Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Но запустить реакцию в криптоне было не сложнее, чем смешать соду с уксусом, если сравнить эту задачу с отчаянными попытками вовлечь в химические реакции аргон. После того как в 1962 году Бартлетт получил соединение ксенона, а в 1963-м – твердые вещества, содержавшие криптон, прошло еще тридцать семь долгих лет, прежде чем финским ученым удалось создать условия для реакции с аргоном. Это произошло в 2000 году. Эксперимент был сравним по филигранности с произведением Фаберже, для него потребовалось перевести аргон в твердое состояние. Еще в реакции участвовали газообразный фтор, газообразный водород, а также суперактивный компонент-затравка – йодид цезия, который и запускал реакцию. Наконец, потребовались тщательно хронометрированные импульсы ультрафиолетового света и невообразимый холод в -265 °C. Как только становилось немного теплее, соединения аргона распадались.

Тем не менее ниже этой температуры гидрофторид аргона – вполне устойчивый кристалл. Финские ученые объявили о своем достижении в статье, название которой было исключительно незатейливым для такой научной работы: «Стабильное соединение аргона». Сам факт получения этого соединения был достаточным поводом для гордости. Ученые уверены, что даже в самых холодных уголках космоса миниатюрные гелий и неон никогда не образуют соединения с другими элементами. Поэтому в настоящее время аргон остается самым неуступчивым элементом, соединение которого все-таки удалось получить человеку.

Учитывая, насколько аргон не любит изменять своей природе, получение такого вещества, конечно, было огромным научным достижением. Тем не менее ученые не считают соединения благородных газов и даже необычную форму олова, возникающую в результате альфа-бета перехода, самостоятельными агрегатными состояниями вещества. Новое агрегатное состояние требует наличия принципиально иного уровня энергии, при котором принципы взаимодействия атомов существенно изменяются. Именно поэтому твердые тела, в которых (почти) все атомы неподвижны, жидкости, в которых частицы могут обтекать друг друга, а также газы, частицы которых свободно перемещаются в любом направлении, действительно являются разными агрегатными состояниями вещества.

При этом между газами, жидкостями и твердыми телами есть немало общего. Во-первых, их частицы являются цельными и отдельными друг от друга. Но такая независимость превращается в анархию, если разогреть вещество до состояния плазмы, в котором атомы начинают распадаться. Если же сильно охладить вещество, то в нем складываются ансамбли, в которых частицы начинают слипаться самыми причудливыми способами.

Возьмем, к примеру, сверхпроводники. Электричество представляет собой поток электронов, возникающий в цепи. В медном проводе электроны бегут от одного атома к другому, обтекают их, а когда какие-то электроны попадают внутрь атомов, провод нагревается и теряет энергию, отдаваемую в виде тепла. Очевидно, в сверхпроводниках подобного рассеивания энергии почему-то не происходит, так как электроны, бегущие между атомами сверхпроводящего вещества, никогда не иссякают.

На самом деле, ток может сохраняться в сверхпроводнике практически вечно, если вещество остается охлажденным до нужной температуры. Это свойство было впервые обнаружено в 1911 году в образце ртути, охлажденной примерно до -277 °C. В течение десятилетий большинство ученых придерживалось такой точки зрения на сверхпроводимость: у электронов в подобном состоянии просто появляется больше места для маневра. Атомы в сверхпроводящем состоянии практически не имеют энергии на вибрацию, поэтому между ними сохраняются более стабильные коридоры, по которым могут бежать электроны, ни с чем при этом не сталкиваясь. Это объяснение является относительно верным, но лишь в 1957 году трое ученых смогли выяснить, что при таких низких температурах метаморфозы происходят с самими электронами.

Пролетая мимо атомов в сверхпроводнике, электроны испытывают определенное притяжение со стороны атомных ядер. Положительно заряженные ядра немного смещаются в направлении электрона, в результате чего в атоме образуется зона с высокой плотностью положительного заряда. Этот плотный заряд притягивает новые электроны, которые в определенном смысле становятся «спаренными» с первой волной электронов. Это не сильная химическая связь между электронами, она больше напоминает те слабые взаимодействия, которые возникают между атомами фтора и аргона. Вот почему такая сцепка происходит только при очень низких температурах, когда атомы почти не вибрируют и не расталкивают электроны в разные стороны. При таких низких температурах мы не можем считать электроны изолированными частицами; они образуют группы и действуют вместе. В такой электрической цепи отдельные электроны не могут сбиться с курса или включиться в атом, поскольку прежде, чем такой электрон успеет замедлиться, общий поток электронов увлечет его за собой. Ситуация напоминают старую, уже запрещенную игровую тактику, которая применялась в американском футболе. Игроки без шлемов просто сцеплялись за руки и бежали через все поле – такой летящий косяк электронов. На микроуровне это состояние приводит к сверхпроводимости, при которой миллиарды миллиардов электронов действуют точно так же.

Здесь я описал так называемую BCS-теорию сверхпроводимости. Она названа по первым буквам фамилий предложивших ее ученых: Джона Бардина, Леона Купера (электронные пары называются «парами Купера») и Роберта Шриффера[152]. Это был тот самый Джон Бардин, который участвовал в изобретении германиевого транзистора, получил за это Нобелевскую премию и опрокинул сковородку с яичницей, услышав эту новость. После того как в 1951 году Бардин покинул Bell Labs и отправился в Иллинойс, он всецело сосредоточился на изучении сверхпроводимости. Через шесть лет группа BCS полностью сформулировала новую теорию. Она оказалась настолько качественной и точной, что в 1972 году трое ученых совместно получили за свою работу Нобелевскую премию по физике. На этот раз Бардин снова отличился – он пропустил пресс-конференцию в университете, так как не смог выехать из гаража, где незадолго до того поставил новую электрическую дверь на транзисторном управлении. Но, приехав в Стокгольм повторно, Бардин все-таки познакомил своих уже взрослых сыновей со шведским королем – как и обещал в пятидесятые годы.

Если охладить элементы еще ниже тех температур, при которых возникает сверхпроводимость, то атомы настолько «сходят с ума», что начинают наседать один на другой и даже заглатывать друг друга. Важнейшим фактором, позволяющим понять такое невероятное эйнштейновское состояние материи, является так называемая когерентность. Чтобы разобраться, что же это такое, нам потребуется сделать короткое, но очень интересное отступление и поговорить о природе света, а также о другой инновации на грани возможного – о лазерах.

Физики обладают довольно странным эстетическим чувством, и мало найдется на свете вещей, которые услаждают их

больше, чем двойственность, дуализм света. Обычно мы воспринимаем свет как разновидность волн. На самом деле, Эйнштейн смог сформулировать Специальную теорию относительности отчасти потому, что размышлял, какой он сможет увидеть Вселенную, если прокатится верхом на световой волне. Его интересовало, как будет выглядеть пространство, как будет (или не будет) идти время. Даже не спрашивайте меня, как он смог себе это вообразить. В то же время Эйнштейн доказал (чем он только не занимался в этой области), что иногда свет ведет себя как поток частиц, которые называются фотонами. Объединив два представления о свете – как о волне и как о частице – в теорию, получившую название корпускулярно-волнового дуализма, он верно заключил, что свет – это не только самая быстрая субстанция в наблюдаемой Вселенной, но и вообще самая быстрая субстанция, которая перемещается в вакууме со скоростью около трехсот тысяч километров в секунду. Конкретное состояние, в котором будет зарегистрирован свет – как волна или как частица, – зависит от того, как его измерять, поскольку свет всегда находится в двух этих состояниях одновременно.

Несмотря на то, какой чистой красотой свет обладает в вакууме, он может искажаться в результате взаимодействия с некоторыми элементами. Натрий и празеодим способны снижать скорость света примерно до 17 метров в секунду – это в 20 раз меньше, чем скорость звука. Эти элементы даже могут захватывать свет, удерживать его несколько секунд, как мячик, а потом отбрасывать в другом направлении.

Лазеры производят со светом еще более тонкие манипуляции. Как вы помните, электроны движутся, как лифт: они не могут подняться с уровня 1 на уровень 3,5 или упасть с уровня 5 на уровень 1,8. Электронные переходы происходят только между целочисленными уровнями. Когда возбужденные электроны возвращаются на исходный уровень, они избавляются от избыточной энергии, испуская ее в виде света. Поскольку движение электрона настолько ограничено, невелик и диапазон цветов, которые могут при этом возникать. Такой свет должен быть монохромным – как минимум в теории. На практике же электроны в различных атомах могут одновременно падать с уровня 3 на 1, с 4 на 2 и т. д. И в каждом случае получается иной свет. Кроме того, разные атомы излучают свет в разное время. Нашему глазу этот процесс кажется синхронным, но на фотонном уровне он нескоординированный и беспорядочный.