Проклятые вопросы

Прежде чем возвратиться к сверхпроводимости, ещё несколько слов о сверхтекучести. Недавно ею занимались многие физики.

Э.Л. Андроникашвили, избранный впоследствии действительным членом Академии наук Грузинской ССР, изучал свойства вращающегося гелия. Гелий остаётся верным себе. Он и вращается не как другие жидкости. Если очень закрутить его, он начинает вести себя уже не как жидкость, а как упругое тело. Отдельные слои становятся упругими жгутами, которые упираются и противятся вращению. Учёный упорно искал отгадку очередного фокуса квантовой жидкости.

А.И. Шальников, позже ставший академиком, чтобы изучить взаимодействие нормальной и сверхтекучей частей жидкого гелия, «подкрашивал» его электронами. По их движению он надеялся проследить за отношением этих двух разных жидкостей.

Доктор физико-математических наук В. П. Пешков обнаружил «второй звук» в гелии, предсказанный теорией Ландау. Оказалось, что, кроме обычного звука, представляющего собой волны сжатия и разрежения, в сверхтекучем гелии возможны незатухающие тепловые волны, названные Ландау вторым звуком.

Что бы вы сказали, если бы обнаружили, что вода в чайнике никак не нагревается даже при сильном огне? Сам чайник уже раскалён, а вода в нём ещё холодная. Нечто подобное обнаружил Капица ещё в далёкие дни первых опытов с гелием.

Объяснить это странное явление удалось лишь ученику Ландау, доктору физико-математических наук И. М. Халатникову, тоже ставшему академиком. Оказывается, жидкий гелий нагревается вовсе не так, как вода в чайнике — от соприкосновения с его стенками. Гелий нагревают неслышимые звуковые волны, исходящие от стенок сосуда при их нагревании. А процесс этот и не быстрый и не такой уж эффективный…

Так, шаг за шагом, учёные разоблачали тайны необычного характера гелия.

Много интересных явлений предсказали в области низких температур и экспериментально подтвердили московские физики: действительные члены Академии наук СССР А. А. Абрикосов, В. Л. Гинзбург, И. Я. Померанчук, Е. М. Лифшиц и многие другие. Но и их работами далеко не исчерпываются исследования всех замечательных и многообразных явлений, связанных со сверхтекучестью гелия.

Кстати, за свои работы, сделанные в 50-е годы, Гинзбург и Абрикосов получили Нобелевскую премию в 2003 году! Гинзбургу было уже 87 лет …Абрикосов уже много лет работал в Америке…

Куда же привёл учёных след сверхпроводящих металлов? Туда же, куда и след гелия. Причины сверхтекучести гелия и сверхпроводимости металлов оказались чрезвычайно близкими.

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.