831 році Майкл Фарадей з’ясував, що коли рухати магніт крізь дротяну котушку, в ній виникає струм. Він фактично показав, що закономірність, яку відкрив Ерстед, можна поставити з ніг на голову: рухоме магнітне поле створює електричний струм. Утім результати експериментів обох цих учених не здаються логічними, чи не так? Якщо провести магнітом поруч із дротяною котушкою — найкраще згодиться мідь, бо це дуже хороший провідник, — з якого дива в ній повинен виникати струм? Важливість цього відкриття зрозуміли не одразу. Кажуть, що якось один політик, засумнівавшись, запитав у Фарадея, чи має його відкриття якусь практичну цінність, і вчений начебто відповів: «Сер, я не знаю, яка із цього може бути користь. Проте в одному я цілком упевнений: колись ви обкладете це податком».
Можливо, це просте фізичне явище, яке легко відтворити вдома, здається позбавленим сенсу, але воно без перебільшення є рушієм усієї нашої економіки і всього, що створила людина. Без цього явища ми б досі жили приблизно як наші предки в ХVII й XVIII століттях. Не було б ні електричного освітлення, ні радіо, ні телебачення, ні телефонів, ні комп’ютерів.
