Магнитные полюса и магнитная ось Земли — изучение магнитного поля Земли показало, что в первом приближении оно совпадает с полем магнитного диполя (магнитный диполь — магнит, состоящий из двух жестко связанных друг с другом магнитных зарядов, положительного и отрицательного, то есть северного и южного), находящегося в центре Земли. Ось этого диполя расположена под углом 11° к направлению оси вращения нашей планеты. Поэтому точки пересечения оси диполя с поверхностью Земли — магнитные полюса не совпадают с положением географических полюсов, хотя и находятся от них не так далеко.
Согласно современным представлениям, земной магнетизм порождается в результате самовозбуждения магнитного поля вследствие движения электропроводящего вещества в ядре Земли (так называемый динамо-эффект).
Палеомагнетизм, или остаточный магнетизм. Им обладают многие горные породы, из которых состоит земная кора. Его возникновение относится к тем временам, когда эти породы, изверженные из земных недр, находились в разогретом состоянии. Под действием земного магнитного поля происходило их намагничивание. При остывании направление этого поля как бы закрепляется в веществе и впоследствии может быть обнаружено. Следы магнитного поля Земли хранятся и в осадочных породах. Когда мелкие зерна осадочных пород оседают на дно водоемов, они ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируясь в соответствии с направлением земного магнитного поля в данном месте.
Сопоставляя эти данные с возрастом тех или иных пород, который определяется одним из имеющихся в распоряжении ученых методов, можно установить, какое направление имело в том или ином районе нашей планеты земное магнитное поле в определенные исторические эпохи.
Тектоника — тектонические процессы — процессы, протекающие в земной коре (ее толщина — несколько десятков километров: около 35 км на материках, 5–7 км под дном океанов) и связанные с движениями вещества, происходящими под влиянием различных причин. С тектоническими процессами, в частности, связаны такие катастрофические явления природы, как землетрясения.
Техносфера — физико-географическая среда, преобразованная человеком и предельно насыщенная продуктами человеческой деятельности.
Микромир
I. В глубины вещества
«Странный» мир
В этой главе мы познакомимся с некоторыми достижениями одной из наиболее фундаментальных областей современного естествознания — физики микромира, занимающейся изучением строения материи на уровне микропроцессов — атомов, атомных ядер и элементарных частиц.
Пожалуй, нет другой области науки, где бы с такой отчетливостью и убедительностью происходила периодическая смена представлений, где бы «привычное» постоянно уступало место «непривычному», иногда весьма странному, где бы углубление знаний неуклонно вело ко все большему отходу от «наглядного», к отрыву от непосредственно окружающей нас реальности и где бы, несмотря на все это, неизменно умножалось число все более кардинальных практических приложений. По существу, вся короткая история атомной физики и физики элементарных частиц — сплошная цепь удивительных открытий.
По мере все более глубокого проникновения в тайны строения материи физика неоднократно сталкивалась с явлениями, которые вначале казались исключительными, парадоксальными. Например, теория относительности А. Эйнштейна показала, что с увеличением скорости масса тел не остается неизменной, а растет, что не существует единого времени — его течение происходит по-разному в различных материальных системах, движущихся относительно друг друга.
С не менее удивительными фактами столкнулась и атомная физика. В частности, выяснилось, что в области так называемых молекулярно-атомных процессов, характеризующейся пространственно-временными интервалами 10–6–10–11 см и 10–17–10–22 секунды, невозможно одновременно точно определить скорость движения микрочастицы и ее положение в пространстве (так называемый принцип неопределенности). Таким образом, оказалось, что движение микрочастиц (например, электронов в атомах) существенным образом отличается от движения обычных макроскопических тел, которые всегда в тот или иной определенный момент занимают вполне определенное положение в пространстве и обладают вполне определенной скоростью.
Тем самым уже на одном из начальных этапов проникновения в микромир обнаружилось, что привычные понятия классической механики не только не могут быть автоматически перенесены на микроявления, но и совершенно недостаточны для их описания.
Проникновение в тайны строения атомов потребовало экспериментов с энергиями от нескольких электрон-вольт до сотен тысяч электрон-вольт. Когда же были достигнуты еще более высокие энергии — до сотен миллионов и, наконец, миллиардов электрон-вольт, — то оказалось, что при таких энергиях поведение микрочастиц отличается уже не только от поведения макроскопических тел, но и от поведения элементарных частиц в обычных условиях, например электронов в атомах.
Было обнаружено, что при достижении определенного, достаточно высокого уровня энергии начинаются сложные взаимопревращения частиц. Частицы одних типов превращаются в частицы других типов.
В течение последних десятилетий эта область науки бурно прогрессировала. Еще какие-нибудь 20 лет назад физикам было известно всего около десятка элементарных частиц и казалось, что именно из этих частиц и состоят все объекты окружающего нас мира. Но затем благодаря введению в строй гигантских ускорителей и применению электронно-вычислительной техники было открыто множество новых частиц, и сейчас их число измеряется сотнями.
На первых порах мир элементарных частиц казался разрозненным — в нем трудно было усмотреть общие закономерности, связывающие различные частицы между собой. Однако в результате усилий сначала экспериментаторов, а затем и теоретиков удалось обнаружить некоторые закономерности, позволяющие систематизировать элементарные частицы и построить их классификацию, подобную периодической системе Менделеева. И подобно тому как система Менделеева позволила предсказать существование неизвестных химических элементов, система элементарных частиц, построенная физиками, дала возможность предсказывать новые неизвестные явления, открывать новые частицы с весьма необычными свойствами.
Теория элементарных частиц наряду с астрофизикой всегда играла чрезвычайно важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. В частности, современная теория элементарных частиц не только знакомит нас со все новыми и новыми объектами, но и подводит к новым представлениям о том, что такое элементарность. Еще сравнительно недавно считалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем — от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим повседневным здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше и сложнее любой из составляющих его частей.
Но теперь мы знаем, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. Так, протон на очень короткое время распадается на протон и пи-мезон, а каждый пи-мезон — на три пи-мезона. Таким образом, в микромире теряют смысл привычные представления о целом и части, а следовательно, теряет смысл и привычное для нас представление об элементарности.
Эти новые представления, разумеется, весьма необычны. Но в том, что по мере проникновения в тайны микроявлений подобные необычные представления возникают, нет ничего неожиданного. Теория элементарных частиц по мере своего развития ведет нас в глубины «все более странного мира», к открытию все более необычных, диковинных явлений. Но еще В. И. Ленин подчеркивал, что открытие диковинных явлений — «это только лишнее подтверждение диалектического материализма»[20].