при температуре большей, чем температура кипения жидкого азота, – 77,4 кельвина.
– Это означает, что для исследования сверхпроводимости и для практического использования сверхпроводников стало можно использовать не дорогостоящий гелий, а дешёвый азот, – уточнил Андрей.
Дзинтара кивнула.
– В 2003 году был открыт керамический сверхпроводник на основе ртути, бария, кальция, меди и кислорода, который имел критическую температуру в 138 кельвинов. Многие вещества – например, сероводород – будут сверхпроводящими и при земных температурах – хотя бы зимой в Антарктиде, где минус 70 градусов по Цельсию, – но только при высоких давлениях. Так что экспериментаторы сделали важный шаг в поиске сверхпроводников при комнатной температуре и при обычном давлении. Конечно, в этих поисках им помогла бы хорошая теория сверхпроводимости – но тут теоретики подкачали, ведь полноценной теории сверхпроводимости, которая бы описывала разные типы сверхпроводников, до сих пор не создано.
Значительное продвижение в создании теории сверхпроводимости было достигнуто теоретиками Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом, работавшими в СССР. Они создали феноменологическую, то есть не затрагивающую микромеханизмы явления, теорию сверхпроводимости Ландау – Гинзбурга.
Первой микроскопической теорией сверхпроводимости стала модель американских физиков Бардина – Купера – Шриффера (БКШ). Она попыталась объяснить, почему электроны в сверхпроводнике не испытывают сопротивления от атомов вещества. Модель БКШ стала рассматривать объединение электронов в стаю…
– Как это возможно? – удивилась Галатея. – Электроны отталкиваются друг от друга.
– Да, когда они в свободном состоянии. Когда же они движутся в кристаллической решетке, то посылают друг другу сигналы с помощью фононов – особых колебаний решетки. И этот обмен позволяет им создавать пары, которые стали называть «электронными парами БКШ».
Галатея продолжала недоумевать. Тогда на помощь пришёл Андрей:
– Помнишь, мы потеряли друг друга в зарослях кукурузы? Тогда я пошёл туда, где сильнее всего качалась и шелестела кукуруза, – и нашёл тебя!
– Верно, нашёл… – кивнула Галатея, пытаясь представить себя электроном, а шелестение кукурузы – фононом.
Дзинтара продолжила:
– Но теория БКШ, за которую авторы получили в 1972 году Нобелевскую премию, не ответила на главный вопрос, интересующий экспериментаторов, – как вычислять критическую температуру для конкретных соединений?
Если узнать, от каких параметров вещества она зависит, то можно было бы сразу найти самый высокотемпературный проводник. Более того, если низкотемпературные проводники – с критической температурой ниже 77 кельвинов – обычно подчинялись теории БКШ, то высокотемпературные керамические сверхпроводники капризничали и подчиняться теории БКШ не хотели…
– В нагретых проводниках много тепловых шумов, то есть фононов, – задумался Андрей. – Я бы тоже не смог найти Галатею среди кукурузы, если бы дул сильный ветер!
– …поэтому учёным пришлось вводить дополнительную классификацию сверхпроводников: на те, которые следуют уравнениям Бардина – Купера – Шриффера, и на те, которые – нет. Универсальная теория сверхпроводимости до сих пор не создана, поэтому экспериментаторы двигаются вперёд на ощупь.
– Давайте создадим её, эту теорию! – загорелась Галатея.
Дзинтара засмеялась.
– Это непростое дело – теории создавать. Ни вы, ни я такой квалификацией не обладаем.
– Но поразмышлять-то можно? – неожиданно поддержал младшую сестру старший Андрей, который обычно был гораздо сдержаннее. – Вот я слушал тебя и вспоминал эффект Мёссбауэра из прошлой сказки. Когда Мёссбауэр охладил кристалл до температуры жидкого азота, то все гамма-кванты из кристалла стали вылетать с одинаковой энергией, потому что кристалл при низкой температуре стал такой прочный, что отдача кванта пришлась не на один атом, а на сто миллионов атомов. В результате гамма-квант оказался неспособен отдать свою энергию упругой и массивной кристаллической решётке!
– Ага… – задумчиво протянула Галатея. – И ты думаешь, что такой же эффект наблюдается в сверхпроводниках?
– Возможно! – кивнул Андрей. – Ведь при низких температурах атомные решётки должны быть как единое целое – и электрон, налетев на один атом, на самом деле налетит на весь кристалл. Он не сможет отдать ему свою энергию, отразится, как от идеального зеркала, и полетит дальше!
– Не растратив свою энергию! – широко раскрыла глаза Галатея. – То есть он не будет испытывать электросопротивления!
– Точно! – засиял Андрей. – В холодном кристалле электроны сталкиваются с атомами часто, но не могут передать им свою энергию и раскачать их.
– Кажется, мои дети стали вундеркиндами! Видимо, влияние неумеренного чтения научных сказок, – озабоченно сказала Дзинтара. – Но вы не спешите, любая теория требует математического оформления, там много может быть всяких вещей, которых вы просто не учитываете…
– А мы никуда и не торопимся, – сказал Андрей и подмигнул сестре. – Вырастем, всё оформим и всё учтём…
Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) – выдающийся голландский физик. Создал эффективные установки по сжижению азота и гелия, открыл явление сверхпроводимости. Лауреат Нобелевской премии (1913).
Георг Ом (1787–1854) – видный немецкий физик, открывший связь между силой тока, напряжением и электрическим сопротивлением, единица которого названа в его честь. Член Королевского общества (1842).
Андерс Цельсий (1701–1744) – видный шведский астроном, предложивший шкалу температуры, где точку плавления льда и кипения воды разделяли 100 градусов. В честь него назван астероид 4169.
Гальванометр – электрический прибор для измерения тока в проводниках. Назван в честь итальянского учёного Гальвани.
Карл Мюллер (р. 1927) – выдающийся швейцарский физик, открывший вместе с Беднорцем в 1986 году новый тип керамических сверхпроводников. Лауреат Нобелевской премии (1987).
Георг Беднорц (р. 1950) – выдающийся швейцарский физик, открывший новый тип сверхпроводников. Получил вместе с К. Мюллером Нобелевскую премию за 1987 год.
Лев Давыдович Ландау (1908–1968) – выдающийся советский физик-теоретик. Создатель теории сверхтекучести и сверхпроводимости. Академик (1946), лауреат Нобелевской премии (1962).
Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009) – выдающийся советский физик-теоретик. Создатель теории сверхпроводимости (теория Гинзбурга – Ландау) и сверхтекучести (теория Гинзбурга – Питаевского). Академик (1966), лауреат Нобелевской премии (2003).
Джон Бардин (1908–1991) – выдающийся американский физик, создатель трранзистора и первой микроскопической теории сверхпроводимости. Единственный в истории дважды лауреат Нобелевской премии по физике (1956 и 1972).
Леон Купер (р. 1930) – выдающийся американский физик, создатель теории сверхпроводимости (теории БКШ). Получил Нобелевскую премию (1972) вместе с Бардиным и Шриффером.
Джон Шриффер (р. 1931) – выдающийся американский физик, создатель теории БКШ, объяснившей важные особенности сверхпроводимости. Лауреат Нобелевской премии (1972).
Фонон – квазичастица, которая представляет собой квант колебания кристаллической решетки или квант звука, названный по аналогии с фотоном, который является квантом света. Введена Игорем Таммом.
Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) – выдающийся советский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1958 год. Академик АН СССР.
Сказка о двух нобелевских лауреатах, мешке пшена и сверхтекучей жидкости, выползающей из стакана
Однажды промозглой петроградской осенью в мастерскую к известному художнику Борису Кустодиеву зашли два молодых человека.
– Извините, что принимаю вас лёжа, – сказал художник. – Больная спина, приходится рисовать в кровати.
– Мы пришли заказать наш портрет, – смело сказал один, постарше, держащий в руке трубку. – Почему вы рисуете только известных людей? Нарисуйте нас. Мы молоды, но непременно станем знаменитыми в будущем!
Кустодиев рисовал не только лица – он рисовал характеры. И молодые люди ему понравились – именно своим характером.
– Хорошо, – сказал он. – Чем вы будете расплачиваться за портрет?
Времена были революционные, голодные – и, когда портрет был готов, молодые люди принесли в качестве платы мешок пшена и петуха.
Кустодиев, смеясь, взял плату – и сказал:
– Только не подведите, вы пообещали стать знаменитыми. Нельзя же чтобы на моих портретах были безвестные и скучные люди.
– Не подведём! – заверили его молодые люди.
…Галатея, слушающая сказку, нетерпеливо заёрзала:
– Ну и как – не обманули они художника?
Дзинтара ответила:
– Этот портрет Кустодиева стал единственным в мире двойным портретом, на котором запечатлены сразу два будущих нобелевских лауреата, нарисованных тогда, когда они были ещё никому не известными молодыми людьми. Отмечу, что получили они свои премии независимо друг от друга – один по физике, другой по химии.
– Не подвели! – довольно кивнула Галатея. – Но где встретились два будущих нобелевских лауреата? Ведь этих лауреатов буквально по пальцам можно пересчитать.
– Их встреча не была случайной. В те годы в Петрограде возник новый научно-исследовательский институт, возглавляемый Абрамом Федоровичем Иоффе, крупнейшим организатором науки, который активно собирал в свой институт самых талантливых молодых людей. Именно там и встретились Пётр Капица и Николай Семёнов. Первый родился в Санкт-Петербурге, был столичным жителем, а второй был выходцем из провинциального города Саратова. Они оба учились в Петрограде, где их заметил Иоффе и ещё до получения ими диплома пригласил к себе работать. В институте Иоффе и подружились эти два будущих нобелевских лауреата.
Вскоре жизненные пути Капицы и Семёнова разошлись: по предложению Иоффе, который был учеником великого Рентгена и прекрасно понимал полезность заграничных стажировок, Капица уехал в 1921 году в Англию, в знаменитую Кавендишскую лабораторию Эрнста Резерфорда. Семёнов в это же время стал заместителем директора института – то есть самого Иоффе.