Магнит за три тысячелетия

Владимир Карцев

Геркулесов камень

В этой главе приводятся древние названия магнита, упоминается о летающей статуе Арсинои и подвергаются сомнению претензии одного итальянского ювелира.

В тенистом уголке одного из самаркандских базаров, пропахших корицей и пловом, еще не так давно можно было встретить древнего старика в белоснежной чалме и тонкой выделки халате, подпоясанном цветастым платком. Все знали его – это был хранитель мечети Шах-и-Занда почтенный Емон Кузи. На базаре он сидел безучастно, разложив перед собой на лотке фигурки фантастических животных, сделанные из рисового теста и раскрашенные лаковыми красками. Иногда на этом же лотке он раскладывал старинные монеты – от медяшек кушанских властителей до царских серебряных рублей – и другие музейные древности. Как-то он показал мне небольшой продолговатый брусок, изрезанный затейливыми узорами. «Это – священная нарса, – сказал он, – Минг йиллар – тысяча лет. Купишь – всегда здоровый, сильный будешь». Я повертел брусок в руках. Он был тяжел и холоден на ощупь. Узоры местами стерлись. Возможно, этому брусочку в самом деле уже тысяча лет. Я поднес к нему лезвие перочинного ножа. Несильный стук – лезвие прилипло к торцу. Так я и думал: узоры – это стершиеся буквы. Буквы составляют заклинание, сам брусок – магнит. Заклинание призвано усилить действие этого «камня любви» – приворотного камня средневековья. Лезвие ножа отрывалось от бруска довольно легко. Это был обыкновенный слабый магнит. Поле на его поверхности – не больше 5...10 мТл*. Уже на расстоянии 1 м стрелка компаса перестает замечать его существование. Сейчас есть магниты гораздо сильнее, но их создание потребовало веков цивилизации. То, что показывал старик, было обработанным и украшенным куском магнетита – материала, встречающегося в некоторых железорудных месторождениях. Такие магниты известны уже много сотен лет. А может быть – тысяч. И я решил по книгам проследить историю магнита.

* Величина магнитного поля в международной системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл). В 1 Тл содержится 1000 мТл. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет в среднем 0,05...0,10 мТл; магниты ускорителей создают в зазоре поле порядка 2 Тл. Физики часто пользуются нестандартной системой единиц СГС, в ней интенсивность магнитного поля, или индукция, измеряется много более мелкими единицами – гауссами (10 Гс = 1 мТл).

Итак, литература о магните. Ее оказалось неожиданно много.

Природные магниты, попросту говоря, кусочки магнитного железняка – магнетита (химический состав 31% FeO и 69% Fe₂O₃), не везде назывались магнитами в разных странах их называли по-разному: китайцы называли его чу-ши; греки – адамас и каламита, геркулесов камень; французы – айман; индусы – тхумбака; египтяне – кость Ора, испанцы – пьедрамант; немцы – магнесс и зигельштейн; англичане – лоудстоун.

Добрая половина этих названий переводится как любящий, любовник. Так поэтическим языком древних описано свойство магнетита притягивать, «любить» железо.

...Самые старые «документальные» свидетельства о знакомстве людей с магнитами пришли к нам из Центральной Америки. На городской площади гватемальского городка Демокрасия стоит дюжина древних фигур, найденных при раскопках городища ольмеков. «Толстые мальчики», как их называли за округлость и массивность, – символы сытости, благополучия, плодовитости. Эти скульптуры более трех тысяч лет назад высечены из глыб магнитной породы. Интересно, что магнитные силовые линии как бы выходят из живота «толстяков»! Кстати, кроме «толстых мальчиков», древние ольмеки умели высекать фигуры морских черепах с намагниченной головой, связывая, возможно, способность черепах находить курс в открытом море со свойствами магнита ориентироваться в магнитном поле Земли.

Есть намеки, правда, весьма туманные, на то, что в седой древности знали о магнитах и в Азии, в Китае. Много лет назад китайский фольклорист Су Матзен собрал библиотеку старинных летописей. Вот сведения из этих летописей, посвященные магнитам:

...Идут караваны по бескрайним гобийским пескам. Направо, налево – унылые желтые барханы. Солнце скрыто желтой пеленой пыли. Далек путь из императорских пагод на берегах Янцзы до минаретов кушанских царств. Трудно пришлось бы караванщикам, если бы не было в караване белого верблюда. Белого верблюда с его бесценным грузом. Бесценным, хотя это не золото, не жемчуг и не слоновая кость. Защищенный деревянной резной клеткой, между горбами белого верблюда совершал свой путь через пустыню глиняный сосуд, в котором на пробке плавал в воде небольшой продолговатый кусок намагниченного железа. Края сосуда были выкрашены в четыре цвета (В.И. Ожогин считает, что, скорее всего, цвета были нанесены на саму пробку). Красный обозначал юг, черный – север, зеленый – восток и белый – запад. Глиняный сосуд с кусочком железа в нем был примитивным древним компасом, указывавшим караванщикам путь в бескрайних песках...

...Император Чеу Кун решил отблагодарить послов далекого Юе-Чана (Вьетнама) за белых фазанов – доставленные ими символы дружбы – и подарил им пять колесниц с фигурками, всегда указывавшими на юг. Послы отправились домой, достигли берега моря, миновали много неведомых городов и год спустя прибыли на родину...

Возможно, в этих легендах, относящихся к 1100 г. до н. э., содержится первое упоминание о компасе, т.е. полезно использованном магните. Но не исключено, однако, что в процессе многократного перевода и неизбежной реконструкции текстов их технический смысл был искажен. Известный историк физики Я.Б. Дорфман считал, например, что «югоуказатели» на повозках на самом деле были примитивными устройствами для выдерживания колесами любого наперед заданного, в том числе и южного, направления. Ясно, что в этом случае «юго-указатели» не имеют никакого отношения ни к магнетизму, ни к магнитам.

В китайских летописях встречаются описания магнитных ворот, через которые не мог пройти недоброжелатель с оружием, а также магнитных мостовых и прочих применений волшебного камня чу-ши, попросту магнитного железняка.

В другой легенде рассказывается о военной победе императора Хуанг-Ти, одержанной более трех тысяч лет назад. Этой победой он был обязан своим мастерам, изготовившим повозки, на которых были установлены фигурки человека с рукой, вытянутой вперед. Фигурки могли вращаться, но вытянутая рука всегда указывала на юг.

С помощью таких повозок Хуанг-Ти смог в густом тумане напасть на врага с тыла и разгромить его.

Опираясь на сведения, приведенные в древнейших китайских энциклопедиях, можно высказать догадку о том, что между 300 и 400 гг. до н. э. магнитная стрелка использовалась на кораблях.

Если же перейти от легенд к твердо установленным фактам, то компас значительно «помолодеет». Так, в музее хранится китайский компас «лишь» тысячелетней давности, напоминающий по форме нашу хохломскую ложку.

Из других древнейших упоминаний о магнитах следует выделить рассказ о часовне Магомета с магнитным сводом, под которым парит железный сундук с прахом пророка. Однако европейским путешественникам ни разу не удалось увидеть этой диковины, даже тем, кто, прикинувшись правоверным и обманув бдительность мулл, проник в храм Каабы.

Гораздо более определенно можно ссылаться на европейские источники. О магните в той или иной связи писали до нашей эры Пифагор, Гиппократ, Платон, Эпикур, Аристотель и Лукреций, потом Плиний, Плутарх, Гален и Птолемей.

Название «магнит», как утверждает Платон, дано магнетиту Еврипидом, называвшим его в своих драмах «камнем из Магнезии». По другой, значительно более красивой и известной, но менее правдоподобной притче Плиния (заимствованной им у Никандра) название дано в честь сказочного волопаса Магниса, гвозди от сандалий и железная палка которого прилипали к неведомым камням.

По-видимому, слово «магнит» действительно происходит от названия провинции Магнезия (в Греции), жителей которой звали магнетами. Так утверждал Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей». Русский путешественник В.А. Теплов, посетивший Магнезию в 80-х годах прошлого века, утверждал, что гора известна частыми ударами в нее молний (этим же славилась и гора Магнитная на Урале, почти целиком состоящая из магнетита). Наиболее распространенная из сказок о чудодейственной силе магнита, вошедшая в сказки «Тысяча и одной ночи», заимствована у Плиния, который утверждал, что в Эфиопии существует гора Зимир, вытягивающая из кораблей все гвозди и железные части.

И в Азии, и в Европе, по-видимому, давно использовали магнетизм Земли, применяя для ориентирования магнитный камень, подвешенный на нити или установленный на дощечке, плавающей на спокойной поверхности воды. В старом французском романе «О розе» магнит описывался под названием «маринетта», из чего можно сделать вывод об использовании его на морских судах.

Эти обстоятельства не смогли помешать итальянцам построить в Неаполе памятник Флавио Джойя, жителю города Амальфи, который якобы изобрел магнитный компас в 1302 г., и отпраздновать в 1902 г. шестисотлетие открытия. Не за легенду говорят хотя бы упоминания о компасе монаха из монастыря св. Альбана Александра Некэма в 1187 г. и стихи поэта Гюйо Прованского, написанные в 1206 г.

Но красивая легенда о Флавио Джойя, «изобретателе компаса», до сих пор живет у итальянцев.

...Давным-давно, когда город Амальфи стоял, как и Венеция, на море, жил в нем Флавио Джойя, ювелир и инкрустатор. Он был беден и весел, а кроме того, любил Анджелу, дочь богатого рыбака Доменико.

Рыбак Доменико не хотел, чтобы его дочь вышла замуж за «сухопутного» Джойя, и поставил перед Флавио тяжелое условие – научиться плавать по прямой линии в тумане и в ночи. Ясно, что это условие невыполнимо: попробуйте погрести пять минут, закрыв глаза – наверняка приплывете туда, откуда отплыли.

Но Флавио был не из тех, кто унывает. В работе для инкрустирования маленькими кусочками железа он использовал магнитный камень. Как-то Флавио заметил, что, если положить этот камень на кусочек пробки, плавающей в воде, он поворачивается всегда в одну сторону. Так, по легенде, Флавио изобрел компас.

Через месяц он женился на красавице Анджеле. Флавио получил Анджелу, рыбаки получили компас...

Этот поэтический рассказ, к сожалению, совершенно «рассыпается», если подойти к нему с позиций исторического анализа. Анатолий Коваленко, советский специалист по компасам, убедительно показал, что благодаря путанице и «испорченному телефону» имя секретаря папы Флавио Бьендо, рассказывавшего в 1450 г. о том, что жители Амальфи знают о компасе, превратилось в имя ювелира Флавио Джойя – «изобретателя компаса».

Магнитная сила привлекала не только мореходов. Ею всерьез интересовались и древние строители.

Плиний писал, что александрийский архитектор Хинократ (или Тимохарес) начал делать свод храма Арсинои из магнитного камня, для того чтобы железная фигура Арсинои висела в воздухе; этот замысел не был, повидимому, осуществлен из-за смерти Хинократа и брата Арсинои, Птолемея, который, как выразились бы сейчас, «финансировал» это предприятие.

Многие историки церкви единодушно и независимо утверждают, что в александрийском храме Сераписа статуя бога Солнца могла, к изумлению молящихся, взлететь к потолку, увлекаемая силой большого магнита. А через тысячи лет идея «храма Арсинои» вновь обрела своих приверженцев: молодые авторы – наши современники – предложили проекты памятников с использованием магнитных сводов, напоминающих свод Хинократа.

Даже из этого краткого обзора видно, что магнит был хорошо известен древним. Мало того, магнитные свойства уже тогда использовались.

И все-таки... почему? Почему магнит – магнит?

Аристотель, толкуя мысли Фалеса в своем трактате о душе, писал: он (Фалес) почитал причиной всякого движения душу, и, следовательно, лишь благодаря ей магнит может сообщать движение железу.

Итак, душа. Еще Орфей пел, что «железо тянется к магниту, как невеста к жениху». Может быть, в магните живет душа злая? Может быть, магниты созданы злыми демонами на погибель людям и на пользу ворам? Ведь то, что обладает свойством отодвигать запоры и отпирать замки, наверняка создано ради воровства. Платон утверждал, что свойства магнита имеют божественное происхождение, и тем самым избежал многих раздумий и сомнений.

Он писал: например: «...Божественная сила магнита передается от железа к железу подобно тому, как вдохновение музы передается через поэта его рассказчику и слушателю». Объяснение эпикурейца Лукреция явно было убедительней, хотя с современных позиций наивно. Мы приводим ниже эту несколько затянутую цитату из Лукреция ввиду ее исключительной ценности. Ведь этим гекзаметрам уже более двух тысяч лет!

 
«Мне остается сказать, по какому закону природы
То происходит, что камень притягивать может железо,
Камень же этот по имени месторождения магнитом
Назван был греками, так как он найден в пределах магнетов.
Люди весьма удивляются камню такому. Он часто
Цепь представляет из звеньев, держащихся сами собою.
Можешь увидеть ты пять таких звеньев, порой даже больше.
Распределенные рядом, качаясь от легкого ветра,
Звенья такие свисают, одно под другим прилепившись.
Звенья одно от другого всю силу и цепкость приемлют.
Вот как здесь действует этого камня текучая сила...
Прежде всего из магнита должны семена выделяться
Множеством или же ток истекать, разбивая толчками
Воздух, который везде между камнем лежит и железом,
Только что станет пустым пространство меж ними, и много
Места очистится там, как тотчас же, общею кучей
Первоначала туда стремглав понесутся железа;
Следом за тем кольцо устремляется всем своим телом.
Вовсе не надо тебе удивляться, что ток из магнита
Не в состоянии совсем на другие действовать вещи:
Частью их тяжесть стоять заставляет, – как золото, – частью
Пористы телом они, и поэтому ток устремляться
Может свободно сквозь них, никуда не толкая при этом;
К этому роду вещей мы дерево можем причислить.
Среднее место меж тем и другим занимает железо...
Вещи, в которых их ткань совпадает взаимно с другою.
Так, что где выпуклость есть, у другой оказалась бы там же
Впадина, – эта их связь и окажется самою тесной.
Есть и такие еще, что крючками и петлями будто
Держатся крепко, и этим друг с другом скрепляются вместе.
Это скорее всего происходит в железе с магнитом...»

Про крючки и петли сказано, может быть, слишком конкретно. Однако каждому ясно, что древние отлично понимали главное. Кроме магнита есть нечто, его окружающее. Можно говорить о душе, об атмосфере, об истечениях или исторгаемых наружу семенах. Сейчас это называют магнитным полем. Именно оно тянет железо к магниту!

Великолепная картина, данная Лукрецием, поэтически перелагает тезис Эпикура: «Фигуры атомов и неделимых тел, истекающих из камня и из железа, так подходят друг к другу, что легко сцепляются между собой; итак, ударившись о твердые части камня и железа, а затем отскочив в середину, они одновременно и связываются друг с другом, и влекут железо».

Великий Платон, философ-идеалист, так комментировал механизм магнитных действий: «...ввиду того, что не бывает никакой пустоты, эти тела со всех сторон толкают друг друга, и когда они разделяются и соединяются, все, обменявшись местами, переходят на свое обычное место. Вероятно, те, кто произведет правильное исследование, придут в изумление от этих запутанных взаимоотношений».

Что и говорить, повествуя о «запутанных взаимоотношениях», Платон был удивительно дальновиден. Последующие открытия убедили ученых в том, что природа магнетизма гораздо сложнее, чем зацепления с помощью крючков и зацепок. Механистических представлений древних оказалось недостаточно, чтобы справиться с описанием магнитных явлений. Даже сейчас, когда мы очень многое знаем о природе магнетизма и благодаря этим знаниям сумели создать ряд исключительно важных магнитных материалов, еще остаются, к сожалению, справедливыми слова великого Гильберта: «Скорбите и плачьте, ученые, по поводу того, что ни прежние перипатетики, ни сами вульгарные философы, ни Иоанн Костей, высмеивающий все это, не могли постичь этой столь благородной и замечательной природы».

Действительно, почему все же железо притягивает? В чем сущность магнитного притяжения? Вопрос этот волнует людей уже давно.

Тысячи лет назад кабиры (так называли бродячих фокусников Древней Греции) странствовали по своей земле и давали в тени олив удивительные представления. Одно из них всегда приковывало внимание обитателей окрестных селений. То, что делали кабиры, внушало благоговейное почтение к их тайному могуществу.

Несколько тяжелых железных колец висели, ничем не связанные между собой, одно под другим, не падая. Казалось, могущественный Зевс, сильный и невидимый, поддерживает ладонями на весу эти кольца.

Секрет кабиров заключался в том, что кольца эти были сделаны из «геркулесова камня», добывавшегося где-то в Маниссе.

Уникальная способность магнита притягивать железные предметы ассоциировалась в воображении древних с плотской любовью, и поэтому первые объяснения притягивающего действия этих камней были связаны с приписыванием магниту женского, а железу мужского начала. Иногда считали и наоборот. Это, конечно, нисколько не меняло дела. Суть сводилась к тому, что любые «притяжения», в том числе и притяжение магнита, были механически приравнены одно другому. Стремление пылинок к потертому о шерсть янтарю, металлических колец – к магниту, одного человека – к другому считали явлениями одного порядка. В обширную за счет этого коллекцию «магнитов» попали многие, весьма странные с современной точки зрения экспонаты. Так, в свое время писали о «креагическом», или «мясном», магните, поскольку некоторые ученые видели, как куски мяса пристают к губе.

Гильберт когда-то писал: «Пламя серы притягивает, так как оно похищает некоторые металлы благодаря своей способности проникать внутрь их. Так белая нефть привлекает пламя, так как она испускает и испаряет воспламеняющийся газ, почему она на некотором расстоянии и воспламеняется; таким же образом дым только что потушенной свечи воспринимает пламя от другого пламени: ведь огонь ползет к огню сквозь воспламеняющуюся среду...»

В семейство «магнитов» попали также: рыба-прилипала; морские моллюски, присосавшиеся к днищу корабля; камень сагдон, к которому якобы притягиваются деревья, причем с такой силой, что оторвать их можно только, обрубая сучья и ветви; камень катохит, притягивающий к себе мясо (как впоследствии выяснилось, этот камень «от его липкости и присущего ему клея» пристает к теплым рукам).

Воображением и наблюдательностью наших предков было образовано и семейство «антимагнитов», т.е. семейство существ и веществ, взаимно отталкивающихся. В это семейство попали и антипатичные друг другу люди; и пламя свечи, отталкивающееся от магнита; и масло, отталкивающее воду.

«...Плиний, выдающийся человек и лучший из тех, кто делал выписки (ведь он передал потомству не всегда и не преимущественно то, что он видел и открыл сам, а чужое), списал у других сказку, ставшую в новое время, благодаря частым пересказам, общеизвестной: в Индии, у реки Инда, есть две горы; природа одной, состоящей из магнита, такова, что она задерживает всякое железо; другая, состоящая из феамеда, отталкивает железо. Так, если в обуви имеются железные гвозди, то нет возможности оторвать подошвы от одной из этих гор, а на другую нет возможности ступить». Альберт Великий пишет, что в его время был найден магнит, который одной своей стороной притягивал к себе железо, а другой, противоположной, отталкивал его, – указывал Гильберт, человек, на долю которого выпало разделить все эти явления «притяжения и отталкивания» на соответствующие категории и выделить из них лишь то, что непосредственно касается магнита. Гильберт отверг всякие рассуждения о феамеде – веществе, отталкивающемся от железа. Может быть, это была ошибка Гильберта.

Сегодня хорошо известно, что есть материалы, которые магнитом отталкиваются. К их числу, например, принадлежит медь. Правда, это отталкивание очень слабое, но кто знает – не могли ли древние каким-то образом заметить его и создать свое учение о феамеде – антимагните.

Сейчас такие вещества называют диамагнетиками.

Вещества, притягивающиеся к магниту, называют парамагнетиками и ферромагнетиками. Свойство притяжения в наибольшей степени присуще ферромагнетикам, и в первую очередь железу, никелю и кобальту.

Причиной магнитных свойств единодушно считают вращение заряженных электронов вокруг ядра атома и собственное вращение электрона вокруг оси (спин). Всякое движение заряда – это электрический ток, а каждый ток создает магнитное поле.

Магнитные свойства атомов, так же как и все их свойства, находят отражение в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Изменению номера элемента в таблице Менделева соответствует изменение структуры электронных оболочек атома. Структуры оболочек ферромагнитных атомов таковы, что все электроны, грубо говоря, вращаются в одну сторону, создавая сильный суммирующий магнитный момент. В неферромагнитных же атомах магнитные моменты электронов направлены в разные стороны, что приводит к их взаимной компенсации.

В ненамагниченном ферромагнетике магнитный момент тела в целом равен нулю. Это объясняется тем, что в ферромагнетиках все атомы делятся на группы – так называемые домены. Каждый из доменов, видимый невооруженным глазом, содержит миллиарды атомов, ориентированных в одном направлении, и, таким образом, имеет солидный суммарный магнитный момент. Однако тело в целом магнитным моментом не обладает, поскольку домены в теле расположены хаотично.

Помещая тело в магнитное поле, мы способствуем тому, что все домены постепенно ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и их магнитные свойства суммируются. Сняв внешнее магнитное поле, получим новый магнит – ферромагнитное тело, в котором все домены намагничены в одном направлении. Если мы хотим в течение длительного времени сохранить магнитные свойства «рукотворного магнита», нужно приложить усилия к тому, чтобы домены не вернулись к прежнему хаотическому расположению. Для этого магнит не нужно трясти и нагревать.

Почему же намагниченные тела притягиваются? Теория утверждает, что всякая система пытается принять такое положение, в котором ее энергия минимальна.

Почему камень падает на землю? Он падает на землю потому, что стремится занять такое положение, в котором его потенциальная энергия будет минимальной. Другими словами, камень стремится занять энергетически наиболее низкое положение и поэтому падает.

Существуют громоздкие математические формулы, говорящие о том, что суммарная энергия двух магнитов, касающихся один другого, меньше, чем энергия магнитов, разнесенных на некоторое расстояние. Поскольку система должна занять энергетически наиболее «низкое» положение, магниты притягиваются. То же самое можно сказать о магните и куске железа.

Такое объяснение универсально и просто. Если оно вас удовлетворяет, можете считать загадку магнита решенной.

Нужно отметить, однако, что поскольку современное объяснение магнетизма следует из категорий квантовой физики, полная разгадка тайны магнита наступит тогда, когда мы полностью поймем суть пока еще таинственных процессов, происходящих в микромире.

Рукотворные магниты

Оглавление

Дата публикации:

24 ноября 1999 года

Текст издания:

Владимир Петрович Карцев. «Магнит за три тысячелетия».
4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

Дата обновления:

27 июня 2011 года