Приключение великих уравнений - Владимир Карцев

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.

Упомянем к слову, что принцип "магнитного зеркала" начал сейчас широко использоваться в приборостроении. Очевидно, что таким образом, можно, например, подвесить вращающиеся или перемещающиеся друг относительно друга части прибора - это сразу же наводит на мысль о "магнитных подшипниках", в которых отсутствует трение. Подшипники без трения могут сослужить большую службу, например, в прецизионных гироскопах. Образцы таких гироскопов уже построены и испытаны.

"Гроб Магомета" - магнитик, парящий над сверхпроводящей чашей.

Так вот особенность сверхпроводников - "эффект Мейснера" - заставила подумать о том, каким правилам должны подчиняться "сверхпрово-дящие" электроны, если уж они не подчиняются закону Ома.

Стала ясна и недостаточность определения сверхпроводников как обычных проводников, но с нулевым сопротивлением.

Из уравнений Максвелла, если их решить для случая нулевого сопротивления, эффект Мейснера никак не получался. С другой стороны, если учесть в уравнениях Максвелла нулевое магнитное поле внутри сверхпроводников (эффект Мейснера), то не получается нулевое сопротивление...

В 1935 году, через два года после открытия эффекта Мейснера, в печати появилась статья английских физиков Ф. и Г. Лондонов, предложивших дополнить уравнения Максвелла еще двумя уравнениями, которые учитывали бы наличие двух сортов электронов и одновременно - эффект Мейснера.

А. А. Абрикосов.

Новые уравнения получили название уравнений Лондонов. Их до сих пор широко используют для анализа процессов в сверхпроводниках.

Конечно, уравнения Максвелла не отменились уравнениями Лондонов. Последние, если можно так выразиться, "ответвились" от максвелловых уравнений для анализа явлений в конкретной области - сверхпроводимости, точно так же, как ответвилась от уравнений квантовая электродинамика, призванная изучать процессы в микромире.

А уравнения Максвелла пока что остаются незыблемым языком физиков на все времена.

Следующий шаг в развитии теории сверхпроводимости был сделан почти одновременно советским физиком лауреатом Ленинской премии академиком Н. Н. Боголюбовым и американскими учеными Бардином, Купером и Шриффером.

Теория, разработанная ими, необычайно сложна даже для физиков. Например, в работах Николая Николаевича Боголюбова, посвященных теории, на печатной странице можно прочесть лишь два-три "человеческих" слова, да и то таких, как "известно, что..." "следовательно", "итак, имеем", "что и требовалось доказать", а остальное - роторы, дивергенции, дифференциалы, интегралы, лапласианы, якобианы и прочий высший пилотаж абстрактной математики.

Теория Н. Н. Боголюбова и теория Бардина, Купера и Шриффера (теория БКШ) сводятся, грубо говоря, к предположению о том, что сверхпроводящие электроны, в противовес обычным, объединены в пары, тесно связанные между собой. Разорвать пару и разобщить электроны трудно. Такие связи позволяют электронам двигаться в материале, помогая друг другу и не встречая электрического сопротивления.