магнитное поле

Вихрь в магнитном диске обычно ведёт себя как большой юла: чтобы он не опрокинулся, нужна просторная площадка и сильное собственное поле, которое возвращает его в центр. Но что если площадку уменьшить до размера вируса? Тогда привычная опора исчезает, и вихрь должен рассыпаться.

Микроволновая печь греет еду, но в лаборатории микроволны сделали нечто иное: превратили сверхпроводник в постоянный магнит. Плёнка из оксида иттрия-бария-меди толщиной 300 нанометров, охлаждённая до 80 кельвинов, откликнулась на излучение частотой 5 гигагерц.

Солнце дышит, и у этого дыхания есть магнитный ритм. Каждые 27 дней видимая поверхность звезды совершает полный оборот, а вместе с ней — и её магнитное поле, похожее на невидимую ленту, что обвивает светило.

Магнитно-резонансный томограф (МРТ) — это устройство, использующее сильное магнитное поле, чтобы заставить атомы водорода в теле выстроиться, а затем регистрирующее их ответный сигнал. Такие аппараты обычно занимают целую комнату и стоят как хороший дом.

Скульптор лепит горы из магнитных полей и тепла, но камень сопротивляется. Нейтронная звезда — сверхплотный остаток взрыва сверхновой — в двойной системе перетягивает вещество с соседней звезды. Это падающее вещество нагревает кору звезды неравномерно, а магнитное поле тянет её изнутри.

Магнитное поле в термоэлектричестве обычно действует как строгий регулировщик: чтобы тепло преобразовывалось в электричество, поле обязано быть ориентировано поперечно потоку тепла. Если поле лежит вдоль теплового потока, эффект исчезает — так считалось десятилетиями.

Магнитный волчок, который не падает. Маленький шарик из железо-иттриевого граната висит в воздухе, удерживаемый невидимыми силами. Это не фокус, а магнитная ловушка Пауля — переменное магнитное поле, которое быстро меняет направление и не даёт шарику упасть, как жонглёр, подбрасывающий мячи. Шарик дрожит, но не падает.

Вихрь в магнитном материале — это как водоворот, но вместо воды закручиваются направления намагниченности. Электрон, пролетая сквозь такой вихрь, чувствует не просто магнитное поле, а искривление пространства: его путь изгибается, словно он катится по воронке с узким горлышком.

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, как губка выжимает воду. Этот эффект Мейсснера известен почти век, но обычно его рассматривают в плоском пространстве-времени — без учёта гравитации. В сильном гравитационном поле, например, вблизи чёрной дыры, или при релятивистских скоростях картина меняется.

Кусок металла размером меньше миллиметра при охлаждении до минус 256 градусов Цельсия ведёт себя как калейдоскоп: в одном его уголке магнитные стрелки выстраиваются в ровные ряды, а в соседнем — закручиваются винтом. Это удалось увидеть, направив на образец узкий рентгеновский луч и медленно ведя им по поверхности, как фонариком по тёмной стене. Обычно такие материалы изучают, освещая сразу весь кристалл.

Магнитное поле в этой установке должно быть исключительно однородным — ровным, как поверхность идеального стекла: малейшая рябь смажет полезный сигнал. Инженеры собрали две катушки, которые сами компенсируют поле друг друга снаружи, и упаковали их в три слоя ферромагнитных пластин.

Магнит весом в несколько песчинок парит в воздухе без всякой опоры. Он не касается стенок, не трётся о подшипники — просто висит в магнитной ловушке, как пылинка в солнечном луче. Исследователи заставили эту кроху работать сверхчувствительным компасом: прибор ловит изменения магнитного поля в 23 фемтотесла.

Рентгеновская вспышка проносится сквозь вещество за миллиардные доли секунды. Чтобы её запомнить, физики заставляют атомы на короткое время впитать этот свет, а потом выпустить обратно. Но достать фотон по команде — всё равно что вытащить из шкафа нужную книгу, когда полки двигаются сами по себе.

Чёрная дыра — не пылесос. Сама по себе она не притягивает всё подряд сильнее, чем обычная звезда той же массы. Но если рядом с ней есть магнитное поле, а вокруг летают заряженные частицы, начинается интересная игра. Можно вообразить карусель с магнитами: вы сидите на лошадке, а пол под вами усеян железными шариками.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

Тонкий бутерброд из двух разных материалов. Через него пропускают электрический ток — и верхний кусочек намагничивается в одну сторону, а нижний в противоположную. Это не фокус, а слоевой эффект Эдельштейна (от английского layer Edelstein effect), который только что описали физики.

Радиоволны — это высокочастотные электромагнитные колебания — бессильны перед толщей земли: они затухают, почти полностью поглощаясь уже на глубине пары метров. Но низкочастотное магнитное поле, подчиняющееся уравнениям электродинамики, ведёт себя иначе. Оно пронизывает грунт, словно невидимый мост, переброшенный сквозь скалы и почву.

Катушка Теслы потрескивает, и вокруг неё начинает вращаться луч света. Среда, через которую он проходит, ещё стабильна — но поле растёт, и вращение усиливается. Это не фокус, а поведение особых материалов: они связывают электричество и магнетизм. Для такой связи есть фундаментальный предел — предел Теллегена.

Надувной шар с нарисованными фломастером магнитными линиями — простая модель того, как ведёт себя слабое магнитное поле в расширяющейся вселенной. Пока шар маленький, линии послушно лежат на резине и не мешают ей растягиваться. Примерно так поле заполняет готовое пространство, не споря с его геометрией. Но если бы сам фломастер начал раздувать резину, картина стала бы иной.

Свинцовый шар висит над другим свинцовым шаром. По обычным законам тяготения они притягиваются ровно по вертикали — вдоль линии, соединяющей их центры.

Сверхпроводник обычно не дружит с магнитом: сильное поле разрушает состояние, в котором ток течёт без сопротивления. Но в тонких слоях углерода всё иначе.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

От Солнца к Земле мчится солнечный ветер, но магнитосфера заворачивает поток и лепит из него плазменные хвосты. Тот же мотив — в сердце галактик: джеты из аккреционных дисков чёрных дыр закручены невидимой рукой магнитного поля. А теперь представьте дипольную реку внутри крошечного кристалла.

Когда физики прогоняют электроны по сверхчистому каналу арсенида галлия при гелиевых температурах, они рассчитывают увидеть послушную, почти идеальную жидкость. Но с ростом тока сопротивление начинает капризничать: на графиках возникают горбы и провалы, упрямо не укладывающиеся в простую ньютоновскую модель.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

Глубоко под землёй железо раскалено добела, а давление там такое, что обычный прибор сплющился бы в лепёшку. Чтобы заглянуть в этот мир, физики создали особый микроскоп на крошечных алмазных дефектах (так называемых NV-центрах).

Магнитное поле Земли похоже на невидимый щит, который защищает нас от космической радиации. Но если присмотреться к его усреднённому за долгое время рисунку, можно заметить, что щит этот не идеально гладкий — на нём есть свои «швы» и «заплатки».

Свет от далёкого блазара (активного ядра галактики, бьющего струёй в нашу сторону) идёт к нам миллиарды лет. В пути он порождает ливни заряженных частиц, которые межгалактическое магнитное поле отклоняет в стороны. Так вокруг блазара на небе возникает размытое гамма-свечение — вторичный ореол. Чем слабее поле, тем шире ореол.

Сразу после Большого взрыва космос был горячей плазмой — смесью заряженных частиц и света. В такой среде электрические токи не могли течь сами по себе: нужна была «разность потенциалов», толкающая электроны относительно фотонов. Именно её ищут в теориях космологического магнитогенеза — рождения первых магнитных полей.

В огромном кольце магнитов под Чикаго мюоны кружили, как фигуристы на катке. Только вместо музыки — магнитное поле, а вместо вращения — едва заметное покачивание спина. Это покачивание физики называют аномальным магнитным моментом. Проще говоря, мюон — тяжёлый собрат электрона — слегка «дрожит» в магнитном поле.

В маленькой чашке Петри — капля жидкости размером с булавочную головку. Обычный томограф её просто не заметит: слишком слабый сигнал. Но если поднести к капле крошечный датчик магнитного поля, картина меняется.

Солнечное пятно остывает, и над ним на недели зависает тёмное волокно — протуберанец. Внутри него, как сжатая пружина, прячется магнитное поле. Оно может быть уложено ровными арками, а может — скручено в тугой канат. От этой разницы зависит, когда и как рванёт: канат нестабильнее и готов взлететь при малейшем толчке.

Красные гиганты — это раздувшиеся стареющие звёзды, исчерпавшие водород в ядре. В их недрах бурлит океан плазмы: тепло пробивается от ядра к поверхности, рождая волны, похожие на могучий прибой. Магнитное поле внутри звезды работает как невидимый подводный рельеф — оно направляет эти волны, меняет их высоту и скорость.

Магнит размером с рисовое зёрнышко парит в пустоте, не касаясь стенок. Его удерживает магнитное поле сверхпроводящей ловушки — кольца, охлаждённого до такого состояния, где ток течёт без сопротивления. Парение нужно, чтобы убрать трение: без него даже слабый толчок заставляет магнит колебаться очень долго, как камертон после удара.

Гигантский барабан только что принял удар. Его мембрана ещё дрожит, но помимо основного гула по ней расходится мелкая рябь — кто-то провёл пальцем по натянутой коже. Примерно так же пространство-время в первые мгновения после Большого взрыва колебалось не только от «грохота» расширения, но и от натяжения внезапно возникших магнитных полей.

Многие чёрные дыры окружены магнитными полями. Вращаясь, дыра тянет за собой искривлённое пространство-время, словно маховик станка, и запускает космическую фабрику. Если магнитное поле наклонено к оси вращения, этот «конвейер» работает особенно эффективно: возникает электрическое поле невероятной мощи.

Нейтронная звезда — это шар размером с город, но с массой, как у целого Солнца. Магнитное поле там способно разорвать атомы на расстоянии в тысячи километров.

Уличный фонарь мигает, когда мимо проходит человек. Примерно так ведёт себя ближайшая к нам звезда — Проксима Центавра. Она вспыхивает в ответ на движение своих планет. Астрономы наблюдали эту звезду с помощью очень чувствительного прибора — спектрографа ESPRESSO. Он ловит свет и раскладывает его по цветам, как призма.

Обычный магнит всегда держит при себе два полюса — северный и южный. Разломи его пополам, и каждый осколок тут же обзаведётся собственной парой. Но глубоко в теории частиц живёт странный образ: монополь — частица, несущая лишь один магнитный заряд, одинокий полюс без напарника.