Вблизи абсолютного нуля

Пятьдесят лет поисков

Пятьдесят лет назад, когда ученые уже подобрались к абсолютному нулю, они натолкнулись на одно загадочное явление. Вы видите, какой это необычайный мир — Мир Сверххолода. Кругом подстерегает путешественника Необычайное, Невероятное!

В отличие от чудес жидкого гелия, это явление уже нашло практическое применение. Но ученые сначала научились им пользоваться, а потом уже объяснили.

Существуют два раздела физики, необычайно тесно связанные друг с другом. Это — электричество и магнетизм. И связь явлений электрических магнитных особенно поразительна как раз вблизи абсолютного нуля.

Уже более ста лет пользуются люди чудесной электрической энергией. Вот тут уж действительно перед нами самый мощный, самый мудрый, самый нужный помощник человека. Без электрической энергии мы бы ничего не смогли делать. В любых делах человека — дома, на работе, на отдыхе — помогает электричество. Даже на космических ракетах, на спутниках Земли стоят маленькие электрические батареи и аккумуляторы, которые питают межпланетные корабли и искусственные спутники электрической энергией.

Пока что энергия электрическая самая удобная, самая распространенная. Ее можно передавать на любые расстояния, делить на части, соединять и даже заготовлять впрок, правда, в небольших количествах.

Когда мы включаем свет, в нашу лампу попадает электрический ток. Ток прекратится, когда станция перестанет подавать электрическую энергию или когда мы снова щелкнем выключателем и разомкнем электрическую цепь.

Батарея карманного фонаря питает маленькую лампочку. Если фонарь перестает работать, вы говорите: «Скисла батарея» и идете покупать новую. Электрический ток сразу же прекращается, если разрядится батарея, перестанет работать электростанция, произойдет разрыв в линии электропередач.

Почему же так получается?

В каждом проводнике имеются носители электричества — электроны. Это тоже атомные частицы. В атомах они обычно тесным роем окружают ядра, вращаются вокруг него. Но в проводниках часть электронов — свободная. Ведут они себя, как молекулы в газе. Их так часто и называют — «электронный газ». Это название точное. Ведь внутри проводника электроны свободно носятся во все стороны, не связанные ничем. Им не удается лишь выбраться наружу, выскочить из провода. Так же чувствуют себя и молекулы обычного газа, подлетая к стенкам сосуда, в котором расположился газ.

Когда мы включаем на электростанции рубильник или подсоединяем к лампочке карманного фонаря батарею, мы создаем электронам особые условия. В проводнике появляется электрическое поле. Вокруг Земли есть поле тяготения. Все предметы поэтому приближаются к Земле, падают вниз, если это можно. Электрическое поле действует на электрические частички — электроны, гонит их вперед. При токе переменном электроны бросаются то в одну сторону, то в другую. А при токе постоянном перемещаются с одного конца проводника к другому.

Но путешествовать электронам не так-то просто. На пути встречаются другие электроны и атомы металла, и электронам приходится преодолевать их сопротивление. Чем сопротивление меньше, тем меньше потери электрической энергии в проводах.

Когда издалека ведут линию передачи электроэнергии, провода делают очень толстыми, чтобы сопротивление уменьшить. Тогда в пути от электростанции к потребителям электрическая энергия не растратится зря.

У всякого проводника определенное сопротивление. Правда, оно зависит от температуры. Но не очень сильно. Заметим еще одно. Чем сопротивление меньше, тем больший ток потечет по проводнику.

Вот теперь перейдем к магнетизму.

Магнитную стрелку знает каждый. И электромагнит тоже каждый видел. Ничего таинственного в этих предметах нет. Компас указывает нам страны света. А почему? Почему магнитная стрелка упорно становится в одном направлении? Потому, что она попадает в магнитное поле Земли. Так отвечает вам учебник.

Земля — магнит. Это свойственно далеко не всякой планете. Вот, например, у Луны нет магнитных свойств.

Это установила наша лунная ракета. Нет сильного магнитного поля и у нашей соседки — Венеры, определил недавно американский космический корабль «Маринер-2».

Вокруг всякого магнита имеется магнитное поле. По этому полю и узнают, является ли планета магнитом. Видите, сколько разных полей может существовать в природе. Поля тяготения, электрическое, магнитное. Компас нам указывает, как на Земле расположено магнитное поле, где Северный полюс, а где — Южный. Вот на Луне путешественникам придется потруднее. Вынимаем компас. Но не тут-то было! Стрелка компаса «гуляет» в разные стороны, как хочет. Магнитного поля у Луны нет. Придется находить путь другими способами.

В магнитном поле некоторые металлы, например железо, сами становятся магнитами. Магнитная стрелка — тоже маленький магнит. Ее магнитное поле сталкивается с магнитным полем Земли. И стрелка становится в такое положение, чтобы эти поля друг другу не мешали. Кроме магнитов природных, существуют магниты искусственные. Например, электромагниты. В электромагните есть обмотка — провод, по которому течет электрический ток, и железный сердечник. Вокруг всякого проводника с током появляется магнитное поле, а железо его усиливает. Электричество и магнетизм вообще очень дружат. С помощью магнитного поля получают электрический ток. А там, где течет электричество, сразу же появляется магнетизм. Электромагниты используются буквально везде. Можно встретить громадные установки, с помощью которых перетаскивают тяжелые железные предметы. И малюсенькие электромагнитики, вроде тормоза детандера, машины для охлаждения газов.

Инженеры давно мечтали, как бы сделать сопротивление обмотки электромагнита поменьше. Тогда можно было бы изготовить особенно мощные электромагниты. Ток течет, а сопротивление ничтожно мало. Значит, ток будет очень большим. Раз ток большой, то и магнитное поле велико. А по размерам такой мощнейший магнит — фитюлька!

Вообще говоря, можно и сейчас сделать сопротивление обмоток электромагнитов маленьким. Но для этого придется сооружать их очень толстыми. Провода толстые, значит, велики размеры магнита. А инженеры хотят собрать все магнитное поле на очень маленьком участке. Чуть ли не в точке.

Вот это будет магнит! Но как его сделать?

И вдруг неожиданно у них появились надежды, что соорудить такой магнит можно. Пятьдесят лет назад голландский ученый Камерлинг-Оннес заметил, что вблизи абсолютного нуля при температуре жидкого гелия вдруг полностью пропало электрическое сопротивление ртути, с которой он экспериментировал. Пропало начисто, как будто его и не было. Заинтересованный ученый немного повысил температуру в своем криостате. Так же мгновенно появилось сопротивление.

Так была открыта сверхпроводимость — чудесный физический процесс. С ним теперь связано много разных технических проектов, еще недавно казавшихся чистой фантастикой.

Ученые начали исследовать различные проводники, искать у них это замечательное свойство.

Оказалось, что сверхпроводимость наступает у многих металлов. Только при разных температурах. Редкому металлу рутению подавай 0,46° К, то есть почти абсолютный нуль. А другие более податливы. Ученые создали специальные сплавы, для которых температуры перехода в сверхпроводимость сравнительно большие. Одно сложное соединение сурьмы с ниобием становится сверхпроводящим уже при 18° К. Это немного ниже точки кипения водорода. Даже гелия получать не надо. Достаточно чуть охладить жидкий водород — и вот тебе сверхпроводимость! Что же это такое — сверхпроводимость? Электрический ток в таком проводнике может идти сколько угодно, ведь никаких затрат энергии не происходит, сопротивления нет. Все равно что дать возможность автомобилю ехать по дороге без трения. Подтолкнуть его разок, а дальше можно и не беспокоиться. Сам поедет, трения нет, ничто его не остановит, только на гору не лезь!

Ученые взяли и проделали подобный опыт. Только не с автомобилем, конечно, а со сверхпроводимостью. Сделали из сверхпроводника маленькое колечко. Затем его надежно укрыли в криостате при температуре, когда должна наступить сверхпроводимость. В колечко пустили электрический ток. Подсоединили на минутку к батарейке, а потом ее отключили. В обычных условиях ток тотчас же исчезнет. А тут он шел несколько месяцев как ни в чем не бывало. И не пропадал, пока хватило терпения ученых. Вот когда настала пора радоваться инженерам, сооружившим электромагниты. Прямо в руки им шло открытие, которого они ждали. Теперь можно соорудить электромагнит со сверхпроводящими обмотками — мощнейший электромагнит. Так подумали инженеры. Ничего, что придется создавать теплоизоляцию, оберегать обмотки от внешнего тепла. Все окупится! «Вечный» ток, вечный электромагнит без всяких затрат энергии!

Но природу обмануть не так-то легко.

Создали инженеры первую модель электромагнита со сверхпроводящими обмотками. Сначала все шло хорошо. А потом вдруг сверхпроводимость пропала. Уменьшили ток, она появилась снова. Увеличили — и нет сверхпроводимости! Собственное магнитное поле, поле электрического тока — если оно сильное — ликвидирует сверхпроводимость!

Конструкторам электромагнитов как раз нужно большое магнитное поле. За него они и бились, хотели получить мощный магнит. Пришлось им отступиться от сверхпроводящих обмоток. А все это было так заманчиво!

Так написано в книгах, изданных до 1962 года. Совсем недавно физики все-таки совладали с коварным явлением. Нашли сплав, который сохраняет сверхпроводимость даже при очень сильных магнитных полях. А само это явление, когда сверхпроводимость то появляется, то пропадает, следуя за изменением магнитного поля, ученые научились использовать, да притом еще с большой пользой.

Так что нет худа без добра!

Ученые очень подробно исследовали интересные явления. Сверхпроводимость появляется в металле или сплаве сразу, почти мгновенно. Только наступила требуемая температура — и эффект налицо. Так же скачком сверхпроводимость и пропадает, когда тело немного нагреется, когда температура снова станет выше температуры перехода из проводящего состояния в сверхпроводящее.

Ликвидировать сверхпроводимость можно с помощью магнитного поля. Для каждого проводника поле свое собственное. Для одних хватит небольшого, другим — подавай мощное.

Магнитное поле может быть и внешнее, не обязательно свое собственное. Скажем, поднесем к криостату сильный магнит и ликвидируем сверхпроводимость… Однако и здесь не все просто. Сверхпроводящие металлы не пускают внешнее магнитное поле, не может оно пройти внутри проводника, пока не станет таким, что может ликвидировать сверхпроводимость. До тех пор сверхпроводящий материал отбрасывает это магнитное поле, не допускает его к себе!

Что касается магнитных свойств, то у некоторых сверхпроводников они оказываются необычайными — антиферромагнитными. Железо и несколько других веществ — ферромагнетики. Они очень сильно увеличивают магнитные поля. Недаром у всех электромагнитов железные сердечники. А антиферромагнитные вещества ведут себя наоборот.

Что значит — наоборот?

Железо в магнитном поле усиливает это поле. Во внешнем поле антиферромагнетик тоже намагничивается, только противоположным образом, и уменьшает действие основного магнита. А в обычных условиях антиферромагнетик никаких магнитных свойств не обнаруживает. Их у него нет.

У арабов существует легенда о гробе Магомета. Основатель магометанской религии будто бы похоронен в гробу, который висит в воздухе.

Вообще говоря, подобную модель можно сделать. Намагнитить какую-нибудь железную коробку и положить на стол. И сделать надо так, чтобы, скажем, северный полюс магнита попал против северного полюса коробки. Вот тогда коробка может повиснуть в воздухе. С одной стороны, под действием силы тяжести она будет стремиться упасть на землю, а с другой стороны, магнит ее отталкивает.

Игрушку поинтереснее создали ученые в криостате с помощью сверхнизких температур и явления сверхпроводимости. Вот это чудо на нашем рисунке.

В сосуде сверхпроводящая жидкость. Сверху к ней поднесли магнит. В жидкости тотчас же появляются электрические токи из-за того, что рядом находится магнит. Только пошевельнем магнитом, и токи появятся. Поскольку материал — сверхпроводящий, токи будут там все время. И они создадут свое собственное магнитное поле. Это поле противоположно полю нашего основного магнита. И оно будет отталкивать магнит. Чем вам не «гроб Магомета» — магнит, свободно парящий в пространстве. Ничто его не держит, а магнит висит себе в воздухе.

Это, правда, игрушка. Но ученые уже научились ее использовать. Ведь получается очень удобная система. Предмет висит в воздухе без всякой опоры. Для многих физических установок это просто находка. Очень часто бывает необходимо, чтобы предметы не прислонялись друг к другу. Например, нужна хорошая теплоизоляция или требуется подставка. Сверхпроводящий магнит — подставка, не связанная ни с чем, а в то же время на нее можно опереться.

Мне кажется, что мы слишком долго засиделись в лаборатории. Давайте совершим небольшое путешествие к… звездам. И сопровождать нас будут сверхнизкие температуры. Нет, не только за бортом корабля. Вместе с нами, в соседней кабине.