Таким образом, когда у планеты, такой как Марс или Юпитер, есть спутники, вращающиеся вокруг нее, астрономы на Земле могут наблюдать притяжение планеты к своим спутникам и таким образом определять ее массу. Правило для этого очень простое. Куб расстояния между планетой и спутником делится на квадрат времени обращения спутника. Частное — это число, которое пропорционально массе планеты. Правило применяется к движению Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца. Если мы разделим куб расстояния Земли от Солнца, скажем 93 000 000 миль, на квадрат 365 1/4, дней в году, мы получим определенное частное. Давайте назовем это число солнечно-частным. Затем, если мы разделим куб расстояния Луны от Земли на квадрат времени ее обращения, мы получим другое частное, которое мы можем назвать земно-частным. Солнечно-частное получится примерно в 330 000 раз больше земно-частного. Следовательно, делается вывод, что масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли; что потребовалось бы такое количество земель, чтобы составить тело, столь же тяжелое, как Солнце.
Я привожу этот расчет, чтобы проиллюстрировать принцип; не следует полагать, что астроном действует именно так и имеет только этот простой расчет. В случае Луны и Земли движение и расстояние первой меняются вследствие притяжения Солнца, так что их фактическое расстояние друг от друга является меняющейся величиной. Так что то, что астроном фактически делает, — это находит притяжение Земли, наблюдая длину маятника, который отбивает секунды на различных широтах. Затем, с помощью очень тонких математических процессов, он может с большой точностью найти, каким было бы время обращения малого спутника на любом заданном расстоянии от Земли, и таким образом может получить земно-частное.
Но, как я уже отметил, мы должны, в случае планет, найти искомое частное с помощью спутников; и случается, к счастью, что движения этих тел гораздо меньше меняются под притяжением Солнца, чем движение Луны. Таким образом, когда мы делаем вычисление для внешнего спутника Марса, мы находим, что частное составляет 1/3093500 от солнечно-частного. Следовательно, мы заключаем, что масса Марса составляет 1/3093500 массы Солнца. По соответствующему частному масса Юпитера найдена равной примерно 1/1047 массы Солнца, Сатурна — 1/3500, Урана — 1/22700, Нептуна — 1/19500.
Мы изложили только великий принцип, по которому астроном действовал для искомой цели. Закон тяготения лежит в основе всей его работы. Эффекты этого закона требуют математических процессов, на доведение которых до нынешнего состояния ушло двести лет и которые все еще далеки от совершенства. Измерение расстояния спутника — это не работа, которую можно сделать за вечер; она требует терпеливого труда, растянутого на месяцы и годы, и даже тогда она не так точна, как хотелось бы астроному. Он делает все, что может, и должен быть удовлетворен этим.
IX
МОРСКОЙ КОМПАС
Среди тех положений природы, которые кажутся нам специально предназначенными для использования человеком, ничто не является более поразительным, чем кажущийся магнетизм Земли. Какой была бы наша цивилизация, если бы морской компас никогда не был известен? То, что Колумб никогда не смог бы пересечь Атлантику, несомненно; в каком поколении после его времени наш континент был бы открыт — сомнительно. Задумывался ли читатель, с какой проблемой столкнулся бы капитан лучшего океанского лайнера нашего дня, если бы ему пришлось пересечь океан без этого маленького инструмента? С помощью лоцмана он выводит свой корабль за пределы Сэнди-Хук без особых трудностей. Даже позже, пока Солнце видно и воздух ясен, у него будет некоторый аппарат для плавания по направлению Солнца. Но через несколько часов облака покрывают небо. С этого момента у него нет ни малейшего представления о востоке, западе, севере или юге, за исключением того, насколько он может вывести это из направления, в котором он замечает дуновение ветра. Несколько часов он может руководствоваться ветром, при условии, что он уверен, что не идет к берегу на Лонг-Айленде. Так, со временем, он прощупывает свой путь в открытое море. Днем у него есть некоторое представление о направлении с помощью Солнца; ночью, когда небо ясное, он может держать курс по Большой Медведице, или «Киносуре», компасу своих древних предшественников в Средиземноморье. Но когда облачно, если он упорствует в движении вперед, он может бежать к Азорским островам или к Гренландии, или он может прокладывать свой путь обратно в Нью-Йорк, не зная об этом. Так, поддерживая пар только тогда, когда видно Солнце или звезда, он, наконец, обнаруживает, что приближается к побережью Ирландии. Тогда ему приходится пробираться почти как слепому со своим посохом, ощупывая свой путь вдоль края пропасти. Он может определить широту в полдень, если небо ясное, и свою долготу утром или вечером в тех же условиях. Таким образом, он получит общее представление о своем местонахождении. Но если он решится двигаться вперед в тумане, он может оказаться на скалах в любой момент. Он достигает своей гавани только после многих периодов терпеливого ожидания благоприятного неба.
Тот факт, что Земля действует как магнит, что стрелка указывает на север, был в целом известен мореплавателям почти тысячу лет и, как говорят, был известен китайцам еще в более ранний период. И все же сегодня, если любого профессора физических наук попросят объяснить магнитное свойство Земли, он признает свою неспособность сделать это к собственному удовлетворению. К счастью, это не мешает нам выяснить, по какому закону действуют эти силы и как они позволяют нам плавать по океану. Поэтому я надеюсь, что читатель заинтересуется кратким изложением весьма любопытных и интересных законов, на которых основана наука о магнетизме и которые применяются при использовании компаса.
Сила, известная как магнитная, от которой зависит работа компаса, отличается от всех других природных сил, с которыми мы знакомы. Весьма примечательно, что железо — единственное вещество, которое может намагничиваться в сколько-нибудь значительной степени. Никель и еще один-два металла обладают тем же свойством, но в очень слабой степени. Также примечательно, что как бы сильно ни был намагничен стальной брусок, малейший эффект магнетизма не проявляется при его воздействии на немагнитные вещества. Он не становится тяжелее, чем был прежде. Его магнетизм не оказывает ни малейшего влияния на человеческое тело. Никто не узнал бы, что он магнитный, пока в его непосредственной близости не оказалось бы что-то, содержащее железо; тогда возникает притяжение. Важнейший принцип магнитной науки заключается в том, что существуют два противоположных вида магнетизма, которые в определенном смысле являются противоположными в своих проявлениях. Разница видна в поведении самого магнита. Один конкретный конец указывает на север, а другой — на юг. Что отличает эти два конца? Ответ заключается в том, что один конец обладает тем, что мы называем северным магнетизмом, а другой — южным. Каждый магнитный брусок имеет два полюса: один около одного конца, другой — около другого. Северный полюс притягивается к северному полюсу Земли, южный полюс — к южному полюсу, и именно так определяется направление магнита. Теперь, когда мы подносим два магнита друг к другу, мы обнаруживаем еще одно любопытное явление. Если сблизить два одноименных полюса, они не притягиваются, а отталкиваются. Но два противоположных полюса притягиваются друг к другу. Притяжение и отталкивание при одних и тех же условиях в точности равны. Притяжение не превосходит отталкивание. Если мы запечатаем один магнит в бумагу или коробку, а затем подвесим другой над коробкой, северный полюс внешнего магнита будет стремиться к южному полюсу магнита в коробке, и наоборот.
Наше следующее открытие состоит в том, что всякий раз, когда магнит притягивает кусок железа, он превращает это железо в магнит, по крайней мере на время. В случае с обычным мягким или незакаленным железом магнетизм исчезает мгновенно, как только магнит убирают. Но если заставить магнит притянуть кусок закаленной стали, последняя сохранит полученный в ней магнетизм и сама станет постоянным магнитом.
Этот факт, должно быть, был известен с тех пор, как компас вошел в употребление. Для изготовления этого инструмента было необходимо намагнитить небольшой брусок или иглу, проведя по нему естественным магнитом.
В наше время намагничивание осуществляется с помощью электрического тока. Последний обладает любопытными магнитными свойствами; магнитная игла, поднесенная к нему, устанавливается под прямым углом к проводу, по которому течет ток. На этом принципе основан гальванометр для измерения силы тока. Более того, если кусок проволоки намотать вокруг стального бруска и пропустить через катушку мощный электрический ток, брусок станет магнитом.
Другое любопытное свойство магнетизма заключается в том, что мы не можем развить северный магнетизм в бруске, не развив одновременно южный магнетизм. Если бы это было иначе, возникли бы важные последствия. Отдельный северный полюс магнита, если бы его прикрепили к плавающему объекту и бросили в океан, отправился бы в путешествие к северу в полном одиночестве. Может возникнуть мысль о возможном способе достижения этого результата. Давайте возьмем обычный полосовой магнит с полюсом на каждом конце и сломаем его посередине; разве тогда северный конец не был бы готов отправиться в свое путешествие на север, а южный — на юг? Но, увы! Когда этот эксперимент проводится, обнаруживается, что на одной стороне излома мгновенно развивается южный полюс, а на другой — северный, так что два куска просто образуют два магнита, каждый со своим северным и южным полюсом. Невозможно создать магнит только с одним полюсом.
Ранее предполагалось, что центральные части Земли состоят из огромного магнита, направленного с севера на юг. Хотя эта точка зрения, по причинам, которые не нужно излагать подробно, признана несостоятельной, она дает нам хорошее общее представление о природе земного магнетизма. Один из результатов, вытекающих из уже упомянутого закона полюсов, заключается в том, что магнетизм, который, по-видимому, принадлежит северному полюсу Земли, является тем, что мы называем южным на магните, и наоборот.
Тщательный эксперимент показывает нам, что область вокруг каждого магнита заполнена магнитной силой, наиболее сильной вблизи полюсов магнита, но убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния от полюса. Эта сила в каждой точке действует вдоль определенной линии, называемой силовой линией. Эти линии очень наглядно демонстрируются с помощью известного эксперимента: на магнит кладется лист бумаги, а затем на поверхность бумаги рассыпаются железные опилки. Можно заметить, что опилки располагаются вдоль ряда кривых линий, расходящихся во всех направлениях от каждого полюса, но всегда переходящих от одного полюса к другому. Существует универсальный закон: всякий раз, когда магнит попадает в область, где действует эта сила, он притягивается в такое положение, чтобы иметь то же направление, что и силовые линии. Его северный полюс примет направление кривой, ведущей к южному полюсу другого магнита, а его южный полюс — противоположное.
Факт земного магнетизма можно выразить, сказав, что пространство внутри и вокруг всей Земли заполнено линиями магнитной силы, о которых мы ничего не знаем, пока не подвесим магнит, сбалансированный настолько идеально, что он может указывать в любом направлении. Тогда он поворачивается и указывает в направлении силовых линий, которые таким образом могут быть нанесены на карту для всех точек Земли.
Мы обычно говорим, что полюс стрелки указывает на север. Поэты рассказывают нам, как стрелка верна полюсу. Однако каждому читателю теперь знаком общий факт вариации компаса. На нашем восточном побережье и на всем пути через Атлантику северное направление компаса отклоняется настолько далеко на запад, что корабль, идущий в Европу и не делающий поправку на это отклонение, обнаружил бы, что держит курс скорее на Нордкап, чем на пункт своего назначения. «Склонение», как его называют на научном языке, варьируется от одного региона Земли к другому. В одних местах оно направлено на запад, в других — на восток.
Направление стрелки в различных регионах мира показано с помощью магнитных карт. Такие карты публикуются Береговой службой Соединенных Штатов, эксперты которой проводят тщательное изучение магнитной силы по всей стране. Установлено, что существует линия, проходящая почти с севера на юг через Средние штаты, вдоль которой нет вариации компаса. К востоку от нее вариация северного полюса магнита западная; к западу от нее — восточная. Наиболее быстрые изменения в направлении стрелки происходят в северо-восточных и северо-западных регионах. Когда мы путешествуем к северо-восточной границе штата Мэн, западное склонение возрастает до 20 градусов. К северо-западу восточное склонение постоянно увеличивается, пока в северной части штата Вашингтон оно не достигает 23 градусов.
Когда мы пересекаем Атлантику и попадаем в Европу, мы обнаруживаем, что западное склонение уменьшается, пока мы не достигаем определенной линии, проходящей через центральную Россию и западную Азию. Это снова линия нулевого склонения. Пересекая ее, склонение снова становится восточным. Это направление сохраняется на большей части континента Азия, но варьируется несколько нерегулярным образом от одной части континента к другой.
Как правило, линии магнитной силы Земли не являются горизонтальными, и поэтому один или другой конец идеально подвешенного магнита будет опускаться ниже горизонтального положения. Это называется «наклонением стрелки». Оно наблюдается с помощью латунного круга, окружность которого размечена в градусах. Магнит прикреплен к этому кругу так, чтобы образовывать диаметр, и подвешен на горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести, так что магнит может свободно указывать направление, обозначенное земными линиями магнитной силы. Вооружившись этим аппаратом, научные путешественники и мореплаватели посещали различные точки Земли, чтобы определить наклонение. Таким образом установлено, что вокруг Земли вблизи экватора проходит пояс, иногда отклоняющийся от него на несколько градусов, в котором наклонение отсутствует; то есть линии магнитной силы горизонтальны. Взяв любую точку на этом поясе и двигаясь на север, можно обнаружить, что северный полюс магнита постепенно стремится вниз, причем наклонение постоянно увеличивается по мере нашего продвижения дальше на север. В южной части Соединенных Штатов наклонение составляет около 60 градусов, и направление стрелки почти перпендикулярно земной оси. В северной части страны, включая регион Великих озер, наклонение увеличивается до 75 градусов. Заметив, что наклонение в 90 градусов означало бы, что северный конец магнита указывает прямо вниз, следует, что было бы более правильным сказать, что на всей территории Соединенных Штатов магнитная стрелка указывает вверх и вниз, чем то, что она указывает на север и юг.
Продвигаясь еще дальше на север, мы обнаруживаем, что наклонение продолжает увеличиваться, пока в определенной точке арктических регионов северный полюс стрелки не укажет вниз. В этом регионе компас бесполезен для путешественника или мореплавателя. Эта точка называется магнитным полюсом. Ее положение несколько раз определялось научными наблюдателями. Лучшие определения, сделанные за последние восемьдесят лет, довольно хорошо согласуются в том, что она находится около 70 градусов северной широты и 97 градусов западной долготы от Гринвича. Эта точка расположена на западном берегу полуострова Бутия, который на южном конце ограничен проливом Мак-Клинток. Она находится примерно в пятистах милях к северу от северо-западной части Гудзонова залива. Существует соответствующий магнитный полюс в Антарктическом океане, или, скорее, на Земле Виктории, почти к югу от Австралии. Его положение не было определено так точно, как на севере, но предполагается, что он находится примерно на 74 градусах южной широты и 147 градусах восточной долготы от Гринвича.
Магнитные полюса раньше рассматривались как точки, к которым притягивались соответствующие концы стрелки. И, по правде говоря, магнитная сила сильнее вблизи полюсов, чем в других местах. При определении таким образом по силе воздействия обнаруживается, что в северной Сибири существует второй северный полюс. Однако его местоположение определено не так хорошо, как в случае с американским полюсом, и еще не доказано удовлетворительным образом, что в Сибири есть какая-либо точка, где направление силы направлено точно вниз.
[Иллюстрация с подписью: НАКЛОНЕНИЕ МАГНИТНОЙ СТРЕЛКИ В РАЗЛИЧНЫХ ШИРОТАХ. Стрелки показывают направление северного конца магнитной стрелки, который наклоняется вниз в северных широтах, в то время как южный конец наклоняется в южных широтах.]
Склонение и наклонение, взятые вместе, показывают точное направление магнитной силы в любом месте. Но чтобы завершить описание силы, необходимо указать еще один элемент — ее величину. Интенсивность магнитной силы определяется путем подвешивания магнита в горизонтальном положении, а затем предоставления ему возможности колебаться взад и вперед вокруг точки подвеса. Чем сильнее сила, тем меньше времени потребуется на колебания. Таким образом, перенося магнит в различные части света, можно определить магнитную силу в каждой точке, где можно получить надлежащую опору для магнита. Интенсивность, найденная таким образом, называется горизонтальной силой. Это не совсем полная сила, потому что последняя зависит от наклонения; чем больше наклонение, тем меньше будет горизонтальная сила, соответствующая определенной полной силе. Но очень простое вычисление позволяет определить одно, когда известно значение другого. Таким образом установлено, что, как правило, магнитная сила наименьшая в экваториальных регионах Земли и увеличивается по мере приближения к любому из магнитных полюсов.
Когда проводятся наиболее точные наблюдения за направлением стрелки, обнаруживается, что она никогда не остается в покое. Начиная с изменений самой короткой продолжительности, у нас есть изменение, которое происходит каждый день и поэтому называется суточным. В наших северных широтах установлено, что в течение шести часов с девяти часов вечера до трех часов утра направление магнита остается почти неизменным. Но между тремя и четырьмя часами утра он начинает отклоняться к востоку, уходя все дальше и дальше на восток примерно до 8 часов утра. Затем, довольно внезапно, он начинает качаться к западу с гораздо более быстрым движением, которое заканчивается между часом и двумя часами дня. Затем, более медленно, он возвращается в восточном направлении примерно до девяти часов вечера, когда снова становится почти неподвижным. К счастью, величина этого изменения настолько мала, что мореплавателю не нужно беспокоиться о нем. Весь диапазон движения редко достигает четверти градуса.