Хотя магниты привычны, они остаются достаточно таинственными, чтобы сохранять свои волшебные свойства. Если вы увидите, как некий предмет движется по столу как бы под воздействием чьей-то мысли, вы, вероятно, первым делом заподозрите, что в этом фокусе используются магниты. Честно говоря, в том, что магниты позволяют перемещать объекты на расстоянии, действительно есть нечто волшебное! Люди впервые познакомились с ними в виде «магнитного железняка» или магнетита – естественно намагниченного минерала. Как именно намагничивается магнетит, никто точно не знает; наиболее правдоподобной считается гипотеза, согласно которой это происходит под действием молний. Это предположение подкрепляет то обстоятельство, что намагниченные минералы, по-видимому, встречаются только вблизи земной поверхности.
Природные магниты связаны с еще одним из ранних проявлений физики конденсированного состояния и всегда были связаны с волшебством. Одно из первых сохранившихся упоминаний о них встречается в китайской книге «Гуй Гу-цзы» ( – «Книга Учителя из долины Демонов»), относящейся к IV веку до н. э. Вот этот отрывок:
Желающий знать начинает с себя и, лишь познав себя, может знать других. Знающий друг – что рыба камбала, у которой оба глаза на одном боку. Познавший другого подобен эху, вторящему голосу. Постигший чувства другого подобен тени, неотступно следующей за телом. Вникать в слова другого – все равно что магнитом притягивать иглу или языком облизывать кость[14].
Современные исследователи полагают, что в книге «Гуй Гу-цзы» собраны мысли разных авторов. Считается, что Учитель был реальным историческим персонажем и действительно жил в некой долине Демонов (или Духов), давно затерявшейся в тумане прошлого. У нас имеются относящиеся ко II веку до н. э. упоминания об использовании магнетита для изготовления «волшебной ложки», которая при помещении ее на гладкую поверхность всегда указывает на юг: теперь мы называем такое устройство компасом. Английское название магнетита – lodestone – происходит от существовавшего в среднеанглийском языке слова lode, которое означало путь или дорогу[15]. Следы этого употребления существуют до сих пор: мой любимый паб, построенная в XV веке таверна на реке Северн, называется Lower Lode Inn («Корчма на Нижней дороге»). Его легче всего найти, отправившись на юг из средневекового города Тьюксбери. Паб окажется прямо перед вами, за широким течением Северна. Посмотрите направо, и вы увидите столб, на котором висит колокол; позвонив в него, можно вызвать паромщика, который приплывет за вами через реку. Иначе приходится долго идти через поля или гораздо, гораздо дольше ехать на машине. Лучше всего добираться по нижней дороге.
Природные магниты подробно обсуждаются в вышедшей в 1558 году книге «Природная магия» (Magia Naturalis), которую написал Джамбаттиста делла Порта. Делла Порта, прозванный «профессором тайн», был неаполитанским ученым-энциклопедистом, занимавшимся, в частности, криптографией, оптикой, астрономией, метеорологией, физиологией и драматургией. Он основал первое в мире научное общество под названием Academia Secretorum Naturae (Академия тайн природы). Каждый желающий вступить в это общество должен был разъяснить по меньшей мере одну из неизвестных до тех пор тайн природы. Это требование до сих пор остается условием получения ученой степени в естественных науках: в современных терминах речь идет о представлении оригинального научного открытия. Академия была распущена папой римским по подозрению в колдовстве; делла Порту допрашивала инквизиция, а многие его друзья попали в заключение. Это его не смутило: он изобрел способ передачи им тайных посланий, записанных внутри вареных яиц[16]. Если четыре стихии иллюстрируют первоначальные изыскания в физике конденсированного состояния, то «Природная магия», несомненно, иллюстрирует первоначальное состояние научно-популярной литературы. Делла Порта перечисляет множество древних представлений по двадцати темам, от «необычных стекол» до «подделки славных камней». При этом он не просто регистрирует существующие верования, но и описывает свои собственные опыты, проверяющие их достоверность, и не стесняется отмечать случаи, в которых древние авторитеты несли чушь. В книге VII, «О чудесах магнитного камня», мы находим главы с не нуждающимися в пояснениях заглавиями: «Глава LIII: Неверно, будто алмаз ослабляет достоинства магнита» или «Глава LIV: Козья кровь не освобождает магнит от заклятия алмаза». Он скрупулезно указывает источники своих сведений, а многие из его собственных наблюдений оказываются точными и проходят проверку опытом.
Хотя козья кровь действительно никак не влияет на свойства магнита, на них могут воздействовать другие магниты. Как именно они воздействуют, зависит от типа этого магнита. Наиболее очевидны магнитные свойства материалов, обладающих собственным магнетизмом, – ферромагнетиков. Приставка «ферро-» отсылает к железу, которое является типичным примером ферромагнетика: любой кусок чистого железа можно намагнитить при помощи другого магнита. Затем существуют материалы, сами по себе не магнитные, но проявляющие магнитные свойства, если поместить их рядом с магнитом, к которому они при этом притягиваются. Если их вывести из магнитного поля, они лишаются магнитных свойств. Эти вещества называются парамагнетиками; к этой категории относится большинство элементов периодической системы.
Третий тип распространенных магнитов – это диамагнетики. Они тоже не магнитны сами по себе, но проявляют магнитные свойства, будучи помещены в поле другого магнита. Однако если парамагнетики притягиваются магнитами, диамагнетики ими отталкиваются. Если вы когда-нибудь прижимали магнит к другим предметам, вы, вероятно, находили примеры ферромагнетиков и парамагнетиков, но вряд ли замечали какие-либо диамагнетики. Однако они распространеннее всего – просто диамагнетизм проявляется так слабо, что мы его не замечаем. В число диамагнетиков входят вода, древесина, многие металлы, многие пластмассы и большинство органических материалов. Например, вы сами тоже являетесь диамагнетиком.
Диамагнетизм можно весьма хитроумно использовать в колдовстве. Он позволяет добиться левитации любого предмета в магнитном поле, достаточно быстро изменяющемся в пространстве. У этого явления есть практические применения: например, левитация мышей дает возможность моделировать состояние невесомости, не покидая Земли. Благодаря диамагнитной левитации я получил один из самых ясных в моей жизни опытов трехэтапного восприятия природной магии. Это произошло, когда я приехал в Сент-Эндрюсский университет в Шотландии. Зайдя в кабинет каких-то аспирантов, я увидел висящий в воздухе над полкой маленький, тонкий кристалл. Первая стадия восприятия была очевидной: левитирующий кристалл! Я не видел ни лесок, ни обманчивого освещения, ни зеркал, скрывающих опору. Когда я подтолкнул кристалл, он сдвинулся, но остался парить в воздухе. Я был убежден, что его левитация имеет магнитную природу; к этому моменту я переходил ко второй стадии восприятия волшебства: пытался рационализировать его, опираясь на знакомые мне концепции. Но тут у меня возникло затруднение, потому что существует математическое доказательство невозможности левитации магнитов в статической конфигурации – так называемая теорема Ирншоу. Вы можете убедиться в ее справедливости на собственном опыте: как бы вы ни старались, вам не удастся добиться, чтобы один магнит завис в равновесном состоянии над другим, не используя никаких опор. Я задумался, не может ли кристалл очень медленно вращаться: это было бы одним из решений проблемы. Я спросил о кристалле у аспирантов, и они сказали, что он висит там уже не первый месяц. Это исключало возможность вращения, так как сопротивление воздуха постепенно остановило бы его. К слову, аспирантам даже не пришло в голову показать мне этот левитирующий кристалл – именно потому, что он был у них уже несколько месяцев; они к нему привыкли. Но для меня он был внове, и его волшебство становилось тем сильнее, чем дольше мне не удавалось понять его.
В конце концов они признались, что кристалл представлял собой невероятно сильный диамагнетик. Это был кусок пиролитического графита – в обычных условиях этот материал является самым сильным из всех известных диамагнетиков, – а парил он над подложкой из невероятно сильного ферромагнетика – неодима. Теорема Ирншоу исключает статическую магнитную левитацию только для ферромагнетиков, а здесь речь шла о диамагнетике. Так что теперь я перешел на третью ступень восприятия: я понимал, как именно получается левитация кристалла, но все равно мог оценить техническое мастерство исполнения и необычайно редкие образцы диамагнетиков и ферромагнетиков, настолько сильных, что они обеспечивают левитацию без подачи энергии.
Магнитные свойства всех материалов возникают из магнитных полей отдельных атомов – атомных спинов. Само слово «спин»[17] указывает на происхождение этих полей: при вращении электрически заряженного объекта вокруг него возникает магнитное поле. Тот спин, о которым мы говорим, представляет собой квантово-механическую величину, к которой трудно подобрать аналогии из повседневной жизни. Но в качестве запоминающейся иллюстрации вы можете представить себе, что спин атома возникает в результате того, что отрицательно заряженные электроны движутся по орбитам вокруг атомного ядра так же, как Луна вокруг Земли. Движущийся по круговой траектории электрический заряд порождает магнитное поле (на этом принципе основаны электромагниты, в которых магнитное поле создает электрический ток, текущий по спиральной проволочной обмотке).
Ферромагнетизм уникален среди трех типов магнетизма тем, что это чисто эмерджентное свойство: оно появляется только из-за магнитного взаимодействия многочисленных спинов, приводящего к их ориентации в одном и том же направлении. Напротив, парамагнетизм и диамагнетизм можно понять из модели, в которой спины всех атомов ведут себя независимо друг от друга; их общее поведение представляет собой всего лишь сумму составляющих и не более того. По этой причине кое-кто утверждает, что только ферромагнетики – это истинное состояние материи, а остальные два типа таковыми не являются. Лично я считаю такое разделение слишком строгим. Одна из причин, по которым я так думаю, связана с тесным родством между механизмом превращения ферромагнетиков в парамагнетики и механизмом превращения жидкой воды в газ. Такие преобразования не менее важны, чем сами состояния.