Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин

неотвратимым. Сверхпроводимость должен был открыть именно он — ученый, получивший в свое распоряжение самые низкие температуры. Естественно, что пунктуальный голландец сразу же начал проверять, как ведут себя различные вещества в этих необычных условиях.

Так он и наткнулся на явление сверхпроводимости некоторых охлажденных металлов.

Для физиков того времени это было все равно, что воочию увидеть в своем рабочем кабинете нечистую силу. Каким еще образом можно было объяснить, почему при низких температурах вдруг начисто пропадает электрическое сопротивление, какая сила заставляет двигаться электроны проводников, когда источника тока заведомо нет?

В недоумении по этому вопросу теоретическая физика пребывала почти пятьдесят лет — срок для двадцатого века весьма солидный. И хотя экспериментаторы и поражали воображение энергетиков сказочными перспективами передачи электроэнергии без потерь, теоретики ничего вразумительного сказать не могли. В предположениях недостатка не было, но они лопались, как мыльные пузыри.

Объяснение пришло в виде... физической ереси. Переносчиками тока в сверхпроводнике являются пары электронов — объявили создатели новой теории.

Подобное утверждение не может не вызывать удивления: всем известно, что электроны — частички отрицательного электричества, которым самой природой предписано не гулять парами, а отталкиваться друг от друга. Но это еще не самое странное. Электрон выбирает пару не вблизи себя, а на весьма почтенном для масштабов микромира расстоянии примерно в 100 ангстрем — одна миллионная доля сантиметра.

Между электронами этой пары располагаются тысячи других, в свою очередь связанных невидимыми, но прочными нитями. Непарных электронов в сверхпроводнике не существует. Это своего рода громадная молекула, гигантский организм с единым ритмом жизни для всех электронных пар. Электроны, которые раньше задерживались на узлах кристаллической решетки, теперь, объединившись, ведут себя так, будто никакой решетки вообще нет. Стоит их только подтолкнуть один раз, пустить в путешествие по сверхпроводнику, и такой ток никогда не прекратится, ибо сопротивления для него не существует.

Английский профессор Коллинз несколько лет назад проделал подобный опыт. Он вызвал ток в сверхпроводниковом кольце и убрал возбудитель, предоставив электроны самим себе. Эксперимент длился более двух лет. Ток за это время никак не изменился. И лишь когда Коллинз снял сосуд с жидким гелием, обеспечивавшим низкую температуру, кощунство над элементарной физикой прекратилось. Теперь для восстановления тока потребовалось бы вмешательство батареи или иного источника тока, в соответствии с законами нашего привычного мира.

Вечное движение сверхпроводникового тока можно ликвидировать весьма элементарным методом — разорвав электрическую цепь. Стоит перерезать кольцо — и наваждение исчезает. Сквозь щель электроны не пройдут, хотя низкая температура останется в полной неприкосновенности.

А если щель небольшая, совсем крошечная? Скажем, десять или двадцать ангстрем? Электронная пара во много раз превосходит ширину такой щели. Может быть, пара сумеет ее преодолеть столь же уверенно, как перешагивает она узлы кристаллической решетки?

В микромире, где происходят эти события, логика своя — квантовомеханическая. (Теория сверхпроводимости целиком построена на ее принципах — потому так и задержалось объяснение эффекта, что не был еще подготовлен аппарат квантовой механики.) Дуализм электрона — вот основа замысловатой механики микромира. Электрон двулик. Он одновременно и частица, и волна. И именно волновая ипостась позволяет частицам микромира совершать поступки, запрещенные элементарной физикой.

Электронные пары сверхпроводника, если обратиться к их волновой структуре, совпадают друг с другом, практически неразличимы. Частицы одной длины волны и фазы — все они подравнены по одному ранжиру. Квантовая механика разрешает таким парам переходы сквозь небольшие несверхпроводящие препятствия. О такой необычной возможности, раскрывающейся перед электронными парами, вероятно, думали многие. Но первым выступил студент-дипломник Кембриджа, ныне крупнейший английский физик Брайан Джозефсон. В небольшой заметке он проанализировал случай, когда два куска сверхпроводника разделяет небольшая полоса изолятора — «барьер». Джозефсон не только высказал смелую мысль, но и точным расчетом показал, сколь странно должны себя вести электронные пары при «очевидном» туннельном переходе, что было в то время отнюдь не очевидно.

Прошел всего лишь год со дня, когда Джозефсон выступил в щекотливой роли физического пророка, предсказав и явление, и его последствия, а экспериментаторы уже умудрились подтвердить его выкладки. Туннель существует, сверхпроводящие пары проникают сквозь заведомо непроводящий слой.

А затем появилось сообщение из Харькова, где советские физики провели прямую проверку второго, еще более важного эффекта Джозефсона.

И тогда выяснилось главное. Предсказание обернулось открытием, а подтверждение теории сверхпроводимости — тончайшим измерительным инструментарием микромира.

Именно эксперимент прояснил богатое будущее эффекта, открытого «на кончике пера».

Поиски ярких физических опытов, а сверхпроводимость, пожалуй, наилучшая почва для них, привели меня в Харьков, где ученые Физико-технического института низких температур давно и успешно изучают все модификации некогда «странного» явления.

Эксперимент, который показывают мне, впервые проделан задолго до моего посещения. Он стал историческим, служит своего рода вехой на пути реализации одного из побочных эффектов сверхпроводимости, который по воле харьковских физиков обнаружил свою самостоятельность и значимость.

...Из маленькой коробочки появляется стеклянная пластинка. Ее осторожно достают, долго осматривают, сдувают пыль. И три металлические полоски, перехваченные поперек четвертой, поблескивают при свете электрической лампочки.

Это сияет слой олова, напыленного на стекло. Слой тонкий, всего лишь несколько десятков микрон. На краях пластинки контакты. Четыре контакта.

А в руках экспериментатора волновод, пятнадцатисантиметровая трубка, куда укладывают пластинку. Волновод попадает в дьюар (так уже почти сто лет называют сосуды, удерживающие низкие температуры). Во внутреннем дьюаре — гелий, во внешнем— азот. На шкале ртутного манометра начерчены деления — 5, 4, 3, 2, 1 и на некотором, уже разлинованном расстоянии значится «О». Это градусы Кельвина, отсчет от точки «абсолютного нуля».

Жидкие газы залиты, начинается откачка. Почти час работают насосы, гелий испаряется, температура падает. Вот уже миновало три градуса, два градуса, полтора градуса.

Для олова этого достаточно.

Можно пускать ток.

И он пошел, вечный ток сверхпроводимости.

На улице плюс двадцать, то есть, по принятому здесь исчислению, 293 градуса Кельвина. А внутри дьюара почти что абсолютный нуль. Но это никого не удивляет. Обычные температуры. И сверхпроводимость — тоже самый привычный процесс.

Необычно другое — разрыв в цепи, непреодолимая, казалось бы, преграда. Но в полном согласии с теорией, повинуясь расчетам Джозефсона, электрический ток идет через барьер.

Сверхпроводящие пары — соединившиеся воедино электроны — продолжают свое путешествие, прорываясь сквозь непроводящий слой окиси