3. «Призрак» превращается в реальность. Скрипка Дьюара. Сюрприз на финишной прямой. Последняя крепость взята! Окно в мир сверхпроводимости.

3. «Призрак» превращается в реальность. Скрипка Дьюара. Сюрприз на финишной прямой. Последняя крепость взята! Окно в мир сверхпроводимости.

Зыгмунт Флоренты Вроблевский родился в 1845 году в городе Гродно. Окончив гимназию с серебряной медалью, он поступил в 1862 году на физико — математический факультет Киевского университета.

В 1863 году за участие в политической деятельности восемнадцатилетний студент подвергается аресту. Вроблевский проводит шестнадцать месяцев в тюремных застенках Гродно и Вильно, откуда его гонят по этапу в ссылку в город Томск.

Только в 1869 году, амнистированный по «высочайшему манифесту», Вроблевский смог вернуться домой.

Стремясь получить научное образование, опальный студент едет в Германию.

Нелегко пришлось на чужбине молодому человеку, обладающему весьма ограниченными материальными средствами. Приходилось довольствоваться мизерной денежной помощью, которую могли оказать родители, и случайными гонорарами за научно — популярные статьи в русской газете «Сын Отечества».

В сибирской ссылке Вроблевский усиленно изучал научно — популярную литературу по естественным наукам.

Стремясь творчески познать явления окружающего мира, он разработал новую космическую теорию.

Тщетно пытался Вроблевский заинтересовать своей космической теорией немецких физиков Кир- гофа и Клаузиуса. И тот и другой оказали ему весьма холодный прием.

По — иному встретил Вроблевского видный естествоиспытатель, профессор Берлинского университета Г ерман Гельмгольц.

Он внимательно выслушал посетителя и терпеливо разъяснил его ошибки.

— А если мои доводы вас не убедили, то почему ж вам не провести эксперименты в моей лаборатории? — спросил Гельмгольц, доброжелательно глядя на юношу, жаждавшего посвятить свою жизнь науке.

Вроблевский с радостью принял это предложение.

Вскоре он убедился в ошибочности своих космических взглядов и занялся проблемой, имеющей важное значение для развития физики, — исследованием свойств газов.

В 1874 году, после защиты докторской диссертации, Вроблевский получил должность ассистента, а затем доцента при кафедре физики Страсбургского университета.

Работы молодого ученого получили признание научного мира. Они заслужили высокую оценку одного из корифеев науки — английского физика Максвелла.

Польские физики с понятным интересом следили за научными успехами своего соотечественника.

Вроблевский получает приглашение перейти на работу в Краковский университет.

До возвращения на родину Вроблевский в течение одного года работал в лаборатории известного в то время химика, члена Парижской академии наук Сент — Клер Девиля, где он провел ряд экспериментов с аппаратом Кальете.

Наблюдая за голубоватым облачком сжиженного кислорода, внезапно появляющегося внутри толстостенного сосуда, чтобы сразу исчезнуть, словно мираж в пустыне, исследователь задумался над вопросом: как удержать необычайно холодную жидкость?

В 1882 году Вроблевский возглавил кафедру физики в Краковском университете. Он немедленно выписал из Парижа аппарат Кальете.

С не меньшим нетерпением ждал прибытия французского аппарата и другой краковский физик — Кароль Ольшевский. Он в течение многих лет безуспешно работал над усовершенствованием устаревшего оборудования для сжижения газов.

Ольшевский пришел в восторг, когда увидел в Кракове современную аппаратуру Вроблевско- го. Физики стали работать вместе.

Краковская установка для сжижения кислорода была собрана в феврале 1883 года. А уже в апреле того же года в трубке аппарата «спокойно» кипела голубоватая жидкость.

Вроблевский и Ольшевский усовершенствовали аппаратуру Кальете.

Стеклянная трубка была изогнута так, что собирающийся в ней жидкий кислород не мог уходить через расширяющуюся верхушку, а удерживался в нижней части трубки.

Далее, для охлаждения трубки использовался жидкий этилен, кипящий не при атмосферном давлении, как это было в экспериментах Кальете, а при давлении в 2,5 сантиметра ртутного столба, то есть в тридцать раз меньшем. Температура была понижена до — 130 °C.

После того как в трубку был введен кислород под высоким давлением, сквозь прозрачную стенку можно было увидеть капельки жидкости, которые, скатываясь, собирались на донышке. «Призрак» приобрел реальное очертание.

Кислород был сжижен без использованного Кальете первоначального расширения газа.

Схема аппарата Вроблевского и Ольшевского: 1— стеклянная трубка с прочными стенками; 2— стальной цилиндр, наполненный кислородом под высоким давлением: 3— сжиженный кислород; 4 — этилен, кипящий при пониженном давлении и температуре 130 °C. Сквозь стеклянную стенку можно было наблюдать, как в аппарате «спокойно» кипела голубоватая жидкость.

Вскоре был получен в устойчивом состоянии и другой сжиженный атмосферный газ — азот.

Продемонстрировав возможность длительного сохранения жидкого кислорода и жидкого азота, польские физики создали предпосылки для исследования этих холодных жидкостей, их практического применения и дальнейшего продвижения по пути к абсолютному нулю.

Воодушевленные своими успехами, Вроблевский и Ольшевский в 1884 году провели серию опытов по сжижению водорода методом Кальете путем расширения. Наблюдаемый при этом легкий туман они приняли за капли жидкого водорода, но полной уверенности в этом не было, так как туман мог быть следствием какой?либо примеси.

Времена Кальете и Пикте минули. Исследователь, объявивший, что он получил жидкий водород, должен был подтвердить свое заявление более существенными аргументами, чем мимолетное облачко тумана.

Пройти один из наиболее трудных участков пути к абсолютному нулю выпало на долю английского химика и физика Дьюара.

Джеймс Дьюар родился в 1842 году в многодетной семье шотландца — владельца небольшой гостиницы. Он был младшим из семи сыновей. В десятилетнем возрасте Джеймс провалился под лед и в течение нескольких лет после этого происшествия отличался очень слабым здоровьем.

Предоставленный самому себе, мальчик проводил много времени у деревенского столяра, который научил его делать скрипки.

Очевидно, именно тогда у будущего ученого развились ловкость, сноровка и привычка к тонкой физической работе.

Биографы Дьюара отмечают, что в день его золотой свадьбы играли на одной из скрипок, сделанной им самим. На ней была надпись: «Джеймс Дьюар, 1854».

По окончании Эдинбургского университета Дьюар начинает в этом же университете читать лекции по химии. В 1877 году он получает профессуру в Лондонском королевском институте, где работает до последних дней своей жизни.

Научные интересы Дьюара были весьма разнообразны. Но его наиболее выдающиеся достижения относятся к области низких температур.

Узнав о сжижении кислорода, Дьюар выписывает из Парижа аппаратуру и уже летом 1878 года демонстрирует капли жидкого кислорода на своих публичных вечерних чтениях по пятницам.

Работы, проведенные Дьюаром в королевском институте, и его непрерывные демонстрационные опыты наглядно свидетельствовали о том, что сжиженные газы могут и должны «спокойно кипеть в пробирке». Для этого необходимо выполнение двух условий: первое — наличие достаточного количества сжиженного газа, второе — соблюдение предосторожностей, препятствующих немедленному испарению жидкого газа.

Первая проблема к тому времени была уже решена краковскими физиками. Они же наметили путь для решения второй задачи. Напомним, что трубка, в которой сжижался кислород, помещалась в сосуд с жидким этиленом. Образующиеся при испарении этилена холодные пары мешали притоку тепла извне.

Вот тогда в научной терминологии появилось новое слово — криостат (от греческого слова «кри- ос» — холодный). Так стали называть сосуд специальной конструкции, предназначенный для хранения сжиженных газов. Сама же техника получения низких температур получила название криогеники или криогенной техники.

Криостат недолго оставался неразделимой частью аппаратуры для сжижения газов. Скоро этот процесс был видоизменен, так что жидкость из расширительной емкости выпускали через отводную трубку в криостат, который потом можно было отсоединить от установки. Это значительно упростило манипуляции с жидким газом и облегчило проведение экспериментов.

В ту пору криостат представлял сосуд для жидкого газа, погруженный в стеклянный стакан, который был соединен с сосудом пробкой. Получался резервуар с двойными стенками. На дно стакана помещался сушильный агент (вещество, способное впитывать влагу), поглощающий водяные пары в пространстве между стеклянными стенками, препятствующий таким образом образованию изморози.

Теперь во время чтения лекций Дьюар вносил в лекционный зал жидкий кислород, приготовленный заранее, и демонстрировал его свойства перед слушателями.

За десять лет, прошедших с момента первого удачного опыта сжижения кислорода, техника эксперимента в области криогеники шагнула вперед.

Но исследователей, стремящихся продолжать марш к абсолютному нулю, тревожило одно немаловажное обстоятельство.

Для превращения жидкости в пар требуется некоторое количество тепла, называемое скрытой теплотой парообразования или испарения. Теплота испарения кислорода, в пересчете на один грамм, в десять раз меньше, чем у воды. Поэтому для сохранения кислорода в жидком состоянии более или менее продолжительное время криостат нуждался в хорошей тепловой изоляции. А скрытая теплота испарения водорода, согласно оценке ученых того времени, по крайней мере в четыре раза меньше скрытой теплоты испарения кислорода.

Это означало, что если водород все?таки удастся сжижить, то его нельзя будет сохранить в течение какого?либо времени в криостате применяемой тогда конструкции.

На лекции 20 января 1893 года Дьюар демонстрирует вакуумный сосуд, получивший впоследствии его имя, столь совершенной конструкции, что она осталась неизменной вплоть до наших дней[2].

Читатель уже знает, что первоначально в течение ряда лет применялись криостаты с двойными стенками, пространство между которыми можно было освободить только от водяных паров. Дьюар существенно усовершенствовал конструкцию криостата, откачав воздух из пространства между стенками до глубокого вакуума. В результате резко уменьшился теплообмен между окружающей средой и веществом, находящимся внутри сосуда. Для уменьшения тепловых потерь посредством излучения поверхности стенок, образующих вакуумное пространство, покрываются тонким слоем серебра и полируются.

На лекции Дьюар с присущим ему артистическим блеском продемонстрировал преимущество своего изобретения по сравнению со старым типом криостата. Сначала он показал жидкий кислород, находящийся в спокойном состоянии, словно обычная вода.

Затем он отломил носик на стеклянном баллоне; как только воздух попал между стенками, жидкий кислород начал интенсивно кипеть.

Изобретение Дьюаром вакуумного сосуда — огромный шаг вперед в технике низких температур.

Возможность длительного хранения жидких газов в сосудах Дьюара позволила теперь исследователям проводить эксперименты со значительно большими количествами жидкого газа, исчисляющимися уже не кубическими сантиметрами, а литрами.

Решив эту проблему, Дьюар смог непосредственно заняться сжижением водорода.

Какие выводы он смог сделать из опыта своих предшественников?

В первом эксперименте Кальете охлаждение достигалось за счет истечения струи газа из сосуда со сжатым газом. Газ расширялся, и его температура понижалась.

Это был процесс до некоторой степени стихийный и неуправляемый. Напомним, что первоначально струя газа вырвалась из сосуда против воли экспериментатора — в результате аварии. Эффективность такого процесса относительно невелика.

А что, если струю не выпускать в атмосферу, а заставлять газ работать?

Так возникла идея детандера.

Что такое детандер? Попросту говоря, это цилиндр с поршнем.

Газ сжимается с помощью специальной машины — компрессора до давления в десятки, а иногда сотки атмосфер. Сжимаясь, газ нагревается, а это как раз и не нужно! После компрессора газ поступает в теплообменник, представляющий собой змеевик, обтекаемый проточной водой. Здесь газ восстанавливает свою первоначальную температуру.

Затем он попадает в детандер, где толкает поршень, совершая при этом механическую работу. В результате расширения в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой происходит уменьшение внутренней энергии газа, и его температура падает.

После охлаждения газ поступает в холодильную камеру. Отнимая тепло у охлаждаемого тела, газ нагревается и возвращается в компрессор, чтобы снова пройти весь цикл.

Наиболее уязвимым местом этого охлаждающего устройства является собственно детандер. Перемещающийся в цилиндре поршень требует смазки. Между тем смазочный материал, не твердеющий при очень низкой температуре, подобрать трудно.

Не менее сложная проблема — создать уплотнение между цилиндром и поршнем, необходимое для предотвращения утечки газа. К тому же детандер- ный способ охлаждения действует тем хуже, чем ниже температура.

Может быть, можно обойтись без поршня и других движущихся частей?

И Дьюар вспоминает об интересном явлении, обнаруженном еще в 1853–1854 годах английскими учеными Джеймсом Джоулем и Уильямом Томсоном и получившем название эффекта Джоуля — Томсона (дроссельного эффекта).

Суть этого эффекта заключается в изменении температуры газа при прохождении через теплоизолированный дроссель, то есть суженное отверстие (пористую перегородку, вентиль), в направлении от большего давления к меньшему.

Газ проходит через суженное отверстие стационарно: перед дросселем и после него давление должно оставаться постоянным.

До дросселя оно такое, какое создается компрессором, например, десять атмосфер, а после дросселя оно может быть равно, например, одной атмосфере.

Один и тот же газ может иметь при разных температурах и различных начальных давлениях разный по знаку эффект Джоуля — Томсона: положительный (газ охлаждается) или отрицательный (газ нагревается).

Изменение знака эффекта Джоуля — Томсона называется инверсией.

Для большинства газов при комнатной температуре эффект Джоуля — Томсона положителен в широком интервале давлений. Для водорода эффект Джоуля — Томсона в обычных условиях отрицательный. Однако при достаточно низких температурах наступает инверсия: эффект Джоуля — Томсона становится положительным (газ охлаждается).

Забегая вперед, следует заметить, что способ дросселирования и усовершенствованный детандер- ный способ (к нему мы вернемся позже) являются основными для получения холода в современной технике.

Не будем нарушать хронологию повествования.

В начале 1896 года Дьюар публикует статью, где описывает эксперименты с газообразным водородом, осуществленные на его установке, основанной на использовании эффекта Джоуля — Томсона.

Дьюар отмечал, что он не наблюдал никакого охлаждения водорода, когда поступавший в установку газ имел комнатную температуру. Впрочем, ничего другого он не ожидал.

Однако газ, предварительно охлажденный жидким воздухом, поддавался дальнейшему охлаждению. Правда, никаких признаков его сжижения не наблюдалось.

Чтобы показать, насколько низка была температура газообразного водорода, Дьюар направлял струю газа из сопла на жидкий кислород. Последний замерзал, превращаясь в твердое вещество светло — голубого цвета. По оценке Дьюара температура струи была на 20–30 градусов выше абсолютного нуля. Теперь он был уверен, что сжижение водорода вполне осуществимо.

Наконец Дьюар добивается успеха. 10 мая 1898 года он получает 20 кубических сантиметров жидкого водорода, который спокойно кипел в вакуумном сосуде. А еще через год он одерживает свою последнюю победу — переводит водород в твердое состояние.

Вот как это произошло.

Первые попытки Дьюара получить водород в твердой фазе путем откачки паров из сосуда с жидким водородом потерпели неудачу.

Оказалось, что скрытая теплота испарения водорода еще меньшая, чем это предполагалось раньше. Поэтому приток тепла в криостат извне был достаточно велик, чтобы полностью компенсировать то понижение температуры, которое можно получить, испаряя жидкость.

Тогда Дьюар поместил сосуд с жидким водородом в другой сосуд, наполненный жидким воздухом. Внешний сосуд служил как бы экраном, препятствующим притоку тепла извне в центральную часть криостата.

Когда давление паров над поверхностью жидкого водорода упало до пяти миллиметров ртутного столба, в жидкости появилось некоторое подобие пены, которая при дальнейшей откачке превратилась в прозрачную твердую массу.

Представьте себя в роли участника марафонского бега, который, опередив всех своих соперников, первым пересекает линию финиша. Вы ликуете, но тут подбегает судья и заявляет, что линия финиша перенесена и вам предстоит продолжать утомительный бег.

Примерно в таком положении и очутился Дьюар. Получив жидкий водород, он не сомневался, что сделал последний решающий шаг на пути к абсолютному нулю. Но его собственные последующие эксперименты показали, что он ошибся. Водород не был газом, имеющим минимальную температуру кипения (по современным данным температура кипения жидкого водорода 20,4К).

Предстоял следующий этап исследования — сжижения гелия.

Гелий принадлежит к так называемым инертным газам. На Земле его содержится очень мало. Впервые он был обнаружен на… Солнце (откуда и его название: по — гречески «гелиос» — «солнце») в 1868 году при спектральном исследовании солнечной короны.

Лишь в 1895 году английскому химику У. Рамзаю удалось обнаружить гелий на Земле, выделив его из минерала клевеита.

В дальнейшем выяснилось, что и некоторые другие минералы, и природные газы содержат в небольших количествах гелий. «Солнечный газ» был обнаружен также в земной атмосфере, но в мизерной концентрации — менее 0,001 %.

Эксперименты показали, что открытое вещество — гелий остается газообразным даже при таких низких температурах, которые соответствуют твердому состоянию водорода. Предварительные оценки, сделанные в то время различными исследователями, показали, что температура кипения гелия лежит между 2К и 6К (по современным данным температура кипения гелия, при нормальном атмосферном давлении, 4,2К).

В 1908 году Дьюар публикует статью, где описывает все сложности, с которыми ему пришлось столкнуться при проведении экспериментов по сжижению гелия. И все же тон статьи — оптимистичный. Дьюар полон надежды добиться успеха.

Однако резким диссонансом с содержанием статьи прозвучало завершающее ее примечание, сделанное уже при корректуре: «10 июля 1908 года доктор Камерлинг — Оннес из Лейденского университета осуществил сжижение гелия». У самого финиша Дьюара обошел его более счастливый соперник.

…В то время как в стенах старинного Яглонского университета в Кракове в трубке аппарата Вроб- левского и Ольшевского «спокойно кипел кисло- ррд», а в Королевском институте в Лондоне на своей лекции по пятницам, словно фокусник на эстраде, Дьюар демонстрировал, как в его сосуде, будто из «ничего», возникали капли жидкости, в одной из аудиторий университета в голландском городе Лейдене собралось несколько молодых людей.

Нет, здесь не демонстрировались эффектные опыты. Не было и аппаратуры, если не считать большой черной доски. Но присутствующие с вниманием следили за рассказом профессора, внешне похожего на их сверстника.

Извилистыми линиями одна за другой ложатся на доску изотермы[3] реального газа. Лектор соединяет точки на диаграмме, и, словно на географической карте, возникают области различного фазового состояния вещества (газ, жидкость, пар). Рядом ровными строчками выстраиваются формулы.

— Для того чтобы построить изотермы газов, которые мы намерены сжижать, — говорит профессор, — требуется исключительная точность измерений. Отныне девиз «к знанию через измерение» будет начертан на двери нашей лаборатории.

Так закончил профессор свое первое собеседование с молодыми физиками и инженерами, составившими костяк организованной им криогенной лаборатории.

Если бы соревнование на пути к абсолютному нулю проводилось по всем правилам спортивных состязаний, то именно в этот день в судейский протокол должна была бы быть внесена фамилия нового соревнующегося: Гейке Камерлинг — Оннес.

Молодой нидерландский ученый (он родился в 1853 году) уже успел зарекомендовать себя рядом многообещающих работ.

Подобно опытному полководцу, Оннес понимал, что к штурму абсолютного нуля невозможно приступить без серьезной подготовки, без максимальной мобилизации всех наличных людских и материальных ресурсов.

Оннес организовал при своей лаборатории школу прибористов и стеклодувов. Подготовив квалифицированный вспомогательный персонал, он мог проводить в лаборатории задуманные опыты.

В 1892–1894 годах в лаборатории была сконструирована громадная ожижительная четырехкаскадная установка для кислорода, азота и воздуха. Она была настолько совершенна и имела такую производительность, что смогла удовлетворять потребности Лейденской лаборатории на протяжении более тридцати лет.

Неуклонно продвигается Оннес к цели. Водород в ощутимых количествах он ожижает лишь в 1906 году, спустя восемь лет после Дьюара. Однако Лейденская установка была значительно более надежной и производительной — она выдавала до четырех литров жидкого воздуха в час. По сравнению с ней аппараты Дьюара и Ольшевского выглядели детскими игрушками. Теперь Оннес мог создавать без перебоев огромные количества жидкого воздуха и жидкого водорода.

Оннес сумел получить и необходимое количество чистого гелия, что само по себе было немалым достижением: запасы этого редкого газа на земном шаре в то время оставались весьма и весьма ограниченными.

Наконец час решающего эксперимента пробил.

Небольшой голландский город Лейден славен своими научными традициями.

Недаром его именем назван один из первых физических приборов — лейденская банка, прототип современного конденсатора.

Однако мало кто из лейденских жителей мог предполагать, что в этот день — 10 июля 1908 года — в старинных стенах Лейденского университета происходит событие важного научного значения.

Накануне были заготовлены необходимые для начала эксперимента 75 литров жидкого воздуха.

«5 часов 45 минут утра. Установка настроена на сжижение водорода.

13 часов 30 минут. Завершено сжижение 20 литров водорода, необходимых для использования в гелиевом ожижителе.

16 часов 30 минут. Начинается циркуляция жидкого гелия».

Эти короткие, словно строки боевого рапорта, записи в лабораторном журнале отнюдь не отражают подлинную картину волнующих событий, предшествующих покорению последней крепости на пути к абсолютному нулю.

При предварительном охлаждении аппаратуры с помощью жидкого водорода требовалась исключительная осторожность. Случайное проникновение в систему ничтожного количества атмосферного воздуха при осуществлении одной из многочисленных операций поставило бы заключительный эксперимент под угрозу срыва.

Войдя в контакт с жидким водородом, воздух мог бы отвердеть и примерзнуть к стеклу гелиевого сосуда, что помешало бы дальнейшему наблюдению. Но этого не случилось. Тщательно отлаженная аппаратура работала безукоризненно.

Во внутреннем криостате ожижителя в качестве индикатора был размещен особый термометр, показывающий, насколько успешно проходит эксперимент.

В течение длительного времени индикатор почти не смещался, и создавалось впечатление, что нет даже малейшего признака охлаждения. Проводились всевозможные манипуляции с регулированием расширительного клапана и корректировкой давления, пока наконец не было замечено постепенное снижение температуры. Казалось, что температура центрального сосуда падает медленно и скачкообразно, а затем снижение температуры и вовсе прекратилось. И хотя уже был израсходован весь имеющийся в наличии жидкий водород, никакого признака сжижения гелия не наблюдалось.

Трудно описать уныние, охватившее всех участников эксперимента. Похоже было на то, что попытка сжижения гелия потерпела крах.

Между тем университет весь день жил слухами, что идет выдающийся эксперимент, и коллеги Оннес а устремились в его лабораторию, чтобы собственными глазами увидеть, как обстоит дело.

Когда стало казаться, что эксперимент обречен на неудачу, один из профессоров университета высказал догадку, что отсутствие отклонения индикатора объясняется тем, что он погружен в кипящую жидкость.

— Может быть, гелий всё?таки сжижен, но его просто не видно? — спросил он.

К счастью, одному из участников эксперимента пришла в голову мысль осветить сосуд снизу. И вдруг неожиданно появился уровень жидкости, теперь ясно различимый благодаря отра — женйю света снизу. Центральный сосуд был почти полностью заполнен жидким гелием.

Последняя крепость на пути к абсолютному нулю была взята.

В первом эксперименте было получено более 60 кубических сантиметров жидкого гелия.

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.


Следующая глава >>