Столетия люди стремились к Северному и Южному полюсам Земли, самоотверженно преодолевая холодные, безжизненные пространства. Тайны этих полюсов уже раскрыты. А вот в «холодных» странах, вся территория которых умещается в лабораторных аппаратах для получения температур, близких к абсолютному нулю, остаётся ещё много «белых пятен» неизвестного. Одно из них недавно было стёрто А. И. Шальниковым, заведующим лабораторией Института физических проблем, членом-корреспондентом Академии наук СССР. Ему присуждена Сталинская премия за экспериментальные исследования сверхпроводимости.

Вся современная электротехника, всё сложнейшее электрохозяйство городов и заводов покоятся на свойстве металлов хорошо проводить электрический ток. Известно, что провода обладают также сопротивлением: если, например, слишком перегрузить домашнюю сеть, тускло станут гореть лампы, а провода нагреются, распространяя зловещий запах тлеющей изоляции. Есть, однако, условия, при которых электрическое сопротивление металлов загадочно исчезает и они становятся сверхпроводящими. Это происходит при температуре, приближающейся к 273,16 градуса ниже нуля по Цельсию.

В 1744 году М. В. Ломоносов в своём труде «Размышления о причине теплоты и холода» писал о «наибольшем градусе холода» - самой низкой в природе температуре. «Наибольший градус холода» теперь называется «абсолютным нулём».

Температура и движение - неразрывно связанные понятия. При высокой температуре атомы всех тел движутся быстрее. Чем ниже температура, тем медленнее движение атомов. Опускаясь по «шкале холода» вниз, мы, в конце концов, должны наткнуться на точку, дальше которой нет пути: здесь прекращается движение атомов, и в этом мёртвом царстве должна установиться температура абсолютного покоя - абсолютный нуль.

Почему эта замечательнейшая точка на шкале температур отмечена минус 273,16 градуса?

Температура абсолютного нуля была вычислена теоретически задолго до того, как люди смогли приблизиться к ней хотя бы на одну треть бесконечно трудного пути. С нагреванием на каждый градус объём газа при неизменном давлении увеличивается на 1/273 часть его объёма при нуле Цельсия. Если газ охлаждать, его объём соответственно уменьшается и при температуре минус 273 градуса, точнее 273,16, должен был бы стать равным нулю. Нужно, впрочем, сказать, что ещё задолго до достижения температуры минус 273 градуса газы перестают быть газами и превращаются в жидкость.

Достижение температуры, близкой к абсолютному нулю, сделалось одной из важных задач физики, когда учёные заметили, что в их «лабораториях холода» происходят чудесные превращения различных тел. Некоторые металлы лишаются электрического сопротивления. Жидкий кислород приобретает магнитные свойства, магнитными становятся сплавы, которые в нормальном состоянии не влияют даже на легчайшую магнитную стрелку. Ртуть обращается в твёрдый металл. Цветы и фрукты делаются такими хрупкими, что от одного удара рассыпаются в мельчайший порошок. Резина теряет все свои ценные качества: мягкость, эластичность. Появляется жидкость, обладающая фантастическими свойствами: она совершенно не имеет вязкости и проходит сквозь щели, не испытывая никакого трения.

В самом холодном месте мира - в межзвёздном пространстве - температура опускается только до минус 270 градусов. В лабораториях уже в 1908 году удалось получать температуру минус 268,96 градуса. Почти двадцать лет понадобилось, чтобы опуститься в царство холода ещё на 3,5 градуса. После достижения температуры минус 272,46 градуса началась многолетняя борьба за каждую сотую долю градуса.

Основным способом получения очагов чрезвычайно низких температур является «отсасывание» тепловой энергии из охлаждённого газа при помощи его внезапного и сильного расширения. Расширяясь, газ совершает работу, которая, как и всякая работа, требует расхода тепла. Так как этого тепла газ во время лабораторных опытов извне не получает, он принуждён расходовать своё собственное, внутреннее тепло и охлаждается всё больше и больше.

Спуск в царство холода был трудным и опасным. Не так давно крыши «лабораторий холода» изготовлялись из лёгкого дерева, чтобы постоянные взрывы, происходившие во время опытов, причиняли меньшие разрушения. Тончайшие приборы всё время следили за тем, чтобы из аппаратов не просачивались газы, образующие взрывчатые смеси.

Учёные нашей страны идут во главе исследователей веществ при температуре, очень близкой к абсолютному нулю. У нас открыто замечательное свойство сверхтекучести гелия при температуре, отделённой от абсолютного нуля только на 2,19 градуса. Эта чудесная жидкость не имеет вязкости и сквозь самые тончайшие отверстия проходит без трения. У нас открыт второй звук, возникающий в сверхтекучем гелии, который распространяется в двенадцать с половиной раз медленнее обычного звука. Блестящие теории, построенные академиком Л. Ландау, открыли новую главу в исследованиях абсолютного нуля.

А. И. Шальников уже пятнадцать лет работает в этой области физики. Одна из его интереснейших работ посвящена исследованию сверхпроводимости металлов. Очень странный эффект сверхпроводимости был случайно обнаружен около сорока лет назад одним учёным, который хотел просто измерить сопротивление золота и ртути при температуре межзвёздного пространства. Он вдруг увидел, что с приближением к температуре, которую в дальнейшем назвали критической, электрическое сопротивление ртути исчезает с катастрофической скоростью, словно вода из разбитого сосуда, пока вовсе не пропадает, так что даже самые идеальные приборы не могут обнаружить его следов.

Учёные постепенно открыли, что сверхпроводниками могут стать цинк, алюминий, индии, свинец, ванадий, олово, тантал и некоторые другие металлы.

«Электричество и магнетизм, образующие такую же пару близнецов, как теплота и свет, не только переходят друг в друга, но переходят и в теплоту и в свет, а также в механическое движение», - писал Ф. Энгельс в «Диалектике природы». Изучением поведения этой пары близнецов в металле, подвергающемся действию предельно низких температур, и занимается А. И. Шальников.

Тонкий эксперимент в царстве холода открыл, что сверхпроводящий металл выталкивает из себя недостаточно сильное магнитное поле, пронизывавшее проводник, пока он не приобрёл чудесного качества сверхпроводимости.

Весьма сильные магнитные поля полностью разрушают сверхпроводимость. Наконец, при некоторых промежуточных значениях магнитных полей магнитные силовые линии вытесняются частично. Учёные предполагали, что при этом металл находится в новом, промежуточном, состоянии, отличном от нормального и сверхпроводящего состояний.

Л. Д. Ландау теоретически доказал, что металл, находящийся в промежуточном состоянии, на самом деле состоит из чередующихся сверхпроводящих и нормальных слоев. Магнитное поле существует в нормальных слоях и равно нулю в сверхпроводящих.

Это теоретическое проникновение в толщу металла при температуре межзвёздного пространства имеет для науки огромное значение. Но каждая научная теория требует доказательств на опытах. Задача казалась фантастической: толщина слоев металла в промежуточном состоянии измеряется долями миллиметра, и они не отличаются друг от друга никакими внешними структурными признаками, а у самой поверхности тела сверхпроводящие и нормальные слои так размельчены и смешаны, что разобраться в их путанице совершенно невозможно.

Следовательно, какие-либо измерения снаружи не обнаружили бы слоистого строения металла, нужно было вести измерения внутри металла. Но как это сделать?

Теоретические предпосылки и многочисленные лабораторные опыты позволили всё-таки найти правильный путь. Для опытов был взят сверхпроводящий шар, разрезанный на две половины. Оказалось, что при очень маленьких расстояниях между половинками шара, измеряемых микронами - тысячными долями миллиметра, - такой разрезанный шар ведёт себя так же, как и целый. Между этими полушариями, стывшими при температуре, близкой к абсолютному нулю, и открылось широкое поле для исследований А. И. Шальникова.

• Страницы:
• 1
• 2
• следующая

Представьтесь или зарегистрируйтесь, чтобы участвовать в обсуждении.