Приключение великих уравнений

Карцев Владимир Петрович

В начале тридцатых годов было обнаружено, что существует несколько сплавов различных металлов, в которых сверхпроводимость исчезает в магнитном поле гораздо большем, чем то, о котором знал Оннес. В сплаве свинца с висмутом "критическое магнитное поле" превышало уже пятнадцать тысяч эрстед. Хотя до сотен тысяч эрстед, о которых мечтал Оннес, было еще далеко, физики воспрянули духом. Появилась как будто бы возможность создавать "бесплатные" электромагниты если не на сотни тысяч эрстед, то хотя бы на пятнадцать тысяч. Такие магниты уже можно было бы использовать в электрических машинах. Может быть, сплав свинца с висмутом удалось

бы использовать даже в лабораторных магнитах, правда, не очень сильных, но больших по объему рабочей зоны.

Однако обстоятельства сложились совсем не так, как можно было ожидать. В дело вмешался новый директор лаборатории Кеезом. Он, измерив критический ток проволоки из сплава свинца с висмутом, выяснил, что ток слишком мал и сделать из такой проволоки сколько-нибудь ценный магнит невозможно.

Работники лаборатории, ознакомившись с выводами Кеезома, решили отказаться от "бесперспективных" сверхпроводников. Так, сверхпроводящие магниты были "закрыты" во второй раз.

Лишь через три десятка лет выяснилось, что выводы Кеезома были неточными. Критический ток сплава свинца с висмутом был вполне достаточен для того, чтобы из него делать довольно экономичные соленоиды.

Искать новую тему для исследований работникам лаборатории не пришлось. Как раз в эти годы советский физик Петр Леонидович Капица открыл не менее интересное, чем сверхпроводимость, явление - сверхтекучесть жидкого гелия. Лейденцы увлеклись новой перспективной работой, окончательно потеряв интерес к сверхпроводящим магнитам.

Видимо, мрачные выводы Кеезома повлияли и на английских физиков, работавших в Оксфорде. Они отвергли сверхпроводящие сплавы и продолжали исследовать только сверхпроводящие металлы. Тут, казалось, их ждал успех: они сделали ряд интересных открытий, будто бы подтверждавших их выбор. К сожалению, частные успехи были лишь коварной приманкой, подложенной природой, которая, словно оберегая свои тайны, заманила исследователей в дебри дремучего и бесплодного леса. Таким образом, и прекрасно оснащенная оксфордская группа прекратила исследования перспективных сверхпроводников.

Примерно в то же время в Харькове работала большая группа физиков. Руководил ею доктор Л. В. Шубников. Ученые всего мира единодушно признают, что группа Шубникова была лучшей по своей оснащенности и знаниям металлургии сверхпроводящих сплавов. Не приняв выводы Кеезома на веру, харьковская группа продолжала заниматься сверхпроводящими сплавами. Эти работы легли в основу последующих теорий, экспериментов и открытий. Однако и харьковским экспериментаторам не удалось открыть сверхпроводящих сплавов, устойчивых к сильным магнитным полям.

Непонятная сверхпроводимость не давала покоя и теоретикам. Одним из первых пролил свет на природу сверхпроводимости знаменитый советский физик академик Лев Давидович Ландау, длительное время работавший в Институте физических проблем АН СССР. Глубокий и разносторонний ученый пользовался среди физиков непререкаемым авторитетом. Его краткая надпись на чьей-нибудь научной работе: "Одобряю, Ландау" всегда означала, что написана новая незаурядная теоретическая статья, проделана новая, чрезвычайно интересная экспериментальная работа.

Все знавшие Ландау (он умер в 1967 году в результате последствий автомобильной катастрофы), отмечают его легкое, радостное и, как иным даже иногда казалось, внешне легкомысленное (да

простят меня читатели за такой эпитет) отношение к труду. Работал он чаще всего лежа на диване в какой-нибудь крайне неудобной позе. Свои глубочайшие мысли он по обыкновению небрежно нацарапывал на мятых листках, которые колодой держал в руке. Почерк его могли разобрать немногие "специалисты". Юмор его был колок, взгляды - радикальны. Суть любой проблемы схватывалась им на лету.

Лишь немногие близкие друзья знают, каким трудом достигалась эта легкость.

Ландау первым сопоставил два "странных" явления - сверхпроводимость и сверхтекучесть - течение жидкого гелия-2 без трения через узкие капилляры и предположил, что эти явления родственны. Сверхпроводимость - это сверхтекучесть весьма своеобразной жидкости - электронной.

Идея Ландау оказалась в высшей степени плодотворной, на ее основе построено большинство теорий сверхпроводимости.

Открытие сверхпроводимости и особенно успехи в ее теоретическом объяснении бросили грозный вызов максвелловой теории да и основанной на ней лоренцевой.

Поскольку родилось предположение о том, что сверхпроводимость обусловливается специальными, "сверх-проводящими" электронами, необходимо было скорректировать уравнения и ввести в них новый член - ток, обусловленный уже не нормальными, а сверхпроводящи-ми электронами. Уравнения Максвелла как бы "раздваивались", их необходимо было отдельно применять для "нормальных" и "сверхпроводящих" электронов.

"Раздвоение" не было механическим. Ток "нормальных" электронов, как известно, подчиняется закону Ома; однако "сверхпроводящие" электроны не встречают сопротивления, и, стало быть (по закону Ома ), измерить на сверхпроводнике падение напряжения на постоянном токе невозможно, и само понятие напряжения теряет смысл. Закон Ома для сверхпроводящих электронов необходимо было заменить какой-то иной зависимостью. Но какой?

П. Л. Капица и Л. Д. Ландау.

Обычно говорят, что основное свойство сверхпроводников - отсутствие сопротивления. Такая точка зрения сильно поколебалась, когда а 1933 году немецкие физики Мейснер и Оксенфельд открыли совершенно неожиданную вещь сверхпроводники оказались непроницаемыми для магнитных силовых линий! Они были для магнитных силовых линий абсолютно непробиваемым щитом.

Такое свойство сверхпроводников позволило советскому физику В. К. Аркадьеву проделать чрезвычайно интересный эксперимент, называемый среди физиков "гробом Магомета" (вы, вероятно, помните, что, по преданию, гроб пророка Магомета висел в воздухе без каких-либо видимых опор).

Опыт Аркадьева был внешне очень прост: в дьюаре с жидким гелием при температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля размещается свинцовая плита (свинец - сверхпроводник), сверху осторожно спускают постоянный магнит. Силовые линии магнитика не могут проникнуть в сверхпроводник, они отражаются от него, как солнечные лучи от зеркальной поверхности. В свинцовом "зеркале" образуется магнитное отражение, магнитный двойник магнита.

Под северным полюсом магнитика появляется "магнитное изображение" северного полюса, под южным полюсом - южного. Настоящий полюс и полюс "изображения" начинают отталкиваться. Сила отталкивания возрастает до тех пор, пока не станет равной весу магнитика; и тогда магнитик повиснет. Повиснет безо всяких опор.