Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Он обнаружил, что запрещенные энергии легко наблюдаемы и их можно измерять с помощью разработанной им раньше методики. Эти наблюдения стали подтверждением теории БКШ. А дальнейшие исследования напыленных пленок алюминия, разделенных только слоем окисла алюминия, показали, что электрические свойства таких переходов позволяют получить огромное количество информации о характеристиках атомных колебаний и поведении сверхпроводников. Метод туннелирования Джайевера быстро стал одним из основных способов наблюдения и определения свойств сверхпроводников.

Брайан Д. Джозефсон (р. 1940) в ранние студенческие годы занимался эффектом Мессбауэра. В 1962 г. он, как говорят, поспорил с экзаменатором, что можно найти случай, когда постоянный ток течет через разрыв в электрической цепи. Вспомнив, возможно, о работах Джайевера он теоретически рассчитал, как будет вести себя аналогичный контакт между двумя сверхпроводниками: получалось, что ток может течь через изолятор и при отсутствии разности потенциалов между двумя проводниками (стационарный эффект Джозефсона), — если барьер достаточно узок, то куперовскую пару могут образовывать два электрона, находящиеся по разные его стороны. Это был совершенно неожиданный, не согласующийся с классическими моделями результат.

Джозефсон также предположил, что если к такому контакту приложить разность потенциалов, то через него пойдет осциллирующий ток с частотой, зависящей только от величины приложенного напряжения (нестационарный эффект Джозефсона). Оба эффекта очень чувствительны к магнитному полю в области контакта. Эти явления были вскоре подтверждены экспериментально, и их свойства полностью согласовывались с теорией. (Оказалось, что многие экспериментаторы, использующие методику Джайевера, и ранее наблюдали эффекты Джозефсона, но отбрасывали их как «шумы».)

В 1973 г. Лео Эсаки, Айвар Джайевер и Брайан Д. Джозефсон были удостоены Нобелевской премии по физике.

Физика низких температур — обширная область исследований, не устающая преподносить сюрпризы ученым. Мы кратко перечислим некоторые из них.

В течение многих лет в мире физики безраздельно господствовала теория БКШ, ее положение казалось незыблемым. Сверхпроводимость вышла уже в технику: для больших ускорителей с начала 1970-х гг. строятся гигантские электромагниты с обмотками из сверхпроводников. Рассматриваются и возможности использования сверхпроводников в суперкомпьютерах.

Исследования сверхпроводимости, конечно, продолжались; в некоторых сплавах, в основном с ниобием, удавалось чуточку, на десятую, на сотую градуса поднять критическую температуру. Так дошли почти до 23 К, т. е. до минус 250 градусов по шкале Цельсия. Дело в том, что поиск сверхпроводников с более высокой температурой перехода имеет огромное техническое и экономическое значение: гелий очень дорог, и использование его для охлаждения, скажем, линий электропередач нерентабельно, но, если бы удалось найти сверхпроводники с температурой перехода порядка температуры сжижения воздуха (83 К, т. е. -190 °C), это позволило бы решить множество проблем электротехники.

И вдруг, сенсация мирового масштаба: в 1986 г. Алекс Мюллер (р. 1927) и Иоганн Георг Бедхорц (р. 1950) сообщают об открытии ими веществ, совсем не металлов, а керамик, содержащих медь и некоторые редкоземельные элементы, но переходящих в сверхпроводящее состояние при гораздо более высоких температурах (в настоящее время — уже почти при комнатных!). Нобелевскую премию они, и это тоже сенсационно, получают почти сейчас же. Но к этим веществам теория БКШ, по-видимому, не применима и природа высокотемпературной сверхпроводимости совершенно не ясна. К тому же керамики очень нетехнологичны — из них нельзя вытягивать провода, и у них очень низок критический ток разрушения сверхпроводимости.

А еще одна сенсация прозвучала в начале 2002 г.: очень простое соединение, диборид магния (МдВ2 — фактически это просто тальк, которым присыпают припухлости у детей), переходит в сверхпроводящее состояние при 39 К, и притом это вовсе не керамика, а температура перехода у него много выше, чем предсказывает БКШ. Что это: интуиция исследователей, случайность, необходимость новой теории? Поиск продолжается и никаких признаков его окончания не видно.

Раздел II

Ядро? Элементарно!

Глава 1

Атомное ядро

Как мы помним, в 1911 г. Резерфорд открыл существование атомного ядра. После этого, естественно, он продолжил облучение атомов различных веществ альфа-частицами с целью выявить особенности их структуры: к тому времени нельзя было исключить, что все ядра разных веществ — это принципиально разные частицы. Правда, при радиоактивном распаде одни элементы превращались в другие: уран в радий и т. д. Но, может быть, таковы только радиоактивные элементы? Вот если удастся превратить один стабильный элемент в другой, тогда можно будет говорить о том, что ядра не являются элементарными частицами, и даже думать об их составе.

В 1914 г. Резерфорд уже выдвигает идею об искусственном превращении одних ядер в другие: он предполагает, например, что ядро атома может поглотить один из своих электронов и тем самым понизить свой заряд на единицу, перейти на клетку влево в таблице элементов. (Такое явление действительно открыли, правда, гораздо позже — оно называется электронным захватом и сродни бета-распаду) И только в 1919 г. мечта Резерфорда сбывается: азот, облученный альфа-частицами, превращается в кислород! (Деталей этого превращения он не выясняет, да они сейчас и не важны — главное, что превращения элементов возможны, ядра не являются элементарными частицами!)

Как об элементарной частице можно говорить только о ядре водорода — от него нечего отщеплять, поэтому такое ядро Резерфорд назвал протоном (по-гречески — «первый»).

Итак, к электрону и фотону добавилась третья элементарная частица, протон: масса его в 1836 раз больше массы электрона, а радиус в 10 000 раз меньше радиуса атома.

Теперь на повестку дня становится вопрос о структуре ядер других атомов, и в первую очередь естественно уточнить, что же происходит с ними при радиоактивных распадах. Такие исследования провел Фредерик Содди (1877–1956, Нобелевская премия по химии 1921), который до того разработал, вместе с Резерфордом, теорию радиоактивности. Начинал работать он вместе с Уильямом Рамзаем (1852–1916, Нобелевская премия по химии 1904 г. за открытие благородных газов): именно они сумели по тысячным долям микрограммов, накапливая альфа-частицы в каких-то очень хитро устроенных сосудах, выяснить, что они являются ядрами атома гелия. А совместно с Казимежом Фаянсом (1887–1975) Содди установил, что при испускании альфа-частицы образующееся ядро сдвигается влево на два номера в таблице Менделеева, а при испускании бета-частицы, т. е. электрона, подвигается на одно место вправо (закон Содди-Фаянса).

Теперь казалось естественным, что, поскольку из ядер вылетают альфа-частицы и электроны, то ядра состоят из этих тесно связанных частиц и протонов. Так, следующее по сложности после водорода — ядро атома гелия, т. е. сама альфа-частица: ее масса в четыре раза больше массы протона, а заряд вдвое больше, поэтому можно предположить, что она сама составлена из четырех протонов и двух электронов. Ну а дальше?

Явный сигнал о неблагополучии дал тот же Содди в 1913 г.: он доказал существование изотопов (греческие «изоз» — равный и «топос» — место), т. е. атомов, помещающихся в одну клетку периодической системы, но имеющих разную массу. Получается, что масса ядра может быть различной при одних и тех же химических свойствах атомов.

Но самое большое затруднение, полностью опрокинувшее эту модель ядра, связано со спином. Как мы говорили, спин электрона равен ½, вскоре оказалось, что у протона спин такой же, тоже равен ½. Следовательно, нейтральная система «протон + электрон» должна иметь спин, равный нулю или единице. (Резерфорд даже думал, что такая система может быть устойчивой, и иногда называл ее нейтроном.) Спины ядер прямо пропорциональны их магнитному моменту, от величины которого зависит, будут расщеплены спектральные линии атомов или нет. Поэтому спины ядер не так уж и сложно измерить.

И когда эти измерения начались, разразилась так называемая «азотная катастрофа». Ядро азота, массовое число которого равно 14, а порядковый номер, т. е. заряд, согласно закону Мозли, равен 7, должно было бы содержать 14 протонов и 7 электронов, но складывая 21 раз величины спинов ½ (частично вверх, частично вниз направленных) никак нельзя получить нуль. А эксперимент упорно показывал, что спин ядра азота равен именно нулю!

Протонно-электронная модель ядра зашла в тупик.

Выход из этого тупика и открытие нейтрона — заслуга Джеймса Чедвика (1891–1974, Нобелевская премия 1935 г.). Человек очень застенчивый, он попал в физику случайно: поступал в университет, собираясь изучать математику, однако, по недоразумению, с ним провели собеседование по физике. Слишком скромный, чтобы указать на ошибку, он внимательно выслушал вопросы, которые ему задавали, и решил сменить специализацию. Став физиком, Чедвик успешно работал с Резерфордом по проблемам радиоактивности.