Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Можно представить себе, с каким волнением учёные приступили к опыту. Кристалл закиси меди погружён в криостат. Криостат заполнен жидким гелием. Движения атомов в кристалле ослабевают, они как бы замерзают, погружаются в зимнюю спячку. Кривко включает генератор радиоволн. Радиоволны легко проникают сквозь кристалл, практически не поглощаясь им. Затем он включает ток, проходящий через обмотку огромного электромагнита, и медленно увеличивает его силу. Магнитное поле постепенно увеличивается до 1000, 2000, 3000 эрстед…
Исследователи внимательно следят за приборами, готовясь уловить момент, когда мощность радиоволн резко упадёт. Это будет значить, что электроны в кристалле затанцевали, отобрав энергию, нужную для своего танца, у радиоволн.
Напряжённость магнитного поля достигла уже 3500 эрстед, но поглощения радиоволн в кристалле всё ещё не наблюдается.
Если бы при этом присутствовал посторонний наблюдатель, знающий лишь, что поглощение, связанное с танцем электронов, должно наблюдаться при поле около 2300 эрстед, он пришёл бы в волнение. Но учёные спокойны. Они вновь уменьшают ток в обмотке электромагнита, и магнитное поле убывает до нуля. Это был контрольный опыт: при температуре 4,2° выше абсолютного нуля в закиси меди слишком мало свободных электронов, чтобы можно было наблюдать поглощаемую ими энергию. Их танец не заметен.
Учёные зажигают яркую электрическую лампу и при помощи системы линз направляют её свет сквозь стенки стеклянных сосудов и сквозь жидкий гелий на кристалл закиси меди. Лучи света выбивают из атомов кристалла электроны, которые начинают беспорядочно двигаться внутри него. Теория предсказывает, что при этом должны возникать и таинственные поляроны.
Разговоры стихают. Все настораживаются. Вновь плавно возрастает сила тока в обмотке электромагнита, и вдруг… Когда поле достигает 2350 эрстед, приборы показывают сильное поглощение радиоволн.
Губанов быстро проводит расчёт. Ему ясно, что это заплясали электроны, выбиваемые светом.
Ток в обмотке электромагнита продолжает возрастать. Теперь волнуются и учёные. Спокойны лишь приборы. Стрелка амперметра — указателя силы тока — медленно движется вправо. Сила тока непрерывно увеличивается. Но стрелка прибора, показывающего поглощение радиоволн, всё ещё неподвижна — поглощение прекратилось.
Медленно идёт время, медленно возрастает магнитное поле — 4000 эрстед, 5000… 10 000. Почему же нет поглощения? 15 000 эрстед… 17… 18… 19…
Внимание! Теория говорит: ожидай здесь! Если в закиси меди есть поляроны, поглощение радиоволн близко. 19 500 эрстед… Победа! Поглощение радиоволн возросло, плавно увеличилось и, достигнув максимума при 19 600 эрстед, вновь уменьшилось.
Так был впервые обнаружен подвижный полярон с массой, в 6 раз превышающей массу электрона. Но теория требовала продолжения опыта. И действительно, при 21 600 эрстед был обнаружен ещё один максимум поглощения радиоволн, соответствующий полярону, масса которого не в 6, а в 6,6 раза больше массы электрона.
Хотя учёные и дальше увеличивали силу тока, достигнув напряжённости магнитного поля огромной величины — в 30 000 эрстед, новых максимумов поглощения радиоволн не возникало.
Два максимума поглощения, наблюдавшиеся во время опыта, были вызваны двумя типами поляронов. Один из них был порождён электронами, другой, как это ни парадоксально, — отсутствием электронов, или, как говорят учёные, дырками. В соответствии с предсказанием теории массы обоих типов поляронов несколько различались.
Так, в Физико-техническом институте, в Ленинграде, в 1959 году впервые наблюдался движущийся полярон — квазичастица, дотоле скрывавшаяся от физиков-экспериментаторов.
Ещё раньше там же несколько иным способом, но тоже с помощью тонкого и сложного эксперимента в условиях низких температур изучались свойства другой, не менеё своеобразной квазичастицы.
Речь идёт об экситоне, свойства которого предсказал видный советский физик Я. И. Френкель. Он предположил и подтвердил теоретическими расчётами, что атомы и ионы в кристаллической решётке в некоторых случаях, поглощая свет, переходят в особое возбуждённое состояние. Поглотив свет, атом, подобно заряженному ружью или натянутому луку, может длительное время сохранять избыточную энергию. Более того, строй атомов, образующих решётку кристалла, может по цепочке передавать друг другу эту энергию подобно тому, как если бы по шеренге солдат передавалось заряженное ружье. Так внутри кристалла от одного узла решётки к другому передаётся избыточный запас энергии — то, что было названо экситоном.
Если за поляроном учёные охотились пятнадцать лет, то экспериментальные поиски экситона отняли у них ненамного меньше времени. И здесь одним из камней преткновения была, во-первых, невозможность «опознать» экситон прямым путём, и, во-вторых, снова мешало тепловое движение атомов кристалла, которое нарушало регулярный процесс передачи экситона от атома к атому, усложняло его, мешало рассмотреть детали.
Только благодаря проведению сложного эксперимента в условиях сверхнизких температур, когда замирают атомы, учёные доказали, что и экситон Френкеля — реальное состояние молекул в кристалле.
…Вы идёте по лесу и не можете налюбоваться его летним нарядом, наслушаться весёлых птичьих песен. Вокруг всё цветёт, живёт, дышит, напоённое теплом.
А зимой, повторяя тот же маршрут на лыжах, вы находите не менее прекрасный, но совершенно другой мир. Поёживаются от холода деревья, одетые в пушистые снежные шапки. Там, где летом нежно журчал ручей, потрескивает сковавший его лед.
«Хорошо, красиво, — думаете вы, растирая озябшие руки, — но холодно…»
Есть на Земле места, где царит такой мороз, что человек, без предосторожности вдохнувший глоток воздуха, моментально застудит лёгкие. За минуты на таком морозе унты становятся твёрдыми, жидкое топливо становится вязким, железо делается хрупким, а обычная резина разваливается на мелкие куски…
Как люди могли не задуматься над причиной изменения привычных свойств веществ? Как могли не попытаться разузнать что-либо о законах, правящих в царстве Деда Мороза, о том, что может принести он в дар человеку не в призрачном мире сказки, а в реальной действительности?
А можно ли достичь абсолютного нуля? Можно ли отобрать от частиц вещества всю их тепловую энергию? Наука отвечает на этот вопрос отрицательно. Можно сколько угодно близко подойти к абсолютному нулю температуры, когда до него останутся лишь тысячные доли градуса, но достичь его невозможно. Причиной этому является неотъемлемое внутреннеё движение, присущее материи. Это движение связано с запасами внутренней энергии, полностью уничтожить которые невозможно. Даже в самом пустом пространстве всегда присутствует энергия электромагнитных полей. А вследствие неизбежных связей, существующих между частицами и полями и между отдельными частицами, эти запасы энергии будут переходить в нулевую, остаточную энергию, препятствующую абсолютной неподвижности, а следовательно, и достижению абсолютного нуля температуры.
Достичь абсолютного нуля невозможно, но на пути к нему учёные уже, как вы знаете, встретились с рядом неожиданных, поразительных фактов. Несомненно, много замечательных открытий ещё лежит в неисследованных далях этого пути.
За последние десятилетия рухнула не одна крепость царства мороза. Образовалась целая область науки — физика низких температур. В середине нашего века мы стали свидетелями рождения физики сверхнизких температур. Так учёные называют область, лежащую между десятой долей градуса и абсолютным нулём.
Многие лаборатории мира уже чувствуют себя как дома на этом абсолютном полюсе холода. Здесь особенно удобно исследовать тонкие особенности строения ядер, силы, приводящие к соединению атомов в причудливые конструкции решёток кристаллов, и многие явления, маскируемые тепловым движением материи.
Обнаружив новое явление, поначалу полное таинственности, экспериментаторы обычно не торопятся с выводами и с нетерпением ожидают, что же скажет по этому поводу теория. А бывает и так. Теория предсказывает новый эффект, новое явление, какое-то неожиданное свойство знакомого вещества, но эксперимент столь сложен и тонок, что проходит немало времени, прежде чем утверждения формул получат воплощение в жизни.
Сложная теория и тончайшая, ювелирная точность техники эксперимента — вот особенности этой области физики. Она обогащает не только наши знания о природе веществ, но уже даёт и практический выход.
Охота за тайнами низких температур в полном разгаре.
ПОЧЕМУ ВОЗНИКАЕТ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ?На предыдущих страницах мы познакомились с историей сверхпроводимости. Замечательным открытием, порождённым извечной любознательностью человека.
