Pole do popisu

Wyciągam z plecaka kompas. Po zwolnieniu igły zaczyna ona powoli skręcać, a następnie ustala swoje położenie równolegle do linii ziemskiego pola magnetycznego, wskazując w kierunku jego bieguna północnego. To niby proste zjawisko, jednak im bliżej mu się przyjrzeć, tym bardziej staje się tajemnicze.

Czym jest to, co zwiemy polem?

Przede wszystkim – skąd pochodzi siła skręcająca igłę? Wiemy, że nie jest ona popychana ku swojemu położeniu docelowemu przez żadne cząstki – już pionierzy laboratoryjnych badań nad próżnią, jak Otto von Guericke czy Blaise Pascal, sprawdzili, że oddziaływanie magnetyczne rozchodzi się bez trudu w bańce, z której wypompowano powietrze. Co więc popycha igłę? Współczesna odpowiedź brzmi: „pole”, samo to słowo niewiele jednak pomaga w zrozumieniu kryjącym się za tym zjawiskiem rzeczywistości. Czym właściwie jest pole? I jak konkretnie wywiera swój wpływ na igłę kompasu?

Dziś wiemy, że źródłem ziemskiego pola magnetycznego są ruchy roztopionego metalu w jądrze Ziemi. Oznaczałoby to, że pole stanowi jakiegoś rodzaju połączenie pomiędzy owym potężnym, gorącym, żelazowo-niklowym zbiornikiem znajdującym się kilka tysięcy kilometrów pod naszymi nogami a moją metalową igiełką delikatnie nałożoną na ośkę. Natura tego połączenia zdaje się mieć charakter znienawidzonego przez fizyków i filozofów „działania na odległość”, o którym pisali wszyscy szanujący się badacze świata fizycznego od czasów Newtona i Leibniza, czy też – sięgając głębiej – średniowiecznych myślicieli w rodzaju Rogera Bacona czy Burydana, czy wręcz starożytnych filozofów przyrody. Każda kolejna teoria fizyczna dodaje do tego zagadnienia tylko następną warstwę tajemnicy.

Ziemia sama jest wielkim magnesem

Osobnym problemem jest źródło pola magnetycznego. Od stuleci znane są skały będące źródłem własnego, lokalnego magnetyzmu, jak choćby magnetyt, wydobywany w starożytności z greckiej krainy Magnezja. Naturalne wydaje się być więc przypuszczenie, że w środku Ziemi, albo na jej biegunach, znajduje coś podobnego – potężny blok skalny, będący stacjonarnym źródłem pola magnetycznego. Kartograf Gerardus Mercator umieścił nawet tego typu „bardzo wysoką czarną górę” w pobliżu bieguna północnego na swojej słynnej mapie Ziemi. W 1600 roku William Gilbert, angielski naukowiec i lekarz osobisty królowej Elżbiety I, napisał traktat De Magnete, w którym orzekł, iż Magnus magnes ipse est globus terrestris – „Cały glob ziemski jest wielkim magnesem”.

Problemy z tym wyjaśnieniem narosły w XIX wieku, kiedy to z jednej strony coraz lepiej znane stały się właściwości magnetyzmu – dzięki pracom fizyków takich, jak Ampère, Oersted, Kirchhoff czy Gauss – a z drugiej powoli zaczęło być jasne, jak w rzeczywistości stara jest nasza planeta. Dopiero na przełomie XVIII i XIX wieku pierwsi naturaliści zaczęli systematycznie badać skamieniałości i ich zależności chronologiczne, na podstawie czego w latach 90. XVIII wieku geolog John Phillips oszacował wiek Ziemi na 96 mln lat. Ponieważ w rzeczywistości planeta nasza powstała 4,5 mld lat temu, jest to wynik grubo niedoszacowany, jednak nie aż tak bardzo, jak choćby przypuszczenie słynnego geologa, hrabiego Buffona, który w 1779 roku na podstawie eksperymentów ze stygnięciem metalowych kul stwierdził, że nasza planeta liczy sobie nie więcej niż 75 tysięcy lat. Choć eksperyment Buffona doprowadził do błędnego wyniku, jego założenia były bardzo rozsądne i filozoficznie niebanalne: energia Ziemi rozprasza się – nasza planeta, podobnie jak wszystkie układy naturalne, nie może być więc modelowana jako układ statyczny, nieruchomy, niezmienny. To samo dotyczy również pola magnetycznego pochodzącego od namagnesowanego obiektu, które będzie powolutku, stale słabło. Gdy więc w XIX wieku stawało się coraz bardziej jasne, że wiek Ziemi należy liczyć nie w tysiącach, a milionach lat, pojawiła się potrzeba wyjaśnienia, jakim sposobem ziemskie pole magnetyczne podtrzymuje swoją moc.

Magnetyzm z lekką nutą elektro

Z odsieczą nadciągnęli fizycy, którzy stopniowo, krok po kroczku, opracowali teorię znaną obecnie jako klasyczna (Maxwellowska) elektrodynamika. Od strony eksperymentalnej szczególnie istotnym jej elementem – zapisanym zresztą później jako jedno ze słynnych równań Maxwella – jest odkrycie przez Ampère’a, że przepływ prądu w przewodzie generuje otaczające ten przewód pole magnetyczne (choć sam Ampère, wówczas niechętny koncepcji pola elektromagnetycznego, wyraził je ostrożniej w odniesieniu do „oddziaływania magnetycznego”). Mamy więc punkt zahaczenia: pole magnetyczne można generować, jeśli tylko mamy do dyspozycji materiał przewodzący i sposób na wywołanie w nim przepływu ładunku elektrycznego.
Miło byłoby powiedzieć, że od tego czasu sprawy potoczyły się szybko – to jednak nieprawda. Propozycja, iż we wnętrzu Ziemi znajduje się gigantyczny obwód elektryczny, wcale nie jest łatwiejsza do pojęcia ¬– i uzasadnienia – niż jakakolwiek inna teoria geomagnetyzmu, i od opublikowania pierwszej postaci równań Maxwella w latach 1861-2 musiało minąć wiele dekad, zanim pojawiło się realistyczne wyjaśnienie źródła ziemskiego pola magnetycznego.

Do kolejnego przełomu konieczna była dalsza koordynacja między fizykami a geologami. W XIX wieku powstawały kolejne, coraz bardziej szczegółowe modele wnętrza Ziemi, konstruowane na podstawie rosnącego zasobu informacji geologicznych i astronomicznych. W 1862 roku lord Kelvin zaproponował, że w centrum Ziemi znajduje się metalowa kula, „tak sztywna, jak stal”. W 1897 roku Emil Wiechert opisał pierwszy wyczerpujący model Ziemi, w którym wystąpiły już wszystkie znane nam dziś warstwy, włącznie z metalowym jądrem. Parę lat później, zmotywowani precyzją przewidywań Wiecherta, geolodzy rozpoczęli intensywne badania sejsmiczne i już w 1906 roku R. Oldham opublikował wyniki badań wskazujące na to, że jądro jest płynne (wówczas nie było jeszcze wiadomo, że istnieje stałe jądro wewnętrzne, które odkryła Inge Lehmann w 1936 roku).
To odkrycie stanowiło prawdziwy przełom – skoro jądro zbudowane jest z płynnego metalu, łączy w sobie dwie fenomenalnie ważne dla elektromagnetyzmu cechy: jest jednocześnie przewodzące  i ruchliwe, co oznacza, że może w nim wystąpić przepływ ładunków elektrycznych. A więc i, za sprawą prawa Ampère’a, generowanie pola magnetycznego. I rzeczywiście: w 1917 roku Joseph Larmor jako pierwszy zaproponował, że w jądrze Ziemi występuje tzw. dynamo elektromagnetyczne, które potrafi podtrzymywać własną aktywność na przestrzeni wielu milionów lat.

To jednak nie koniec historii; w pewnym sensie był to tak naprawdę dopiero początek badań, które nie doczekały się jeszcze satysfakcjonującego domknięcia: jak bowiem konkretnie rusza się płyn we wnętrzu Ziemi? Okazuje się, że wymyślenie takiej geometrii ruchu roztopionego metalu, aby generowane pole nie tylko odpowiadało pomiarom na powierzchni Ziemi, ale jednocześnie mogło istnieć przez miliardy lat i poruszało się zgodnie z prawami fizyki, jest zajęciem niemal niemożliwym. Dziś, po stu latach od propozycji Larmora, choć wiadomo, że ziemskie pole generowane jest przez samowzbudne dynamo, konia z rzędem temu, kto narysuje na kartce – albo wygeneruje na komputerze – linie odpowiadające kierunkowi ruchu płynnego metalu oraz linie pola magnetycznego w jądrze. Badania nad dynamem, zwanym dziś technicznie „dynamem MHD”, to jednak temat na inną okazję.

Łukasz Lamża