Магниты, левитрон и летающие лягушки

Красивый пример победы над гравитацией можно найти в интересной игрушке под названием "левитрон", состоящей из магнита в форме вращающегося волчка, который взлетает на несколько сантиметров над отталкивающим его магнитом. Поначалу левитрон кажется чем-то магическим. Ведь мы еще с 1842 года знаем, что такое устройство не может работать, поскольку Сэмюэль Эрншоу из Колледжа Сент-Джон в Кембридже в своей работе доказал, что левитация недостижима при использовании стационарных магнитов. Именно это американский изобретатель Рой Харриган и услышал от волшебников мира маглов, которые предупредили его, что зря он тратит время, пытаясь отрицать теорему Эрншоу. К счастью, он поступил по-своему и, как настоящий маг, вытащил левитрон из своей шляпы двадцать лет назад, а сама игрушка была разработана Биллом Хоунсом из компании Fascinating Inc. Словно подчеркивая магические способности изобретателя, патент на игрушку объясняет, как ее стабильность зависит от вращения, но в нем упущен один важный научный момент: хотя это объяснение фактически нарушает теорему Эрншоу, согласно патенту, левитрон тем не менее летает.

Убедительное научное обоснование работы левитрона появилось лишь в 1996 году благодаря сэру Майклу Берри. Работающий в Бристольском университете Берри - один из волшебников квантовой механики, самой революционной научной теории прошлого столетия, разработанной европейскими физиками, которые поняли, что существующие физические законы не верны для субатомных частиц, например электронов.

"Антигравитационной" силой, которая удерживает левитрон в воздухе, является магнетизм. Северный полюс нижнего магнита направлен вверх, а северный полюс верхнего магнита направлен вниз. Любой, кто играл с двумя магнитами, знает, что между двумя одинаковыми полюсами существует отталкивание, которое и позволяет левитрону парить в воздухе.

Однако, чтобы игрушка работала, верхняя часть должна вращаться, иначе магнитная сила нижней части вызовет притяжение и перевернет ее. Тогда южный полюс будет смотреть вниз, и сила нижней части вызовет притяжение - в направлении действия гравитации, - и верхняя часть упадет. Берри было довольно трудно объяснить, как короткие горизонтальные и вертикальные движения создают силу, которая отбрасывает верхнюю часть к точке, вокруг которой левитрон слабо движется. И именно потому, что он смещается (на техническом языке это называется "прецессией"), он не нарушает теоремы Эрншоу. В последние десятилетия один из составных блоков атома, нейтрон, удалось поймать с помощью похожего эффекта, так что эта теория годится не только для производства игрушек. Однако в книгах о Гарри Поттере нет никаких упоминаний о вращающихся метлах, так что должен быть другой способ обойти теорему Эрншоу.

Рассмотрим любопытный опыт с левитирующими лягушками, который в очередной раз размывает границы между магией и наукой. Его провел Эндрю Гейм во время работы в Лаборатории сильных магнитных полей в Ниймегене (Голландия) вместе с Питером Мейном и Умберто Кармоной. Ученым удалось подвесить лягушку в воздухе без использования зеркал, тросов, ловкости рук и подобных трюков. Они победили гравитацию сбалансированным магнитным полем, вместо того чтобы отключить гравитацию от источника. "Пожалуй, мы вряд ли сможем когда-либо подойти ближе к созданию антигравитационной машины", - говорят они.

Летающая лягушка впечатляюще доказывает факт, который многие даже не осознают: это уже не просто металл, реагирующий на магнитное поле. Команда повторила эксперимент с кузнечиками, рыбами, мышами и растениями. Стало возможным поднять в воздух любое живое существо благодаря вездесущему явлению диамагнетизма.

Этот тип левитации не учтен в теореме Эрншоу, в отличие от других форм магнетизма: парамагнетизма и ферромагнетизма. Диамагнетизм - это квантовый феномен, который не может быть понят с точки зрения классического подхода Эрншоу, но может объяснить, что все, начиная от дерева и винограда и заканчивая водой, пиццей, лягушками и даже людьми, можно поднять при помощи достаточно сильного магнита.

Все вещества вокруг состоят из атомов, двести тысяч миллионов которых займут промежуток в точке в конце этого предложения. Все виды магнетизма зависят в первую очередь от поведения электронов в атомах. Традиционно атом описывают как Солнечную систему в миниатюре, в которой отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительно заряженных атомных ядер, подобно маленьким планетам. (Сегодня об электроне говорят скорее как об отрицательно заряженном облачке, чем как об отдельной частице.)

Поскольку электроны обладают зарядом, их движения создают магнитные поля. То есть они превращаются в магниты, которые будут притягиваться другими магнитными полями. Когда достаточно сильное магнитное поле нарушает орбиты электронов в атомах лягушки, они создают слабый электроток, который, словно электромагнит, образует поле с противоположным зарядом. Сила отталкивания здесь действует, как в случае с двумя магнитами.

"В некотором смысле левитрон и лягушка - это одно и то же, поскольку диамагнетизм возникает благодаря вращению микроскопических магнитов - уменьшенных версий левитрона", - говорит Майкл Берри, бывший коллега Эндрю Гейма - сейчас работающего в Университете Манчестера, - расширяя свою теорию, чтобы показать, как парящие амфибии отрицают.теорему Эрншоу.

Когда маленький лягушонок испытывал на себе левитацию, он выглядел вполне нормально, а после с радостью присоединился к своим сородичам в биологическом отделе лаборатории. Члены команды Гейма подвергались воздействию сильных полей, а его американский коллега провел внутри магнита несколько часов (просто лежа, а не левитируя), и никто из них не жаловался на состояние здоровья. Гейм поднял в воздух даже хомячка Тришу, который нормально дожил до трех лет. (Этот хомячок, кстати, фигурирует в качестве соавтора в статье Гейма, опубликованной в журнале "Physica С".) Поскольку ничто не говорит о том, что сильные статичные поля плохо влияют на здоровье, Гарри мог летать именно таким способом. Для этого нужен лишь сильный магнит. Лягушка поднялась в воздух на два метра благодаря магнитному полю, которое в сто тысяч раз сильнее естественного магнитного поля Земли и примерно в 10-100 раз сильнее магнитов в рефрижераторах.

Естественная поза для полетов на метле - нагнуться вперед, чтобы придать телу горизонтальное положение, - является идеальной для магнитной левитации. Суть в том, что метла вам даже не понадобится, ведь, чтобы диамагнетизм начал работать, надо всего лишь оказаться внутри огромного магнита в несколько метров толщиной, который будет создавать поле, многократно превышающее магнитное поле в магнитно-резонансных сканерах, используемых в медицине.

"Я с удовольствием стану первым добровольцем для левитации, - говорит Майкл Берри. - Такая левитация подарит интересные ощущения... сравнимые с ощущением невесомости. Но с одним отличием: диамагнетизм тела не един по структуре - ткани, кости, кровь и т. д. имеют различные диамагнетические характеристики, - так что мы почувствуем толчки и растягивания по всему телу. Если магнитная сила на мышцах сильнее, чем на костях, получится, что наше тело держится на мышцах, а кости свисают - странный антипод нормальной ситуации и основа для (дорогостоящей) подтяжки лица".

Интересно, что в одной из книг о Гарри Поттере содержится краткое упоминание о том, что количество магии вокруг Хогвартса не дает работать никакой электронике - соблазнительный намек на то, что школа окружена сильным электромагнитным полем, которое не только нарушает работу микросхем, но и поднимает в небо людей. Однако столь сильное поле окажет неординарное воздействие на все ферромагнетики, то есть на железо, кобальт и никель, делая их присутствие слишком очевидным, а порой и неприятным для обитателей. Кеннилворти Висп даже указывает, что ни одно заклинание не позволяет волшебнику (в облике человека) летать без подручных средств. Возможно, секрет "Всполоха" надо искать где-то в другом месте.

Роджер Хайфилд

Проза жизни • "Гарри Поттер" и наука: Настоящее волшебство