Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

ШТУРМ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ

О сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг…

А. С. Пушкин

Ранняя весна 1987 года несомненно войдет в грядущую летопись мировой науки как одна из наиболее ярких дат.

Представление о накале событий тех дней дает репортаж, опубликованный в одной из нью — йоркских газет в марте месяце того года:

«…Физики трех континентов предприняли атаку на один из нью — йоркских отелей, чтобы стать участниками созванной на скорую руку конференции…

Двери конференц — зала открыли в среду ранним вечером перед ревущей, блистающей всеми красками толпой, внезапно потерявшей свое профессорское достоинство. В течение трех минут она заполнила все 1200 мест для сидения, после чего еще около 1000 физиков набились в проходы между рядами и заняли места у простенков зала. Сотни других сражались у дверей за право войти.

Заседание продолжалось до трех часов ночи. Доклады транслировались по телемониторам, расположенным по гостиничным коридорам, около которых сгруппировались не попавшие на заседание ученые… Даже после официального закрытия обсуждение продолжалось до шести часов утра…

Это феномен, ничего подобного в истории физики еще не было, — сказал Теодор Гебалл из Стенфордского университета…»

В те мартовские дни ученые осаждали и конфе — ренц — зал Института физических проблем имени С. И. Вавилова Академии наук СССР.

На научных форумах и в Москве и в Нью — Йорке обсуждалось одно и то же событие — открытие высокотемпературной сверхпроводимости.

Трудно назвать другое открытие в мировой науке со столь сложной, причудливой и вместе с тем увлекательной судьбой.

История первооткрытия сверхпроводимости тесно связана с развитием физики низких температур.

Известно, что на верхний предел температур природа никаких ограничений не наложила. На Земле, в зоне термоядерных реакций, достигнуты температуры в сотни миллионов градусов, а в недрах звезд температуры составляют миллиарды и триллионы градусов.

Однако нижний предел температур строго ограничен законами физики. Это абсолютный нуль по шкале Кельвина или минус 273 градуса по Цельсию. Перейти этот рубеж не дано ни на Земле, ни в космосе, но и приблизиться к нему было совсем не легко.

Чтобы проникнуть в манящую своей загадочностью и недоступностью область температур вблизи абсолютного нуля, открыть удивительное физическое явление — сверхпроводимость, ученым пришлось преодолеть многочисленные препятствия.

Рассказом об этом своеобразном штурме абсолютного нуля и начинается эта книга.

1. Почему «обидели» температуру? Ошибка Фаренгейта. Порядок и беспорядок. Когда путь вниз труднее подъема. Ледяной кипяток. Существуют ли на Земле «холодные жидкости»?

Длину мы измеряем в метрах, массу — в граммах, время в секундах, а температуру в градусах.

Расстояние между городами исчисляется в десятках и сотнях километров, высота здания в метрах, а межатомные расстояния в стомиллионных долях сантиметра. Но во всех случаях эти величины положительные.

Выпуск продукции промышленных предприятий планируется в тоннах, в повседневной жизни мы имеем дело с килограммами и граммами. А для того чтобы выразить в граммах массу мельчайшей материальной частицы электрона, мы после запятой, перед первой значащей цифрой, должны написать 26 нулей. И все же это величина положительная.

И если вы прочтете в задачнике, что «расстояние между пунктом А и пунктом Б равно минус 5 метров», то сразу догадаетесь, что знак «минус» здесь опечатка.

Такой же бессмысленностью в обыденной жизни представляются «отрицательный вес» и «отрицательное время». Но если вы скажете, к примеру, что температура воздуха равна минус 10 градусов, то этим вы никого не удивите.

В чем же здесь дело?

Если мы говорим, например, положительный человек, то это самый большой комплимент. Наоборот, отрицательные явления надо изживать.

Почему же так «обидели» температуру? Мы ей приписываем как положительные, так и отрицательные значения, в то время как другим физическим величинам только положительные.

Справедливо ли это?

Когда мы измеряем длину с помощью линейки или рулетки, взвешиваем предмет или запускаем стрелку секундомера, то при отсчете на шкале прибора или приспособления мы исходим из отметки «нуль», соответствующей наименьшему возможному значению величины. Поэтому во всех трех случаях значения измеряемых величин не могут быть меньше нуля.

Когда же впервые разрабатывались температурные шкалы, никто даже приблизительно не знал, какая может быть наименьшая температура, то есть с какой точки нужно начинать отсчет.

В 1714 году немецкий физик — самоучка Габриель Фаренгейт за «нуль», то есть за низшую точку температурной шкалы, принял температуру смеси снега и нашатыря. За вторую опорную точку Фаренгейт принял, как он утверждал, нормальную температуру человеческого тела. Интервал между этими двумя точками он разбил на 100 равных делений. Каждое такое деление получило название «градус Фаренгейта», обозначаемый так: °Р (по первой букве фамилии ученого Fahrenheit).

По шкале Фаренгейта точка таяния льда +320F, а точка кипения воды —212°F. Эта шкала до сих пор употребляется в Англии и США.

В 1742 году шведский астроном и физик Андерс Цельсий предложил шкалу термометра, в которой интервал между точкой таяния льда и точкой кипения воды был разбит на 100 равных частей, каждая из которых получила название «градус Цельсия», обозначаемый так: °С (по первой букве фамилии ученого Celsius). Точка таяния льда была принята за 0 °C, а точка кипения воды за 100 °C.

Эта шкала находит широкое применение в СССР и многих других странах.

Как перейти от температуры в градусах по шкале Фаренгейта к температуре в градусах по шкале Цельсия?

Расстояние между точкой таяния льда и точкой кипения воды на шкале Фаренгейта составляет 212—32= 180 градусов, а на шкале Цельсия только 100 градусов. Следовательно, один градус Фаренгейта равнозначен 5/9 градусам Цельсия. Кроме того, точка таяния льда на шкале Фаренгейта сдви — нута вверх на 32 градуса по сравнению со шкалой Цельсия.

Отсюда легко можно вывести формулу перевода градусов Фаренгейта в градусы Цельсия: t°С = 5/9 (n°F — 32), где введены следующие обозначения: t°С — температура в градусах по шкале Цельсия; n°Р — температура в градусах по шкале Фаренгейта.

А теперь мы предлагаем читателю определить, какую ошибку допустил Фаренгейт при разработке своей шкалы. Напомним, что Фаренгейт принял за нормальную температуру человеческого тела 100°F.

Подставив эту величину в приведенную выше формулу, мы обнаружим, что она соответствует 37,8 °C.

Но ведь с такой температурой врач немедленно отправит вас в постель!

В действительности нормальная температура человеческого тела не 100°F, а примерно 98°F.

Наличие двух разных температурных шкал создает определенные неудобства, особенно в наш век, когда контакты между людьми разных стран и континентов становятся все более тесными.

Однажды в гостинице одного из городов Европы остановился американский промышленник. Назовем его мистер Смит.

По приезде мистер Смит (он был человек предусмотрительный) вынул из чемодана взятый из дому привычный для него термометр Фаренгейта.

Однако в спешке (прибыло еще много других гостей) горничная перепутала и установила термометр Фаренгейта за окном соседнего номера, где остановился турист из Парижа — месье Поль, а в номере американца остался числящийся по описи гостиницы термометр Цельсия.

Вот что из этого вышло.

Представьте себе утро погожего дня ранней весны. Хотя столбик термометра еще стоит на нуле по Цельсию, под солнечными лучами уже начинает подтаивать. На выходе из гостиницы остановились двое.

Один из них — обливающийся потом американец, облаченный в тяжелую шубу. Он закутал свое лицо так, что виднеется только кончик носа. Рядом подпрыгивает, стуча от холода зубами, француз. Он оделся так, будто в знойный день собрался на пляж.

Этому предшествовали следующие события.

Проснувшись, мистер Смит первым делом взглянул на термометр (он был уверен, что это термометр Фаренгейта, а на самом деле это был, как мы уже знаем, термометр Цельсия).

«Брр, какой ужасный мороз», — подумал американец: столбик термометра стоял на отметке 0° (используя приведенную выше формулу, легко подсчитать, что 0° по Фаренгейту соответствует минус 18° по Цельсию).

Естественно, мистер Смит экипировался соответствующим образом.

В то же самое время месье Поль, который не подозревал, что за окном его номера установлен термометр Фаренгейта, воскликнул: