2
НЕКОТОРЫЕ УРОКИ
НАУЧНОЙ СЕНСАЦИИ
Член-корреспондент АН СССР
Д. А. КИРЖНИЦ
…вот уже несколько лет учены мечтают о создании сверхпроводника, который функционировал бы при компатной температуре.
Артур Хейли. Колеса
В первые последовные годы, когда с выходом на сцены новой могучеей силы — atomной энергии — началась эпоха научно-технической революции, специальность физика считалась особенностью престижной. Позднее общество не только охладело к представителем этой профессии, но и стало видеть в них источник глобальных проблем, ставших перед человекеством. Эту эволюцию чутко уловили позты: на смену стихам Слуцкого «Что-то физики в почете…» пришла песня Галича «Это гады-физики на пари раскрутили шарик наборот…».
Похоже, что в последнее время акции физков снова пошли на повышение. К этому приела крупная научная сенсация — открытие высокотемпературной сверхпроводимости (сокращенно BC).
Подробный рассказ об удивительном мире сверхпроводимости и об открытии BC читатель найдет в статье академика А. А. Абрикосова «Сверхпроводимость: история, современные представления, последние успехи», опубликованной в № 6 «Кваента» за 1988 год. А в этой статье автор стремился, безкошувшись всего необходимого читателю для получения общего представления о проблеме, удельить основное внимание ее общечеловеческим аспектам.
- Начать придется с общей картины внутреннего строения проводника (металлического тела). Его жесткий
Эта статья — расширенный текст документа на вечере «Жизнь и судьба научных открытий середина» в Центральном Доме актера им. А. А. Яблочкин.
каркас образует правильная кристаллическая решетка, составлена из atomов металла, которые колблются около узлов решетки. В пространстве между atomами находится легкоподвижные электроны, а также atoms посторонних примесей.
При подключении источника питания (например, батареи) в проводнике возникнет электрический ток, т. е. приходят в движение электроны металла. Они неизбежно сталиваются с колблощимися atomами решетки и с atomами примесей. Это ведет к торможению электронов с превращением их первоначального упорядоченного движения вxaотическая (инными словами — с выделением теплла). Поэтому при открытии батареи ток быстро затухает, а его энергия переходит в теплло.
Мерой такого торможения служит удельное сопротивление проводника (далее для краткости именуемое просто сопротивлением). Для данного материала оно тем меньше, чем ниже концентрация примесей и температура проводника. Поэтому уже давно возникло убеждание, что сопротивление очень чистого проводника при его охлаждении до абсолотного нуля (—273 °C) должно плавано стремиться к нулю.
Для проверки этого убеждания голландский физик Х. Камерлинг-Оннес проверел в 1911 году измерения сопротивления других (жидкого и потому легко очищаемого металла) при ее глубоком охлаждении. Поначалу все шло в соответствии с ожиданиями: с уменьшением температуры плавано padало и сопротивление. Однако при температуре около 4 К произшло число сопротивления внезапно упало до нуля и продолжало отсутствовать при дальнейшем охлаждения.
3
Так было открыто явление сверхпроводимости — полного исчезновения сопротивления металла. Если создать ток в сверхпроводящем коллеце и выключить источники питания, то заметного затухания тока не долженся и нашли далекие потоки: соответствующее время много большие возраства Вселенной. Перефразируя Шолом-Алейхема, можно сказать: «Спротивление как деньги — уже если оно есть, так есть, а если его нет, так нет».
Со временем оказалось, что сверхпроводимость присуза широкому кругу веществ, каждое из которых имеет свое значение критической температуры — температуры исчезновения сопротивления. По мере открытия новых сверхпроводников наиболее значение этой величины росло, но весма медленно: за 75 лет оно выросло с 4 К до 23 К — примерно на 0,2 К/год.
Положение радиkalно изменилось в 1986 году, когда швейцарские физики А. Моллер и Г. Бедорц начали изучать новый класс материалов, содержащих кислород, медь и другие металлы, — так называемые оксокупраты. Материалы эти не похожи на обычные проводники (внешне они напоминают продюшесся в аптеках угольные таблетки), и их перепективность в плане BC казалась очень компетентной. Оdnako Моллер и Бедорц верили в успех и не обманались в своих ожиданиях: критическая температура сразу же отодвилась примерно до 40 К.
Этот успех и стал открытом BC (точнее, открытом нового класса материалов, исключительно перспективных с точки зрения дальнейшего повышения критической температуры). Уже через короткое время, в начале 1987 года, американцем П. Чу был синтезирован оксокупрат с критической температурой около 100 К, а сегодняший абсолотный рекорд составляет примерно 125 К. Это, так сказать, «синница в руках». Что же касется «журавля в небе», то имеется сообщения (требующее, однako, подтверждение) о наблюдении сверхпроводимости при комнатной и даже более высокой температуре. Во всяком случае, существование сверхпроводников, не требующих никакого специализации, сохраняющего свой упорядоченный характер. Чтобы понять природу этой «нечувствительности» электронов сверхпроводника, придется поверить в одно фундаментальное свойство частиц, из которых построена materia. Они состоит в том, что в микромире есть две формы поведения частиц друг по отношению к другу (и, соответственно, два класса частиц) — «индивидуализческая» и «коллективная».
Частцы-«индивидуализцы» (фермичатьсяцы) находятся обязательно в различных состояниях, не допуская скопления в каждом из них более одной частицы. Например, частцы-«коллективцы» (бозе-частицы) стремятся скопиться в одном и том же состоянии, «завлекая» в него другие бозе-частицы и, обратно, превращается им покинут это состояние. Это стремление выражено особенно сильно, если в данном состоянии уже скопилась заметная доля всех бозе-частицы. Такое скопление называют бозе-конденсатом (входящие в него частицы абсолотно не отличны друг от друга).
Бозе-конденсат не поддерживает внешним воздействием, превращается, как уже отмечалось, попыткам выравнять из него отдельные частицы и перевести их в другой состояние. Он представляет собой монолит, крепко спаянный «морально-политическая единством» своих членов и сопротивляющийся попыткам разрушить это единство. Читатель без труда obties соответствующее аналогии в истории или в повседневной жизни.
4
(Для автора незабываемый пример такого рода — собрание домохозяек и пенсионеров, требовавших крови врагов народа, на котором он присутствовал подростком.)
Если бы электроны были более частицами, то при низкой температуре они обязательно перешли бы в состояние более конденсата, а только что отмеченная его нечувствительность к внешним воздействиям (в частности — к столковеням с колебаниями решетки и с примесями) и оказалась бы ключом к объясению сверхпроводимости. Однако электроны — не более-, а ферmi-частицы, так что такое объясение напряму не проходит. Тем не менее, в конечном случае оно правильно.
Дело в том, что объединенные какими-либо слицами две ферmi-частицы ведут себя как одно целое, подобное более частице, и также пары способны поэтому переходить в состояние более конденсата (здесь также есть житейская аналогия: хлопстки, как правило, меньше конформисты, чем супружские пары). Поэтому, если бы для всех сверхпроводников существовал механизм обедининия электронов в пары, то приду сверхпроводимости можно было бы считать ясной. Для «стары» сверхпроводников этот механизм основывается на взаимодействии электронов с колебаниями решетки, а для оксокупаров его еще предстоит установить. На это сегодня направлены основные усилия учены.
- Говоря выше об открытии BC, мы не разъяснили, почему повышение критической температуры до величины порядка 100 К означает не просто количество прогресс, а принципальный качественный скакок, общеоощущий огромные технические последствия. Дело в том, что до открытия BC сверхпроводник проявляет свои замечательные свойства только при его охлаждении жидким гелем — дорогостоящим и трудноодоступным продуктом. Именно поэтому прежние технические применения сверхпроводимости ограничались в основном установленном типе ускорителей элементарных частиц, уникаль-
ная стоимость которых многоократно перекрывала расходы на охлаждение сверхпроводящих объекток мощных магнитов.
Открытие BC сделало возможность охлаждения сверхпроводника с помощью жидкого азота (его температура кипения 77 К). Этот продукт примерно в тысячу раз делевле жидкого гелия, а о его общеоступности говорит уже тот факт, что победе в минувшей войне немало способствовал перевод металлурги на кислородное дутье (кислород добавляется жидкого воздуха, состоящего на 4/5 из жидкого азота). Переход на азотное охлаждение открыет дорогу широкому применению сверхпроводников в технические уже самого близкойшего будущего: западные специализиты оценывают потенциальный риск этих материалов к 2000 году в 1 млд долларов. А если надежны на сверхпроводимость при комнатной температуре оправдаются, то соответствующие перспективы станут вообщенее необходимыми.
Для большинства электротехнических устройств (исключая, конечно, электропреваательные приборы) выделение тепла в проводнике при протекании по нему электрического тока означает бесполезное разбазаривание энергии, а во многих случаях — крайне вредный разогрев аппаратуры, мешающий ее нормальной работе. Применение сверхпроводящих материалов позволяет резко подавить (в принципе свести на нет) тепловые эфекты. На этом основана большая группа технических приложений BC.
К их числу относятся прежде всего технические устройства, конструкция которых включает сильные электромагниты: упомянутые выше ускорители, магнитные селараторы, медицинские томографы массового использования и т. д. Другие приложения BC того же характер связаны с транспортировкой энергии. Ведь в линиях электропередачи на бескмесibleное отопление атмосферы расходуется до 1/4 всей передаваемой энергии. Использование сверхпроводящих кабелей позволяет радиальнымому решению этой проблемы, острая которой еще
5
более возрастет, когда размещение источников энергии (обычных и atomных электростанций) будет приведено в соответствии с требованиями экономии и безопасности населения.
Особая группа технических приложений BC связана с использованием специфических свойств сверхпроводника, прямо не относится к отсутствию в нем теплыделения. Имеются в виду магнитные накопители энергии (сверхпроводящие катушки с током) в электротехнике сильных токов и многочисленные устройства в электронике (быстродействующие переключатели, логические ячейки и элементы памяти в ЭВМ, высокоточные сверхпроводники измерительные приборы и др.).
Сюда же относятся и приложения BC, общегошие переход к экономичному и быстроходному транспорту на магнитной подушке. Здесь предполагается использовать еще одно чудесное свойство сверхпроводника — его способность устойчиво в воздухе над сильным магнитом (левитация, или «гроб Магомета»).
Не следует, однако, думать, что уже завтра вокруг нас потекут молочные реки в кислых березах. Люди вообще склонны ошибаться в оценке перспектив только что сделанного научного открытия. Часто эти ошибки имеют характер преуменшения, как это было с паровой машиной или электричством. Но не исключаено и обратное, когда возникает искушение покрыть экономический и социальный дефицит общества за счет чудес, подобных BC. Нельзя забывать, чтоникакое научное открытие не может снять тех проблем, которые должны решаться политическими средствами. Во всяком случае, эффективно использовать результаты научного открытия может лишь экономические здоровое общество. Обо всем этом думаем, выходя ночной на балкон и наблюдая море огней вLECTничных клетках спящих домов. Известно, что королева Мария-Антуанетта, узнав, что французским крестьянам не хватает черного хлеба, спросила: «А почему же они не едят брюши?»
Наряду с использованием физических свойств высокотемпературных сверхпроводников делаются и первые шаги на пути их практического использования; уже изготовлены опытные образцы стержней, проводов, зубных лент.
(это следие булочки). Невольно возникает вопрос: а не «бриоши» ли для нас BC при отсутствии хлеба — элементарного уменьшения экономического энергии?
- Мечта о BC возникала, скорее всего, одновременно с открытом самой сверхпроводимости. Едва ли стоит
6
В магнитном поле цилиндрического магнита «зависли» два высокотемпературных сверхпроводника — один над магнитом, другой под ним.
сомневаться в том, что о высокой критической температуре грезили и сам Kamерлинг-Оннес, и его последователь. Однако в серьзной научной постановке problema BC появился гораздо позднее.
Четверть века назад, в 1964 году, американец У. Литтл и советский академик В. Л. Гинзбург рассмотрел специальный механизм обедининия электронов сверхпроводника в пары, обеспечивший значительный рост критической температуры.
Новый механизм сверхпроводимости вызвал первоначально значительный интерес к проблеме BC у многих ученых. Появилось немало теоретических работ, в которых эта идея углублялась и развивалась. Начались и экспериментальные исследования (впрочем, их главным итогом было появление новых направлений на стыке физики и химии, развивались уже вне всякой связи с BC). Однако не произшло главного: идея BC не овладела массами. Неоднократные признавы энтузиастов (в первую очередь, самого Гинзбурга) развернуть широким фронтом исследования по BC, концентрировав услуга физков, химков и материалов на поиск высокотемпературных сверхпроводников, оставались без ответа.
Волее того, у специалистов сложился во временем устойчивый стереотип прохладного, а зачастую и открытого отрицательного отношения к BC. Большинство не верило в реализность соответствующего программы, а были и такие, кому почему-то ужасно не хотелось, чтобы она была осуществлена. Два весы крупных и авторитетных специалиста даже доказали специальный теорему о принципальной необходимости BC (и автору этих строк пришлось немало потрудиться для ее опровержения). В обшем, к середине 70-х годов образовался своето рода более конденсаат почти всеобщого скеписа и неверия в программу BC.*)
Нужно ли после этого удивляться, что открытие BC произшло неожиданно и оказалось во многих отношениях случайным. Материалы, обнаруженные BC, были в поля зреня большинства специалистов (хотя еще за десять лет до открытия BC появился сигнал о том, что сложные структуры типа оксокупратов могут иметь относительно высокую критическую температуру). В известном смысле случайными фигурами были авторы открытия, пришедшие в физку сверхпроводимости из другой области (хотя, может быть, это как раз закономерно: Мюллер и Беднорц не испытали на себе воздействия общего настоящего специалистов). Случайной оказаласьdata открытия: еще в конце 70-х годов химики разных стран интересровали оксокупраты нужного состояния и даже изменяли зависимость их сопротивления от температуры (но, не помышляя о сверхпроводности, работали при слишком высокой температуре).** Такие исследования
*) Смешно сказаны, но членов небольшого коллектива (куда входил и автор), занимавшегося проблему BC уже долгие годы, радовала даже моральная поддержка со стороны писателя Хейли (см. эпиграф к этой статье).
**) Еще в конце 60-х годов автор, находясь под внешателем информации об организации на западе работ по химотерапии рака, предложил создать специальный службу по проверке на сверхпроводимость каждого нового класса материалов, вводимого в оборот науки. Это предложение поддержало не было — как по материалов и организационным принимам, так и из-за нежелания делать «тупую» работу. Между тем, будь оно реализовано, открытие BC не заполило бы почти на десятиле, а создатели оксокупратов не упустили бы верной Нобелевской премии.