Ирина Радунская - Проклятые вопросы

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.

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.