Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Почему же эта статья привела массы учёных в непривычное возбуждение?
Они узнали, что после многих лет медленного продвижения в глубь низких температур наконец совершён скачок. До того все исследования сверхпроводящих материалов, все практические применения сверхпроводников требовали охлаждения их жидким гелием. А это –269 °C. Литр жидкого гелия стоит около десяти рублей. Ещё совсем недавно приходилось платить за него много дороже, да и для его получения требуется чрезвычайно дорогое оборудование.
В шестидесятых годах в результате изучения свойств множества сплавов и соединений удалось продвинуться в самое начало зоны температур, получаемых при помощи жидкого водорода. Но водород, как известно, взрывоопасен, поэтому никто не думал о широком применении «водородных сверхпроводников» (так лабораторный жаргон окрестил материалы, становящиеся сверхпроводниками при температурах, превышающих температуру кипения жидкого водорода — 252 °C).
Но этот путь оборвался в 1973 году, когда были получены тонкие плёнки из соединения трёх атомов ниобия с одним атомом германия. Они становились сверхпроводящими при –249,96 °C, но получить из этого соединения сверхпроводящие проволочки не удалось.
И вот после тринадцати лет тщетных поисков скачок на 8 градусов выше температуры кипения неона: — 245,86 °C.
Неон, как и гелий, является инертным газом. Значит, он в отличие от водорода не взрывоопасен. Стоимость его получения меньшая, чем у гелия. Он отбирает от охлаждённого предмета много больше тепла, чем гелий. Значит, неон во всех отношениях более доступный и более эффективный хладагент, чем гелий.
Но не только это было причиной ажиотажа вокруг статьи Беднорца и Мюллера. Дело в том, что речь в ней шла не о металле или сплаве, а о сверхпроводящей керамике!
Конечно, сверхпроводящие керамики были известны учёным и ранее. Их интенсивно изучали, отыскивая среди них те, которые становились сверхпроводящими при всё более высокой температуре. Рекорд был поставлен в 1974 году, когда удалось изготовить керамику, превращающуюся в сверхпроводник при температуре –260 °C. Но он существенно, на 10 °C, уступал рекорду, достигнутому тонкой плёнкой из соединения ниобия и германия, упомянутого выше.
Физики готовились к неожиданному. Но никто не предполагал, что прорыв в зону жидкого неона будет совершён при помощи керамики. Ведь этот скачок по сравнению с рекордом, достигнутым для керамики раньше и продержавшимся 12 лет, составил сразу 22 °C!
Ни одна из теорий сверхпроводимости не могла предсказать подобной возможности. И ни одна из них не может и теперь объяснить, почему это произошло!
Но не вооружённые теорией экспериментаторы продвинулись ещё дальше на пути исследования всё новых типов керамики. Они уже преодолели важный температурный рубеж и уверенно работают в «зоне жидкого азота», при температурах, превышающих температуру его кипения: –195,8 °C.
Более того, в лабораториях учёные получают сверхпроводимость, охлаждая новые керамики всего до –20 °C! Правда, эти материалы ещё не стабильны.
Всё же энтузиазм и оптимизм учёных позволяют считать, что в недалёком будущем удастся изготовить материалы, приобретающие и сохраняющие способность к сверхпроводимости при комнатной температуре. Для таких материалов не будет нужды в охлаждении. Электрические кабели, изготовленные из них, смогут отлично работать в самых жарких странах, если их закопать в грунт на глубину 1,5–2 метра, где температура никогда не повышается выше 10–15 °C.
Мощные генераторы электрического тока и электродвигатели станут компактными и лёгкими. Их габариты при сверхпроводящих обмотках должны определяться только прочностью вращающейся оси и деталей ротора и статора, необходимых для передачи механических нагрузок. В жарких странах и в горячих цехах, возможно, придётся использовать обычные кондиционеры. Они станут излишними лишь тогда, когда удастся создать материалы, не теряющие сверхпроводимости и при повышенных температурах.
Выдающиеся научные достижения всегда возникают вдруг, но внезапные прорывы порождаются предшествующим систематическим развитием идей и накоплением знаний, полученных в практической деятельности людей или из специально поставленных экспериментов. Попытаемся проследить путь, приведший к овладению тайной высокотемпературной сверхпроводимости.
КТО ВИНОВАТ?Странный случай, происшедший на одном из складов военной амуниции в Петербурге полтора столетия тому назад, можно, пожалуй, считать началом этой истории.
Как и всякий военный склад, этот тоже тщательно охранялся. Тем не менеё партия новеньких солдатских шинелей с победоносно поблескивающими оловянными пуговицами была приведена в негодность и представляла печальное зрелище. Шинели были перепачканы каким-то серым неприятным веществом, а пуговицы исчезли.
Виновник загадочного происшествия так и не был найден, хотя занимались расследованием не только следователи, но и Петербургская академия наук. Злодейству оловянной чумы было посвящено не одно её заседание. Тайна олова долго не давала спать седовласым учёным и чуть не подорвала престиж тогдашней науки.
А затем последовал ещё ряд событий, казалось, не связанных между собой.
В начале нашего века, отмеченного целым рядом героических попыток дорисовать карту Земли, к берегам Антарктиды направились экспедиционные корабли Роберта Скотта. Они подходили всё ближе и ближе к таинственной земле. Мороз мешал людям дышать и двигаться. Начались приготовления к высадке, как вдруг путешествие оборвалось самым неожиданным образом. Случилось то, что никогда ещё не случалось ни с одним кораблём в мире: развалились баки с горючим. Со швов сыпалась, как штукатурка, оловянная пайка.
Слух об этом происшествии тоже достиг высоких учёных собраний и стал предметом ожесточённых споров, предположений, догадок. Но объяснение в то время так и не было найдено. Оловянная чума сеяла панику. Она разгуливала по складам, и вместо аккуратных брусочков белого металла в них находили груды грязно-серого порошкообразного вещества, неведомо откуда взявшегося.
Однако инфекция была разборчива. Она посещала не все склады, а выбирала лишь неотапливаемые, как бы подстерегала момент, когда олово оказывалось на холоде, и набрасывалась на него.
Тайной оловянной чумы всерьёз занялись учёные. Это было не менеё увлекательно, чем чтение детективных романов.
СОЛНЕЧНЫЙДо 1868 года его не видел ни один человек. Никто его не знал и ничего о нём не слышал.
Впервые его присутствие было обнаружено на Солнце. Он оставил следы в солнечном спектре. Их нашли сразу два астронома — француз П. Жансен, которому пришлось для этого совершить путешествие в Индию, и англичанин Н. Локьер, не думавший покидать Лондон.
Каждый из них тотчас сообщил о необыкновенных следах в Парижскую академию наук. И письма эти пришли в один и тот же день, что немало позабавило академиков. В честь этого удивительного события они даже заказали золотую медаль. Её украшали портреты Жансена, Локьера и бога Солнца Аполлона, восседающего на колеснице.
Вещество, найденное на Солнце, Локьер назвал именем Солнца — гелий.
Гелий увидели на расстоянии в 150 миллионов километров от Земли, и он ещё долго никого не подпускал к себе на более близкое расстояние. Но прошло 25 лет, и английскому учёному Джону Уильяму Рэлею удалось запереть его в колбу в собственной лаборатории. Однако учёный вначале даже не подозревал, кто его пленник.
Просто Рэлей хотел восполнить пробел, существовавший в «статистическом ведомстве» химии. Он решил точно измерить удельный вес всех известных химикам газов. На до было положить конец неразберихе, которая возникла из-за грубых, приближённых измерений.
Рэлей взял самые точные весы и без помех, не торопясь тщательно взвесил водород, потом кислород и занялся азотом, добыв его из воздуха. Веса газов он определил очень точно, вплоть до четвёртого знака после запятой. И был вполне доволен своей работой. Но чтобы ещё раз убедиться в правильности измерений, Рэлей стал снова измерять веса тех же газов, но добытых другим способом.
Так он проверил удельный вес водорода, кислорода и снова занялся азотом. Однако на этот раз добыл его не из воздуха, а из аммиака.
И тут работа застопорилась. Литр азота, добытого из аммиака, почему-то был легче, чем литр азота, взятого из воздуха! Меньше на пустяк, не хватало каких-то 6 миллиграммов. И всё же эта разница заставила Рэлея потрудиться. Сколько ни повторял он взвешивание, вес литра азота из аммиака не совпадал с весом, определённым первоначально. Ничтожный, блошиный вес не давал исследователю сдвинуться с места.
Рэлей был не таким учёным, который может отмахнуться от факта.
Он начал добывать азот из самых различных химических соединений и каждый раз заново его взвешивал. И удивительно: все веса совпадали с весом азота, добытого из аммиака. Воздушный азот был самым тяжёлым!
