Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

Перед завершением опыта Оннес сделал попытку получить гелий в твердом состоянии, осуществляя дальнейшее понижение температуры путем уменьшения давления в объеме, где кипела жидкость. С этой целью он испарял жидкость до тех пор, пока ее осталось лишь 10 кубических сантиметров. Затем подсоединил криостат к сильному вакуумному насосу, понижающему давление над кипящей жидкостью до одной сотой атмосферного. И… никаких признаков затвердения гелия!

В следующем, 1909 году Оннес вернулся к попытке получить твердый гелий. Ему удалось снизить давление пара над жидкостью до двух миллиметров ртутного столба, что соответствовало 1,38К. Затем, используя более мощные вакуумные насосы, он довел давление до 0,2 миллиметра ртутного столба, снизив температуру жидкого гелия до 1,04К. Еще через несколько лет, используя батарею из двенадцати новых диффузионных насосов, он довел температуру до 0,83К. Увы, гелий «не хотел» переходить в твердое состояние даже при таких температурах!

Оннесу не суждено было дожить до того момента, когда эта загадка была окончательно объяснена.

Но интерес Оннеса и его школы к проблеме достижения очень низких температур несколько ослаб после того, как в 1911 году в исследовательской работе Лейденской лаборатории появилось существенно новое направление.

Имея в своем арсенале новую область температур, так называемые «гелиевые температуры», Ка- мерлинг — Оннес приступил к исследованию свойств веществ в температурном интервале от нескольких кельвинов до абсолютного нуля.

Измерение, которое можно было сравнительно легко провести при столь низких температурах, заключалось в определении электрического сопротивления провода. Вопрос о величине электрического сопротивления чистых металлов при низких температурах к тому времени приобрел важное значение.

Немецкий физик Вальтер Нернст высказал предположение, что при понижении температуры электрическое сопротивление чистого металла должно постепенно уменьшаться, совсем исчезая при абсолютном нуле.

Этим же вопросом занимался Дьюар, проводивший измерения при температуре жидкого азота. Он обнаружил, что сопротивление платины при понижении температуры падает с меньшей скоростью, чем предполагалось.

Считалось, что этот результат подтверждает другую теорию, согласно которой носители заряда при абсолютном нуле должны быть прочно связаны с атомами. Следовательно, электрическое сопротивление при самых низких температурах должно быть бесконечно большим.

Итак, существовали две взаимно противоположные точки зрения. Чему же, в конце концов, должно быть равно электрическое сопротивление при абсолютном нуле: нулю или бесконечности? При таких обстоятельствах к попыткам решить эту проблему подключился Камерлинг — Оннес.

Оннес начал эксперименты с той стадии, на которой их окончил Дьюар: он приступил к определению сопротивления платины уже при гелиевых температурах.

Результаты сначала были мало обнадеживающими: они не подтверждали и не опровергали никакую теорию. Электрическое сопротивление ни падало, ни росло при понижении температуры — оно оставалось постоянным. Оннес заметил, что абсолютная величина сопротивления в его экспериментах не зависит от температуры — она меняется от образца к образцу, и чем чище металл, тем ниже сопротивление. Скорее всего, прав был Нернст, решил Оннес, и сопротивление должно уменьшаться при снижении температуры, но этому препятствуют примеси.

Надо уничтожить примеси. Оннес знал, что золото легче очистить от примесей, чем платину, и он приступил к экспериментам с проводами из самого чистого золота, которое ему удалось достать. Хотя полученные при измерениях значения сопротивления были много ниже, чем у платины, однако и на сей раз сопротивление золота падало с увеличением степени его чистоты.

Но разве исчерпаны все возможности? Ведь существует и другой металл, который можно получить в еще более чистом виде, чем золото. Это ртуть.

Поскольку ртуть при комнатной температуре находится в жидком состоянии, ее можно перегонять вновь и вновь сколько угодно раз, пока не будет достигнута требуемая степень чистоты.

В середине 1911 года Оннес проводит эксперимент, всю значимость которого оценили лишь много лет спустя.

На следующей странице изображена кривая зависимости электрического сопротивления ртути от температуры, построенная на основании результатов этого эксперимента. С понижением температуры сопротивление ртути постепенно уменьшается — кривая более или менее плавно снижается. Вот температура упала до точки кипения гелия, вот она стала чуть меньше.

Что произойдет дальше? Может быть, кривая, в соответствии с теорией Нернста, будет так же плавно снижаться вплоть до абсолютного нуля температуры?

Может быть, наоборот, кривая круто повернет вверх, устремляясь в бесконечность, как это следовало бы ожидать из результатов Дьюара?

Оказывается, при температуре несколько ниже точки кипения гелия кривая резко повернула вниз, словно провалившись в пропасть. Электрическое сопротивление ртути внезапно исчезло.

Ученый снова и снова повторял эксперимент: ход кривой повторялся с завидным постоянством.

С тех пор в науку вошло новое понятие — сверхпроводимость — явление скачкообразного исчезновения электрического сопротивления металла при охлаждении его до достаточно низкой температуры.

Вскоре оказалось, что явление сверхпроводимости присуще не только ртути, но и олову, свинцу, некоторым другим металлам и сплавам, причем каждый из них имеет свою температуру перехода в сверхпроводящее состояние, которую принято называть критической температурой.

Открытие сверхпроводимости. График иллюстрирует удивительное поведение кривой зависимости, электрического сопротивления ртути от температуры вблизи абсолютного нуля. Резко поворачивая вниз, кривая устремляется в манящую своей загадочностью область сверхпроводимости.

Так завершился продолжавшийся почти сто лет марш первопроходцев в область абсолютного нуля.

Камерлинг — Оннес, первый проникший в эту область, сделал одно из самых выдающихся открытий XX века. Он обнаружил совершенно новое свойство вещества, скрытое ранее в области очень низких температур, — сверхпроводимость.

В 1913 году Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике «За исследование свойств материи при низких температурах, которое привело, между прочим, к получению жидкого гелия». В 1925 году он был избран членом — корреспонден- том Академии наук СССР.

4. Как измерить «ничего». Вечное движение. Привередливые сверхпроводники. «Гроб Магомета». Заколдованный круг.

Мы говорим, что сверхпроводимость характеризуется исчезновением электрического сопротивления. Но если сопротивление «исчезает», то как его измерить?

Физики на слово не верят. Между тем каждый, даже самый точный физический прибор обладает некоторой погрешностью измерения. Если, к примеру, стрелка амперметра, включенного в электрическую цепь, стоит на нуле, то не спешите делать вывод, что в цепи нет никакого электрического тока. Вы можете только сказать, что ток в цепи не превышает некоторую, пусть очень малую величину, определяемую чувствительностью прибора (эта величина обычно указывается в паспорте прибора).

Каким же образом Камерлинг — Оннесу удалось измерить исчезновение электрического сопротивления?

Оннес изготовил катушку из свинцового провода и поместил ее в сосуд Дьюара, заполненный жидким гелием. Катушка охладилась до сверхпроводящего состояния. Она была подключена через первый ключ к электрической батарее, а с помощью второго, сверхпроводящего ключа катушку можно было замыкать накоротко. В начале эксперимента первый ключ был замкнут, а второй разомкнут. При этом ток, возбуждаемый батареей, проходил через катушку, создавая вокруг нее магнитное поле. Под влиянием этого поля отклонялась стрелка магнитного компаса, расположенного вне сосуда Дьюара. Затем второй ключ замыкался, а первый размыкался. Таким образом, свинцовая обмотка оказалась замкнутой накоротко. Однако стрелка компаса оставалась отклоненной, показывая, что ток все еще протекал через обмотку, хотя она теперь от батареи не питалась.

Если бы обмотка обладала каким‑нибудь, даже очень малым электрическим сопротивлением, то ток в катушке постепенно уменьшался бы во времени, или, как говорят физики, затухал, вплоть до его полного исчезновения.

Но ничего подобного не произошло. В свинцовой обмотке все время циркулировал электрический ток. И до тех пор пока через несколько часов жидкий гелий в сосуде Дьюара полностью не испарился и обмотка перестала быть сверхпроводящей, не было ни малейшего изменения отклонения стрелки.