Ирина Радунская - Проклятые вопросы

• Название: Проклятые вопросы
• Автор: Ирина Радунская
• Издательство: Московские учебники
• Жанр: Физика
• Год: 2005
• ISBN: ISBN 5-7853-?????????

В науке, как и в искусстве, есть ряд вопросов, вечных вопросов, над которыми бьются поколения учёных. Они называют их проклятыми вопросами. Познаваем ли мир? Может ли разум овладеть секретами природы? Что есть истина? Можно ли запланировать открытия? Как стимулировать в человеке творческое начало? Что усиливает творческую отдачу?

В книге Ирины Радунской «Проклятые вопросы» читатель встретится с разнообразными научными проблемами. Узнает, как возникли многие новые науки и насколько углубились и расширились рамки старых; как меняются аспекты и задачи ядерной физики и космологии, физики элементарных частиц и лазерной техники, нелинейной оптики и спектрального анализа; какие перемены в нашу жизнь внесут высокотемпературные сверхпроводники; что за секреты скрываются в недрах сверхновых звёзд; как влияют достижения физики ядерного магнитного резонанса на прогресс медицины.

А главное, читатель узнает, как учёные приходят к открытиям, какой ценой достаются прозрения тайн природы.

В этой книге, как в своих прежних книгах «Безумные идеи», «Превращения гиперболоида инженера Гарина», «Крушение парадоксов», «Кванты и музы», «Аксель Берг — человек XX века», трилогии «Предчувствия и свершения» — («Великие ошибки», «Призраки», «Единство») и «Квинтэссенция», автор рассказывает о развитии идей, о перипетиях индивидуального и коллективного творчества учёных. О какой бы области науки ни велась речь, основное внимание сосредоточено на героическом, напряжённом труде физиков, математиков, астрономов, космологов, астрофизиков, труде, который во все времена служил фундаментом прогресса человечества, основой цивилизации, источником наших знаний об окружающем мире, инструментом дальнейшего совершенствования человеческого разума.

---

Все, конечно, замечали, как вода просачивается сквозь песок. Так и электрический ток представляет собой движение электронов, просачивающихся между атомами металла. Электроны тормозятся атомами, которые находятся в тепловом движении и непрестанно колеблются. На столкновения с ними уходит энергия электронов, полученная от электрической батареи.

Атомы металла, получив дополнительную энергию, paскачиваются ещё больше и ещё сильнее мешают продвижению электрического тока. Таков механизм сопротивления металлов электрическому току. Это не было для учёных откровением — явление давно изучено. Но то, чему учёные стали свидетелями в сверхпроводниках, было действительно откровением. Куда девается способность металлов сопротивляться электрическому току? Что в них происходит?

Если металл охладить, тепловые колебания атомов уменьшаются. Они меньше мешают электрическому току. А при очень низкой температуре почти совсем не мешают.

Но такое «замерзание» сопротивления не может привести к сверхпроводимости. Хотя тепловые колебания, в соответствии с классической физикой, убывают вместе с температурой. Квантовая физика показала, что даже при абсолютном нуле движения частиц вещества не прекращаются полностью — остаются так называемые нулевые колебания атомов, полей и элементарных частиц.

Однако опыт показывает, что при постепенном охлаждении сверхпроводящих металлов и сплавов их сопротивление сначала убывает вместе с уменьшением температуры (как предсказывает классическая физика), но при какой-то температуре, характерной для данного сверхпроводника, сопротивление внезапно, скачком, падает до нуля.

При этом происходит своеобразное явление, не имеющее прецедентов ни в одной другой области науки. Вблизи абсолютного нуля, когда тепловые колебания атомов крайне ослаблены, электроны начинают вести себя совсем по-особому. Их поведение кажется просто непостижимым. Дальше мы узнаем, как физики-теоретики сделали кажущееся непостижимым — хорошо понятным, но сейчас ещё несколько фактов.

Между электронами вдруг возникают силы притяжения! Электроны, несмотря на то что отрицательно заряженным телам полагается отталкиваться, начинают стремиться друг к другу!

Для ряда металлов это стремление оказывается настолько интенсивным, что оно пересиливает отталкивание между электронами. При достижении определённой температуры они внезапно связываются между собой, объединяясь в дружный, слаженный коллектив.

Отдельные электроны в сверхпроводнике вблизи абсолютного нуля сливаются в электронный поток, свободно текущий без всякого сопротивления. Электроны, слившиеся в коллектив, перестают взаимодействовать с атомами вещества. Так образуется ток сверхпроводимости, текущий внутри вещества, как в пустом пространстве, но не выходящий в окружающее пространство.

Это удивительное явление до сих пор поражает воображение учёных, до сих пор с трудом переводится на общедоступный язык образов и аналогий.

Такое состояние электронов неустойчиво и капризно. Если постепенно нагревать сверхпроводник, то атомы начнут колебаться сильнее и при той же температуре, при которой возникла сверхпроводимость, они снова разобьют сверхтекучую жидкость на отдельные электроны, которые будут в одиночку с трудом пробираться в металле.

Но сверхпроводимость исчезает не только при увеличении температуры. Ещё в 1913 году Каммерлинг-Оннес обнаружил, что состояние сверхпроводимости разрушается под влиянием сильных магнитных полей и больших электрических токов. Это была ещё одна загадка.

Продолжая изучать сверхпроводимость, то есть полное исчезновение сопротивления электрическому току, Каммерлинг-Оннес пришёл к дерзкому умозаключению: значит, решил он, стоит возбудить электрический ток в кольце из сверхпроводника, и этот ток будет течь вечно!

Но как этого достичь? Ведь у кольца нет концов, к которым можно присоединить источник тока.

Исследователь призвал на помощь хорошо известное явление электрической индукции: электрический ток в кольце можно возбудить, изменяя величину магнитного поля, проходящего через это кольцо.

Он поместил кольцо, изготовленное из металла, способного к сверхпроводимости, в криостат, расположенный в поле электромагнита. Затем он пустил сквозь электромагнит электрический ток. Возникшее магнитное поле породило электрический ток в кольце. Но при комнатной температуре кольцо обладало сопротивлением. Поэтому ток в нём быстро прекратился.

Затем Каммерлинг-Оннес налил в криостат жидкий гелий. Кольцо стало сверхпроводящим. Теперь можно было выключить электромагнит. Исчезая, его магнитное поле снова возбудило в кольце электрический ток. Но теперь, когда кольцо обладало сверхпроводимостью, ток в нём должен был течь вечно.

Как в этом убедиться? Достаточно поднести компас. Его стрелка повернётся под действием магнитного поля, порождённого током сверхпроводимости. Много позже было установлено, что сопротивление сверхпроводника меньше чем 10–20 ома на сантиметр длины (10–20 — это единица, делённая на сто миллиардов миллиардов).

В 1924 году Каммерлинг-Оннес пошёл дальше: он соединил в кольцо два различных материала, способных переходить в сверхпроводящее состояние, и начал их охлаждать. Когда была достигнута критическая точка перехода к сверхпроводимости одного из полуколец, возбудить в кольце незатухающий ток не удалось. Этому мешало сопротивление второго полукольца. Но при дальнейшем охлаждении, при переходе критической точки материала второго полукольца, незатухающий ток удалось возбудить так же легко, как в кольце, изготовленном полностью из одного материала. По способности к сверхпроводимости различные материалы не различаются между собой, если температура опускается ниже самой низкой из критических температур сравниваемых материалов. Ещё один шаг к знанию и пониманию законов царства холода, мостик между металлами и сплавами.

Немецкий физик В. Ф. Мейснер в 1923 году основал в Берлине криогенную лабораторию. Он сумел открыть много сверхпроводящих металлов и сплавов. В 1932 году он вместе с Р. Хольмом подробно изучил исчезновение контактного сопротивления между двумя металлами, когда оба они становятся сверхпроводниками. Учёные работали очень тщательно и обеспечивали полное отсутствие слоёв окислов в месте контакта. Они должны были пожалеть об этом через тридцать лет, когда английский студент Б. Ю. Джозефсон сделал удивительное предсказание. Но об этом позже.

В 1933 году В. Мейснер вместе с Р. Оксенфельдом продолжили изучение открытого Каммерлинг-Оннесом процесса разрушения сверхпроводимости сильным магнитным полем. Оказалось, что вещество, переходя в сверхпроводящее состояние, выталкивает из себя магнитное поле, если это поле меньше того, критического, которое, как показал за двадцать лет до того Каммерлинг-Оннес, разрушает сверхпроводимость. Это поразительное явление, названное эффектом Мейснера, стало ещё одной из загадок сверхпроводимости.

Итак, странное поведение гелия и металлов при низких температурах имеет общие корни. Явления сверхтекучести и сверхпроводимости очень схожи по своему механизму и подчиняются близким квантовым законам. Так же как сверхтекучая жидкость при низких температурах без всякого трения проходит через самые узкие щели, так и электронная жидкость в металле — электрический ток — свободно, без трения, просачивается через «щели» между атомами и молекулами.

В 1958 году голландский физик X. Казимир, который в 1933 году вместе с С. Гортером на основе термодинамики создал первый вариант теории сверхпроводимости, с сожалением констатировал: «В настоящее время объяснение явления сверхпроводимости остаётся вызовом физику-теоретику».

Но вызов этот физики приняли уже тогда. Над проблемой сверхпроводимости размышляли английский учёный Фрелих, американцы Бардин, Купер и Шриффер, австралийцы Шаффрот, Батлер и Блат… Советскую группу по «борьбе» с тайной сверхпроводимости возглавлял математик академик Боголюбов, любимой областью которого стало применение математики к преодолению загадок физики.

В тот момент, когда Казимир произнёс свою полную горечи фразу, под загадкой сверхпроводимости подводилась черта. Полувековая тайна доживала последние часы. Но сдавалась она не без боя.

ШАГ ЗА ШАГОМ

Ещё в 1950 году англичанин Г. Фрелих наметил путь решения проблемы сверхпроводимости. Он понял причины странного поведения электронов в металле близ абсолютного нуля. Он догадался, что сверхпроводимость обусловлена взаимодействием электронов с колебаниями решётки металлов, с фононами (элементарными долями звука), и составил уравнение, содержащее, по его мнению, путь к решению задачи, но…решить его не сумел. Хотя, надо подчеркнуть, он высказал ряд правильных гипотез о природе математических трудностей.