По следам оловянной чумы

По следам оловянной чумы

Мы должны знать — мы будем знать.

Давид Гильберт

Кто злоумышленник?

Странный случай, происшедший на одном из складов военной амуниции в Петербурге полтора столетия тому назад, можно, пожалуй, считать началом этой истории.

Как и всякий военный склад, этот тоже тщательно охранялся. Тем не менее партия новеньких солдатских шинелей с победоносно поблескивающими оловянными пуговицами была приведена в негодность и представляла печальное зрелище. Шинели были перепачканы каким-то серым, неприятным веществом, а пуговицы исчезли.

Виновник загадочного происшествия так и не был найден, хотя занимались этим вопросом не только следователи, но и Петербургская академия наук. Злодейству оловянной чумы было посвящено не одно ее заседание. Тайна олова долго не давала спать седовласым ученым и чуть не подорвала престиж тогдашней науки.

А затем последовал еще ряд событий, казалось, не связанных между собой.

В начале нашего века, отмеченного целым рядом героических попыток дорисовать карту Земли, к берегам Антарктиды направились экспедиционные корабли Роберта Скотта. Они подходили все ближе и ближе к таинственной земле. Людям становилось все труднее дышать и двигаться. Начались приготовления к высадке, как вдруг путешествие оборвалось самым неожиданным образом. Случилось то, что никогда еще не случалось ни с одним кораблем в мире: развалились баки с горючим. Со швов сыпалась, как штукатурка, оловянная пайка.

Слух об этом происшествии тоже достиг высоких ученых собраний и стал предметом ожесточенных споров, предположений, догадок. Но объяснение в то время так и не было найдено.

Оловянная чума сеяла панику. Она разгуливала по складам, и вместо аккуратных брусочков белого олова в них находили груды грязновато-серого порошкообразного вещества, неведомо откуда взявшегося.

Однако инфекция была разборчива. Она посещала не все склады, а выбирала лишь те, которые сооружались зимой, наспех. Оловянная чума как бы подстерегала момент, когда олово выгружалось на холоде, и набрасывалась на металл.

Странное дело, во всех этих случаях пострадавшим, с которым происходили непонятные метаморфозы, было олово. Но все это было явно не подвластно знаменитым сыщикам из романов с их увлекательными индуктивными и дедуктивными методами, успешно ведущими читателя по пути разгадки.

Тайной оловянной чумы всерьез занялись ученые. Это было не менее увлекательно, чем чтение детективных романов.

Открытый на Солнце

До 1868 года его не видел ни один человек. Никто его не знал и о нем ничего не слышал.

Впервые его присутствие было обнаружено на Солнце. Он оставил ярко-желтые следы в солнечном спектре. Их нашли сразу два астронома — француз П. Жансен, которому пришлось для этого совершить путешествие в Индию, и англичанин Н. Локьер, и не думавший покидать Лондон.

Каждый из них тотчас сообщил о необыкновенных следах в Парижскую академию наук. И письма эти пришли в один и тот же день, что немало позабавило академиков. В честь этого удивительного события они даже заказали золотую медаль. Ее украсили портреты Жансена, Локьера и бога Солнца Аполлона, восседающего на колеснице.

Вещество, найденное на Солнце, Локьер назвал именем Солнца — «гелий».

Гелий увидели на расстояний в 150 миллионов километров от Земли, и он еще долго никого не подпускал к себе на более близкое расстояние. Но прошло 25 лет, и английскому ученому Рэлею удалось запереть его в колбу в собственной лаборатории. Однако ученый вначале даже не подозревал, кто его пленник.

Просто Рэлей хотел восполнить пробел, существовавший в «статистическом ведомстве» химии. Он решил точно измерить удельный вес всех известных химикам газов. Надо было положить конец неразберихе, которая возникла из-за грубых, приближенных измерений.

Рэлей взял самые точные весы и без помех, не торопясь тщательно взвесил водород, потом кислород и занялся азотом, добыв его из воздуха. Веса газов он определил очень точно, вплоть до четвертого знака после запятой. И был вполне доволен своей работой. Но чтобы еще раз убедиться в правильности измерений, Рэлей стал снова мерить веса тех же газов, но добытых другим способом.

Так он проверил удельный вес водорода, кислорода и снова занялся азотом. Но на этот раз добыл его не из воздуха, а из аммиака.

И тут работа застопорилась. Литр азота, добытого из аммиака, почему-то был легче, чем литр азота из воздуха! Меньше на пустяк, не хватало каких-то 6 миллиграммов. Но тем не менее эта разница заставила Рэлея потрудиться. Сколько ни повторял он взвешивание, литр азота не тянул на положенный вес. Ничтожный, блошиный вес не давал исследователю сдвинуться с места.

Рэлей был не таким ученым, который может отмахнуться от факта.

Он начал добывать азот из самых различных химических соединений и каждый раз заново его взвешивать. И удивительно — веса всех азотов совпадали с весом азота, добытого из аммиака, но не из воздуха. Воздушный азот был самым тяжелым!

В это на первый взгляд ничтожное дело включился еще один известный ученый — Рамзай, у которого, надо думать, были дела и поважнее. Но и он не мог оставить такой факт без внимания. Рамзай тоже стал взвешивать азот.

Как одержимые Рэлей и Рамзай перегоняли газы из одной колбы в другую, очищали, взвешивали… Им было недосуг ни пообедать, ни поговорить. Они не выходили из своих лабораторий, а вечерами обменивались письмами.

И вот оба разными путями пришли к одному и тому же выводу: выделенный из воздуха азот не является азотом. Вернее, это не просто азот. К нему явно примешан другой, неизвестный газ. Но какой?

Потянулись месяцы опытов и раздумий. И в конце концов в пробирке с «чистым» азотом ученые нашли… солнечное вещество. Но прежде чем они настигли его, в «воздушном азоте» был обнаружен сначала аргон, затем криптон — дотоле неизвестные газы, — а потом уж и гелий.

К этому времени гелий был выделен и из минерала клевеита. Так солнечное вещество спустилось на Землю.

И на нашей планете его оказалось так много, что просто поразительно, почему же о нем ничего не знали химики. А узнав, почему так долго гонялись за ним?

Рамзай с присущим ему юмором сказал как-то:

— Поиски гелия напоминают мне поиски очков, которые старый профессор ищет на ковре, на столе, под газетами и находит, наконец, у себя на носу.

Так люди впервые услышали о гелии, показания которого пролили впоследствии свет на тайну оловянной чумы.

Двуликий газ

Гелий оказался газом без запаха и цвета, неспособным соединяться ни с каким другим элементом; самым легким элементом из семейства инертных газов. Казалось, это скромный труженик с покладистым характером; им наполняли дирижабли, применяли его и в металлургии и в медицине. Но, на первый взгляд ничем особенным не примечательный, газ имел и второе лицо.

Странности начались тотчас, как гелий охладили. Ученые привыкли к тому, что в таких случаях газы густеют и уплотняются, превращаясь сначала в жидкость, а потом замерзая в твердое кристаллическое тело.

Было хорошо известно, что кислород сжижается при минус 183 градусах Цельсия, азот при минус 196 градусах, водород около минус 253 градусов. Но гелий повел себя совершенно иначе.

Многие пробовали его охлаждать. Была уже пройдена «точка кислорода», и «точка азота», и «точка водорода», а гелий не собирался сжижаться. Он упорно оставался газом.

Только в 1908 году голландскому физику Г. Каммерлинг-Оннесу удалось сделать, казалось, невероятное: он заставил гелий превратиться в жидкость. И случилось это при температуре минус 269 градусов Цельсия! Такой низкой температуры человек не получал еще никогда.

При такой температуре все другие газы становились твердыми, как кусок льда. А гелий превращался в прозрачную жидкость, напоминающую газированную воду.

Но эта безобидная на вид жидкость была в семьдесят пять раз холоднее ледяной воды!

Кристаллизоваться же гелий не хотел даже вблизи абсолютного нуля — при минус 273 градусах Цельсия, самой низкой температуре, которая только возможна в природе. Этим он бросал вызов всей классической физике, провозглашавшей, что всякое движение при абсолютном нуле прекращается. Все должно замерзнуть! А поскольку гелий оставался жидким, значит его атомы все-таки двигались, они не подчинялись закону «вечного покоя».

Несмотря на то, что в 1926 году голландец В. Кеезом справился с гелием и заставил его затвердеть, призвав на помощь морозу высокое давление, зерно сомнения было посеяно. Гелий стал одним из свидетелей против классической физики. С помощью известных законов физика не могла объяснить его поведения.

Ученые еще не перестали удивляться странному поведению благородного газа, как новая сенсация завладела их вниманием. Каммерлинг-Оннес, заставив гелий обратиться в жидкость, решил полюбопытствовать, что будет в таком холоде, например, с ртутью. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что в таком климате, который создается в ванне с жидким гелием, электрическое сопротивление ртути исчезло! Легко представить себе, как он подозрительно поглядывал на прибор, регистрирующий эту величину; как, проверяя его работу, удостоверился, что прибор цел и невредим и все-таки продолжал констатировать исчезновение в ртути сопротивления электрическому току. А потом оказалось, что еще девятнадцать чистых металлов повели себя в области низких температур таким же неподобающим образом, нарушив покой ученых. Самое большое, что ученые тогда смогли сделать, — это дать явлению название «сверхпроводимость».

Вот к каким странным, не предусмотренным тогдашней наукой событиям привел желтый след гелия.

Белая ворона

И непонятные метаморфозы олова, и неблагородное поведение одного из благородных газов, и предательство девятнадцати металлов взбудоражили научную общественность. Что это: случайные, разрозненные явления, ничем между собой не связанные? Или это внешние проявления одной непонятной еще причины? Все это противоречило основным, казалось бы, незыблемым принципам науки.

Ученые оказались в куда более затруднительном положении, чем малыши перед кубиками, никак не складывающимися в картинку. Им предстояло отдельные, разрозненные явления поставить на свои места, но, увы, образца-картинки у них не было.

Между тем опыты с гелием все больше проявляли темные стороны его характера. Выяснилось, что в условиях неслыханного холода жидкий гелий начинал в миллиард раз быстрее проводить тепло. Казалось, тепло в нем распространяется без всякого сопротивления (не промелькнула ли сейчас тень девятнадцати металлов, без всякого сопротивления проводящих электрический ток?).

Гелий становился в миллион раз более подвижным и менее вязким. Капнув жидкий гелий на гладкую охлажденную поверхность, исследователи в изумлении наблюдали, как быстро растекается он в тончайшую пленочку. Как будто не испытывает никакого сопротивления со стороны поверхности!

Если проделать такой же опыт с любой другой жидкостью, ничего подобного не увидишь. Капля как бы застынет, чуть располнев.

И даже это было еще не самым удивительным.

Что, если бы вы увидели человека, бегущего вверх по отвесной стене? Это невозможно? Законы тяготения этого не допускают? Приблизительно то же подумали ученые, когда увидели, как жидкий гелий с необычайной быстротой ползет вверх по стенкам сосуда. Это невозможно, ужаснулись многие из них, а трение, а вязкость?!

И еще более изумились, услышав мнение советского ученого Петра Леонидовича Капицы: вязкости у жидкого гелия вблизи абсолютного нуля нет вовсе. Это сверхтекучая жидкость.

Так впервые в 1938 году мир услышал удивительное слово «сверхтекучесть».

Вывод П. Л. Капицы был результатом долгих и кропотливых экспериментов, итогом многих раздумий. Почему так молниеносно распространяется тепло внутри жидкого гелия? Как и обычно, его переносит сама жидкость. Ее слои перемешиваются и менее теплые нагреваются от более теплых. Так происходит всегда во всех жидкостях. Но в жидком гелии это происходит молниеносно. Как же так, ведь слои всегда трутся друг о друга, а это должно мешать быстрому перемешиванию. А если вязкость не препятствует? Значит, ее нет!

И Капица подтверждает свою догадку блестящим экспериментом. Он пропускает жидкий гелий сквозь мельчайшие щели — капилляры, через которые обычная вязкая жидкость если и проходит, то ей нужно затратить на это многие миллиарды лет. А гелий, охлажденный до 2 градусов выше абсолютного нуля, просочился буквально на глазах, получив «диплом» первой в истории науки сверхтекучей жидкости.

Жидкость без вязкости! Это было одним из поразительных открытий нашего века. Как такая жидкость отнеслась бы к инородному телу, погруженному в нее? Оказала бы ему сопротивление или нет?

И экспериментатор спешит поставить такой опыт: он опускает в жидкий гелий качающийся маятник (паучок Капицы). Жидкость без трения, без вязкости не остановит его. Но что это? Совершается непонятное: маятник прекращает движение, останавливается… Жидкий гелий повел себя как самая обычная, тривиальная жидкость.

Есть от чего прийти в смятение! В одном случае (с капилляром) жидкий гелий не имеет вязкости, в другом (с маятником) — имеет. Все происходит так, как будто одновременно в нем заключены… две жидкости.

Так оно и оказалось. Вот как описывает ни на что не похожее поведение жидкого гелия замечательный советский физик Лев Давидович Ландау: «…часть жидкости будет вести себя как нормальная вязкая жидкость, „цепляющаяся“ при движении… Остальная же часть массы будет вести себя как не обладающая вязкостью сверхтекучая жидкость».

Так гелий доказал, что знакомая нам при нормальных температурах жизнь веществ в области предельного холода подчиняется совсем иным законам. Здесь отношения между атомами и молекулами диктуются законами микроскопического мира, неподвластными классической физике. Это поняли два замечательных советских физика и не только поняли, но и доказали: академик Капица — рядом убедительных экспериментов, академик Ландау — серией виртуозных логических и математических построений, которые он оформил в 1940 году в виде теории сверхтекучести. Они подарили миру прозрение тайны низких температур…

Куда привели следы

С этого времени положение в науке о низких температурах резко меняется. Ученые узнали главное — законы, правящие в царстве холода. Теперь оставалось выяснить нормы поведения, которые законы микромира — квантовые законы — диктуют различным веществам.

Приблизительно с тридцатых годов «столица холода» перемещается из Голландии в Советский Союз. Вокруг Капицы и Ландау сплачивается группа молодых ученых, работы которых в новой области физики становятся ведущими. И если раньше исследователи двигались только по серому следу оловянной чумы и желтому следу гелия, то теперь изыскания ведутся сразу во многих направлениях. Фронт исследований простирается от Москвы до Ленинграда, от Харькова до Тбилиси, от Сухуми до Свердловска.

Кольцо вокруг тайны холода сужается. Теперь ученые наблюдают уже не случайные, непредвиденные явления. Они стараются получить результаты, предсказанные теорией сверхтекучести.

Часть из них продолжает двигаться по следу гелия.

Действительный член Академии наук Грузинской ССР Э. Л. Андроникашвили изучает свойства вращающегося гелия. Гелий остается верным себе. И вращается-то он не так, как все другие жидкости. Если очень закрутить его, он начинает вести себя уже не как жидкость, а как упругое тело. Отдельные слои становятся упругими жгутами, которые упираются и противятся вращению. Ученый упорно ищет отгадку очередного фокуса квантовой жидкости.

Член-корреспондент Академии наук СССР А. И. Шальников, чтобы изучить взаимодействие нормальной и сверхтекучей частей жидкого гелия, «подкрашивает» его электронами. По их движению он надеется проследить за отношением этих двух разных жидкостей.

Доктор физико-математических наук В. П. Пешков обнаружил «второй звук» в гелии, предсказанный теорией Ландау. Оказалось, что, кроме обычного звука, представляющего собой волны сжатия и разрежения, в сверхтекучем гелии возможны незатухающие тепловые волны, названные вторым звуком.

Что бы вы сказали, если бы обнаружили, что вода в чайнике никак не нагревается даже при сильном огне? Сам чайник уже раскален, а вода в нем еще холодная. Нечто подобное обнаружил П. Л. Капица еще в далекие дни первых опытов с гелием.

Объяснить это странное явление удалось лишь в наши дни ученику Ландау доктору физико-математических наук И. М. Халатникову. Оказывается, жидкий гелий нагревается вовсе не так, как вода в чайнике, — от соприкосновения с его стенками. Гелий нагревают те самые неслышимые звуковые волны, которые исходят от стенок сосуда при их нагревании. А процесс этот и не быстрый и не такой уж эффективный…

Так, шаг за шагом, ученые разоблачают тайны необычного характера гелия.

Много интересных явлений предсказали в области низких температур и экспериментально подтвердили московские физики: действительные члены Академии наук СССР В. Л. Гинзбург, И. Я. Померанчук, члены-корреспонденты Академии наук СССР Е. М. Лифшиц, А. А. Абрикосов и многие другие. Но и их работами далеко не исчерпываются исследования всех замечательных и многообразных явлений, связанных со сверхтекучестью гелия.

Вызов физике

Ну, а куда привел ученых след девятнадцати металлов? Туда же, куда и след гелия. Причина сверхтекучести гелия и сверхпроводимости металлов оказалась общей.

Все, конечно, замечали, как вода просачивается сквозь песок. Так и электрический ток представляет собой движение электронов, просачивающихся между атомами металла. Электроны тормозятся атомами, которые сами находятся в тепловом движении и непрестанно колеблются. На эти столкновения и уходит энергия электронов, полученная ими от электрической батареи.

Атомы металла, получив дополнительную энергию, раскачиваются еще больше и еще сильнее мешают продвижению электрического тока. Таков механизм сопротивления металлов электрическому току. Это не было для ученых откровением — явление давно изучено. Но то, чему стали свидетелями ученые, охладившие металлы, было действительно откровением. Куда девается способность металлов сопротивляться электрическому току? Что в них происходит?

Если металл охладить, тепловые колебания атомов уменьшаются. Они меньше мешают электрическому току. А при очень низкой температуре почти совсем не мешают.

Но такое «замерзание» сопротивления не может привести к сверхпроводимости. Ведь тепловые колебания в соответствии с классической физикой убывают вместе с температурой и уменьшаются до нуля только при абсолютном нуле температуры. Квантовая физика показала, что даже при абсолютном нуле движения внутри вещества не прекращаются полностью — остаются так называемые нулевые колебания атомов и элементарных частиц.

Однако опыт показывает, что при постепенном охлаждении сверхпроводящих металлов их сопротивление сначала убывает вместе с уменьшением температуры (как предсказывает классическая физика), но при какой-то температуре, характерной для данного металла, сопротивление внезапно, скачком падает до нуля.

При этом происходит своеобразное явление, не имеющее прецедентов ни в одной другой области науки. Вблизи абсолютного нуля, когда тепловые колебания атомов крайне ослаблены, электроны начинают вести себя совсем по-особому. Их поведение кажется просто непостижимым.

Между ними возникают вдруг силы притяжения! Электроны, несмотря на то, что отрицательно заряженным телам полагается отталкиваться, начинают вдруг стремиться друг к другу!

Для ряда металлов это стремление оказывается настолько интенсивным, что оно пересиливает отталкивание между электронами. По мере охлаждения они все сильнее связываются между собой, объединяясь в дружный, слаженный коллектив. Это немного похоже на то, как отдельные бессильные капли воды превращаются однажды в мощную реку, сметающую на своем пути песок и камни, вырывающую с корнем кусты и деревья.

Так и отдельные электроны в металле вблизи абсолютного нуля сливаются в электронный поток, свободно текущий внутри металлов без всякого сопротивления с его стороны. Наступает состояние сверхпроводимости…

Это удивительное явление до сих пор поражает воображение ученых, до сих пор с трудом переводится на общедоступный язык образов и аналогий.

Такое состояние электронов неустойчиво и капризно. Если металл снова нагреть, атомы начнут колебаться сильнее и снова разобьют сверхтекучую жидкость на отдельные беспомощные капли — электроны, которые в одиночку с трудом будут пробираться в металле, растрачивая при этом всю свою энергию…

Итак, странное поведение гелия и металлов при низких температурах имеет общие корни. Явления сверхтекучести и сверхпроводимости очень схожи по своему механизму и подчиняются одним и тем же квантовым законам. Так же как сверхтекучая жидкость при низких температурах без всякого трения проходит через самые узкие щели, так и электронная жидкость в металле — электрический ток — свободно, без трения просачивается через «щели» между атомами и молекулами.

Совсем недавно, в 1958 году, голландский физик X. Казимир с сожалением констатировал: «В настоящее время объяснение явления сверхпроводимости остается вызовом физику-теоретику».

Но вызов этот физики тогда уже приняли. Над проблемой сверхпроводимости размышляли английский ученый Фрелих, американцы Бардин, Купер и Шриффер, австралийцы Шаффрот, Батлер и Блат… Советскую группу по «борьбе» с тайной сверхпроводимости возглавлял математик академик Николай Николаевич Боголюбов.

В тот момент, когда Казимир произнес свою полную горечи фразу, под явлением сверхпроводимости подводилась черта. Полувековая загадка доживала последние часы. Но сдавалась она не без последнего боя.

Формулы в обороне

Еще в 1950 году англичанин Фрелих наметил путь решения проблемы сверхпроводимости. Он понял некоторые причины странного поведения электронов в металле близ абсолютного нуля и тогда составил основное уравнение задачи, но… решить его не сумел.

Задачу он поставил правильно, но ввиду ее исключительной математической сложности с ней не справился. Хотя, надо отдать ему справедливость, он высказал ряд правильных гипотез о природе математических трудностей.

Перед учеными встала трудная задача расшифровки уравнения Фрелиха, которое обещало прояснить картину сверхпроводимости. Над этой задачей работали многие.

Важную физическую идею о природе математических трудностей уравнения Фрелиха высказали австралийские ученые. Потом в эту работу включилась группа американских ученых, но…

Задача Фрелиха оказалась и им не по зубам.

Это несколько напоминает историю со знаменитой тринадцатой задачей Давида Гильберта. Известный немецкий математик решил много считавшихся неразрешимыми задач, но свою собственную, под таким несчастливым номером, так и не смог одолеть. За нее брались многие математики, но безуспешно. Задача была поставлена в 1904 году, но прошло полвека, а она все не поддавалась. Многие даже шутили по этому поводу: «Старику Гильберту следовало бы пропустить при обозначении несчастливый номер: этим он облегчил бы труд тех, кто пытается найти ответ его задачи № 13».

Несчастливую задачу решил Володя Арнольд, студент 4-го курса Московского государственного университета (ныне доктор физико-математических наук), ученик замечательного математика А. Н. Колмогорова.

Задача Гильберта являлась чисто абстрактной, она представляла соблазн просто как курьез, как математический орешек, на котором математикам стоило поточить зубы. Никаких практических обещаний она не давала, впрочем так же как и другие знаменитые нерешенные задачи: теорема Ферма, поставленная лет сто назад, и Диофантовы уравнения, которым уже чуть ли не тысячу лет.

С задачей сверхпроводимости дело обстояло совсем иначе, ведь это была насущная задача не только чистой науки, но и техники.

Поэтому задача сверхпроводимости была решена гораздо быстрее. И сделали это Боголюбов с группой сотрудников и американские ученые Купер, Бардин и Шриффер. Они решили даже не уравнение Фрелиха, а математическую задачу, обогащенную по сравнению с этим уравнением более точными данными о явлении; задачу более полную, точнее рисующую сложное поведение электронов в охлажденных металлах.

Картина сверхпроводимости оказалась до тонкости похожей на картину сверхтекучести. Поэтому ученые использовали теорию сверхтекучести как фундамент для построения теории сверхпроводимости. Академик Н. Н. Боголюбов за раскрытие тайны сверхпроводимости был удостоен Ленинской премии 1958 года.

Разоблачение

А след оловянной чумы? Не затерялся ли он в путанице многочисленных следов, покрывающих недавно еще девственные просторы царства холода? Если его отыскать и пойти по нему, он приведет в Харьков, в одну из старейших лабораторий низких температур, руководимую действительным членом Академии наук УССР Б. Г. Лазаревым. Он и его сотрудники В. И. Хоткевич, И. А. Гиндин, Я. Д. Стародубцев натолкнулись в своих исследованиях и на давнюю загадку олова.

Изучая поведение металлов при низких температурах, физики обнаружили интереснейшие вещи. Что, если заморозить воду? Конечно, она превратится в лед. И может даже показаться, что, замерзнув, лед так и останется льдом. Но лед льду рознь. Ученым уже известен почти десяток видов льда, отличающихся между собой своей структурой.

Экспериментаторы замораживали не только воду, а и такие металлы, как литий, натрий, висмут, бериллий, ртуть, цезий, и получали… нечто совсем иное. Так говорил рентгеноструктурный анализ, фиксируя новую структуру.

В чем же дело? Несомненно, ученые имели дело все с теми же исходными веществами. Это были те же металлы, но, оказывается, при низких температурах они, так же как и обыкновенная вода, изменяли свою структуру.

Харьковчанами раскрыт и секрет олова. Оно тоже испытывает превращения, названные низкотемпературным полиморфизмом. При определенной температуре белое олово превращается в серое порошкообразное вещество, удивительно похожее на то, которое полтора столетия тому назад было обнаружено на петербургском складе. Это было то же олово, но изменившее свою структуру. Такое превращение может произойти и при более высокой температуре, если потрясти металл. Удар, сотрясение ускоряет перерождение. Как видно, по этой же причине развалились баки с горючим на экспедиционных кораблях Роберта Скотта. Поэтому теперь никогда не паяют чистым оловом радиотехническую аппаратуру, подверженную тряске.

Но все-таки олово не раскрыло своей тайны до конца. Если другие охлажденные металлы сохраняют металлические свойства, то олово ведет себя совсем неожиданно. Оно превращается в полупроводник… Это все еще не объясненный факт.

Необъяснимым остается и другое. В большинстве случаев строение охлажденных металлов становится экономичнее, атомы и молекулы упаковываются плотнее. В этом удивительном факте ученые убеждались не раз. Низкие температуры поступают с металлами так же, как высокие давления.

Этому правилу подчиняются литий, натрий и многие другие металлы.

А олово — нет. Оно поступает как раз наоборот. Аккуратные белые брусочки распухают и превращаются в рыхлое месиво.

Почему оно ведет себя именно так? Почему при охлаждении и деформации стремится занять побольше места? Ответа на это пока нет.

Но стоит ли об этом думать? Может быть, это вовсе не так важно?

Нет, и обращение олова в полупроводник, и увеличение его объема при охлаждении не случайность. Это, несомненно, проявление какой-то скрытой закономерности. И ученые трудятся над ее выявлением, ибо это необходимо для управления поведением металлов, для создания материалов с наперед заданными свойствами.

Ставя опыт с охлажденными металлами, Харьковские ученые обнаружили совсем уж курьезное явление, объяснить которое поначалу не брались даже самые опытные теоретики.

Результаты опытов упорно настаивали на том, что металл в куске может обладать совсем иными свойствами, чем тот же самый металл, но… в виде пленки.

На первый взгляд это кажется просто абсурдным, противоречащим всему опыту общения с металлами. Однако…

Не по правилам

Как садовник сажает семена растений, так физики «сажали» атомы висмута и бериллия, натрия и калия на охлажденную жидким гелием пластинку. Сажали не торопясь, один за другим. Только так можно было получить действительно сверхтонкую пленку.

Изучая свойства бериллиевой пленки и пропуская через нее электрический ток, ученые оказались свидетелями непредвиденного эффекта. Пленка покорилась току, не оказав ему сопротивления.

На первый взгляд в этом явлении в наши дни уже нет ничего загадочного. Как гром средь бела дня оно поразило Каммерлинг-Оннеса в начале нашего века, когда, охладив ртуть до температуры жидкого гелия, он обнаружил в ней полное отсутствие сопротивления электрическому току. Явление сверхпроводимости действительно несколько десятилетий оставалось необъясненным. Но теперь, как мы уже сказали, трудами советских и зарубежных физиков создана стройная теория этого удивительного явления. И сейчас ученые безошибочно называют металлы-сверхпроводники, предугадывают их свойства, определяют возможные пути использования.

Тем более интересна «ошибка» с бериллием, который уверенно причисляли к металлам, ни при каких условиях неспособным к сверхпроводимости. Как ни охлаждали бериллий, присущая ему кристаллическая решетка препятствовала прохождению электрического тока.

И вдруг… Пленочка бериллия спутала все карты. Правда, раньше ученым был известен еще один металл — висмут, пленки которого вопреки правилам становились сверхпроводящими. Но это долго считалось единственным исключением из общего правила.

А теперь и бериллий. Два случая — это уже не исключение. Значит, бериллий и висмут — представители группы веществ, не подчиняющихся известным нормам поведения.

Что же заставляет их изменять свои свойства? — размышляли ученые. И нет ли здесь связи с явлением низкотемпературного полиморфизма при пластической деформации, которому, кстати, подвержены оба металла. Может быть, при принудительной конденсации атомов висмута и бериллия на охлажденную пластинку образуется искусственная решетка, склонная к сверхпроводимости?

На справедливость этих предположений указывал простой опыт. Когда исследователи многократно нагревали, а затем замораживали пленку, она постепенно теряла свойства сверхпроводника. Так как при этом она не подвергалась никакой деформации, ее атомы, возможно, постепенно возвращались к своему обычному порядку — восстанавливалась решетка, не склонная к сверхпроводимости.

Не кроется ли в том, что подметили харьковские ученые, намек на богатую перспективу направленного изменения свойств металлов? Если один и тот же металл может проявлять различные качества в зависимости от способа его получения, если его атомы можно заставить строиться по-разному, значит перед техникой будущего открываются замечательные возможности управления свойствами вещества.

Примиренные враги

Не только бериллий и висмут, железо тоже считалось металлом, абсолютно неспособным к сверхпроводимости. До недавнего времени никто ни при каких условиях не мог получить сверхпроводящее железо. Но это ученых не удивляло. Этому имеется весьма веское основание.

Дело в том, что сверхпроводимость и магнетизм — исконные враги. Они просто не переносят друг друга.

Силовые магнитные линии упорно избегают сверхпроводник. В этом убеждает элементарный опыт. Если на пути магнитного поля поместить проволочку в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле обежит ее, как морская волна бревно. Но если быть очень настойчивым и, увеличивая силу магнитного поля, стремиться втолкнуть его внутрь проволоки, оно действительно проникнет туда, однако… состояние сверхпроводимости в проволоке исчезнет.

Таким образом, одной из особенностей низких температур является несовместимость сильного магнитного поля и состояния сверхпроводимости.

Поэтому, сами понимаете, железо, которое является материалом магнитным, никак не может стать сверхпроводником. Разве только железо немагнитное… А где вы видели немагнитное железо?

Правда, немагнитное железо в нагретом состоянии никого бы не удивило. Французский ученый Пьер Кюри давно заметил: нагретое выше определенной температуры железо всегда теряет магнитные свойства. Температура, при которой размагничиваются стальные магниты, называется точкой Кюри. Она лежит выше семисот градусов. Но немагнитное железо в холодном состоянии! Возможно ли это? Не парадокс ли вообще сверхпроводящее железо?

И все-таки ученые получили его, получили вопреки научной логике, наперекор природе. Произошло это в Ленинградском физико-техническом институте Академии наук СССР в лаборатории низких температур.

Поначалу не обошлось без сомнений. Вряд ли это возможно, говорили многие видавшие виды ученые, прочтя публикацию о получении сверхпроводящего железа. И как винить их за скептицизм? Сомнения поддерживал многовековой человеческий опыт.

…Люди издавна привыкли к замечательному свойству железа образовывать вокруг себя магнитное поле и подчиняться ему. Стрелка компаса, послушная магнитным силовым линиям Земли, смотрит одним концом на север. Да и каждый атом железа подобен такой стрелке, на одном конце таящей свой миниатюрный северный полюс, а на другом — южный.

В теле железа можно натолкнуться на маленькие области, в которых целые полчища магнитиков выстроены в строгом порядке. Все северные полюсы их смотрят в одном направлении, южные — в другом. Магнитные силы стрелочек складываются, и в этом маленьком участке образуется чрезвычайно сильное магнитное поле. Такие области названы доменами, и в каждом куске железа их множество. Есть области, где все магнитики так же дружно «смотрят» совсем в другую сторону.

По всей толще большого и маленького кусков железа чередуются магнитные области, ориентированные самым хаотическим образом. Магнитные поля внутри отдельных доменов очень сильны, но ориентированы совершенно хаотически и в среднем уравновешивают друг друга, поэтому силовые линии не выходят на поверхность металла. Вот почему, как сильно ни охлаждать кусок железа, сверхпроводником он не станет: сверхпроводимость разрушается сильными внутренними магнитными полями, всегда существующими в отдельных доменах.

Но физики-теоретики, которым ничего не стоит в своем воображении оставить от куска железа совсем крошечный кусочек, тоненькую пленочку или даже просто горсть атомов, а потом с помощью формул и уравнений ощупать их, заглянуть в самую сущность, и на этот раз выведали у железа секрет его сверхпроводимости.

Они рассуждали примерно так. Крошечные атомы-магнитики в куске железа не закреплены намертво. Под влиянием различных сил они свободно поворачиваются относительно друг друга. Но управлять ими в куске металла очень трудно. Они дружно, всем коллективом, образующим домен, противодействуют внешним влияниям.

А если атомы железа осторожно один за другим «наклеивать» на очень холодную поверхность? Ведь тогда они накрепко примерзнут к своим местам и не смогут объединять свои слабые магнитные поля в единое поле домена. Вот тут-то, пожалуй, и можно получить несколько слоев атомов немагнитного железа.

Чтобы атомы, не успев повернуться, примерзали к пластинке, ее надо охладить до температуры жидкого гелия. Значит, если пленка будет немагнитной, она вполне может при такой температуре стать сверхпроводящей.

Лазейка для примирения магнитного железа и сверхпроводимости была найдена. Оставалось провести очень тонкий и весьма сложный эксперимент: получить сверхпроводящее железо не на бумаге, а в жизни. Ленинградским ученым, создавшим оригинальную установку, это удалось. Так люди впервые увидели сверхпроводящее, а значит, немагнитное железо.

Попытки получить тот же результат при охлаждении пленки железа, первоначально нанесенной на теплую поверхность, не увенчались успехом.

Даже при нанесении пленки на холодную поверхность оказалось, что надо было делать это достаточно медленно и осторожно. До сих пор ученым не удалось подробно исследовать физические свойства полученных пленок. При повышении температуры эти пленки разрушаются и, отделяясь от стеклянной поверхности в виде тончайших чешуек, осыпаются. По-видимому, при нанесении атомов железа на холодную поверхность действительно образуется новая, ранее неизвестная разновидность металлического железа, в котором не возникают области самопроизвольного намагничения, препятствующие возникновению сверхпроводящего состояния.

Сейчас ученые с интересом ожидают повторения этих опытов в других лабораториях.

Изучение пленок металлов вызывает не только научный интерес. Эти пленки могут послужить прекрасным материалом для создания сверхминиатюрных ячеек кибернетических машин.

Представьте себе крошечное колечко из пленки сверхпроводника. Возбужденный в пленке ток будет циркулировать по колечку сколь угодно долго, не меняя своей величины, запоминая, какой сигнал вызвал появление этого тока. Такая ячейка куда компактнее, дешевле, экономичнее сложных элементов памяти, создаваемых из электронных ламп, магнитных барабанов, конденсаторов, которые сегодня используются в вычислительных машинах. Такие пленочные ячейки еще миниатюрнее и совершеннее, чем элементы памяти из сверхпроводящей проволоки (криотроны, персистатроны, персисторы). Подсчитано, например, что блок памяти, составленный из колечек сверхпроводящих пленок объемом в один кубометр, содержит 9 миллионов ячеек памяти. А это прямой путь превратить современные машины-динозавры в малюток.

Пока для целей запоминания ученые уже используют пленки олова, свинца и ниобия. Но уже ведется широкая цепь исследований по получению пленок из других металлов и сплавов, которые сделают элементы памяти еще надежнее, дешевле, проще в изготовлении.

Польза холода

Путь по следам оловянной чумы пройден недаром. Он привел в царство холода. И путешественник стал осматриваться, обживаться, знакомиться с новыми порядками, задумываться: не могут ли они быть полезны? Оказалось, что могут и послужить, и помочь, и пригодиться. Могут решить многие насущные проблемы техники.

Даже воздух, обыкновенный воздух в царстве холода становится другим, податливым и легко отдает свой кислород. В 1946 году Капица разработал очень эффективный и удобный способ выделения кислорода из воздуха в огромных количествах — десятками тонн в час. Теперь кислород широко используется во всем мире для автогенной сварки, для принудительного дутья в доменных, мартеновских, бессемеровских печах.

А водород, превратившись при низкой температуре в сжиженный газ, много легче расстается со своим тяжелым изотопом — дейтерием. Дейтерий очень сложно получить в обычных условиях, а на атомных станциях он нужен в больших количествах. Когда о новом способе получения этого ценного продукта, разработанном советскими учеными, рассказал не так давно на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии доктор технических наук М. П. Малков, его сообщение было встречено с большим интересом.

Многие химические соединения, в нормальных условиях очень активные и опасные, можно обезопасить, «разорвав» на куски — радикалы, а затем хранить в замороженном виде, не боясь взрыва. Если их потом отогреть, они соединятся вновь. Эти консервированные радикалы не теряют своих свойств, так же как замороженные фрукты — витаминов.

Когда ядерной физике понадобилась легкая частица, ученые остановили свой выбор на ядре изотопа гелия. В отличие от обычного гелия, названного «гелием-4», его обозначают «гелием-3». Но в естественном гелии его содержится так мало, что надо переработать 20 тонн обычного гелия, чтобы получить всего 1 грамм изотопа. И процесс этот сложный, долгий, кропотливый. Вот почему «гелий-3» — самый дорогой в мире газ.

Харьковские ученые, изучая сверхтекучесть гелия, нашли более легкий способ получения «гелия-3». Оказывается, он не обладает свойством сверхтекучести, и на этом решили сыграть. Ученые охладили гелий. После этого он приходит в состояние сверхтекучести, но его изотоп не принимает в этом участия. И тогда, когда сверхтекучая часть просачивается через тончайший фильтр в дне сосуда, в самом сосуде остается изотоп.

Инженеры воспользовались низкой температурой для создания изящных вакуумных установок, заменивших прежние громоздкие. В них использовано свойство угля в изобилии поглощать при низкой температуре воздух. В новых установках воздух не выкачивается, а его атомы просто прилипают к охлажденному древесному углю, как мухи к липкой бумаге, создавая в установке вакуум.

Но особенно смелые мечты рождает у ученых явление сверхпроводимости. Отсутствие в металлах сопротивления току не может не будить воображение. Вот если бы проложить кабель из сверхпроводника от города к городу и передавать колоссальные мощности без всяких потерь! Или, например, свернуть из такого кабеля катушку и получать сверхсильные магнитные поля. До чего это было бы дешево и удобно!

Представьте себе, что ученые получили сверхпроводящее состояние при обычной температуре (причем выдерживающее сильные магнитные поля) и сделали сверхпроводящие электрические провода. Если бы это случилось, произошел бы переворот в электротехнике. Вся колоссальная мощность Куйбышевской ГЭС смогла быть передана, например, в Москву или на Урал по тонким телефонным проводам. Драгоценная электрическая энергия не тратилась бы зря на разогрев проводов.

Но эта мечта пока так и остается мечтой. Состояние сверхпроводимости наступает лишь при очень низких температурах. В нормальных условиях оно пропадает и пропадают все его преимущества и волшебные свойства. Поместить же тысячекилометровые линии высоковольтных передач на всем пути их следования в ванночки с жидким гелием — задача утопическая и смешная. Расходы по сооружению этой громоздкой системы перекрыли бы весь выигрыш от экономии передаваемой энергии.

Но мечта о сверхсильных магнитах претворилась в действительность уже сегодня.

Сверхпроводящие металлы позволили создать фантастические электромагниты, поддерживающие огромные магнитные поля без затраты электроэнергии. Они в этом отношении напоминают постоянные магниты из закаленной стали или специальных сплавов. Для того чтобы намагнитить кусок стали, достаточно поместить его внутрь проволочной обмотки и на мгновенье пропустить через нее электрический ток. Сталь намагничивается и сохраняет свои магнитные свойства и после выключения тока в обмотке.

Если возбудить круговой электрический ток в сплошном куске сверхпроводника или в замкнутой обмотке из сверхпроводящей проволоки, то ток в них, не встречая сопротивления, будет существовать и после выключения возбудившего его источника. А пока существует электрический ток, действует и окружающее его магнитное поле.

Так работает «постоянный» магнит из сверхпроводника. Он остается магнитом, пока сохраняется состояние сверхпроводимости, а некоторые сплавы остаются сверхпроводящими и при температурах около двадцати градусов выше абсолютного нуля.

Если обмотка магнита сделана из олова или свинца, то достижимое магнитное поле не очень велико. Обмотка же из ниобия позволяет получить в десятки раз более сильное поле. Но самые современные сверхпроводниковые магниты делаются из соединения ниобия с оловом или цирконием. Оно остается сверхпроводящим до минус 255 градусов, а магнит с такой обмоткой, помещенный в жидкий гелий, дает поле в десятки тысяч эрстед.

Но это, конечно, не предел. Теория, разработанная советскими физиками, лауреатами Ленинской премии Ландау, Абрикосовым, Гинзбургом и Горьковым позволяет сознательно подходить к задаче поиска новых сверхпроводящих сплавов. Она уже вскрыла ряд удивительных свойств сверхпроводящих пленок и позволила по-новому подойти к возможности получения сверхпроводящего состояния при обычных температурах.

Впервые эта возможность была перенесена из области мечты в разряд серьезных научных задач американским ученым Литтлом. Он предположил, что некоторые полимеры могут оказаться сверхпроводниками и сохранять это свойство и при высоких температурах. Но расчеты Литтла были недостаточно убедительными. Лишь впоследствии молодые физики Ю. П. Бычков, Л. П. Горьков и И. Е. Дзялошинский доказали, что линейный сверхпроводник Литтла может существовать. Но пока это еще теория. Впереди много работы. Может быть, более перспективными окажутся не линейные полупроводники, а сверхпроводящие пленки. Во всяком случае, теоретически «теплый» сверхпроводник уже перестал быть монстром. Он стал реальной целью.

По мнению П. Л. Капицы, низкие температуры несут много новых надежд радиотехнике. Он приводит простой и убедительный пример. Радиоприемник на специальных элементах, некоторые части которого охлаждены до температуры жидкого гелия, приобретает такую повышенную чувствительность, как будто мощность радиостанции при этом подскочила в сотни раз. Конечно, гораздо легче проделать такую операцию, чем увеличивать на колоссальную цифру мощность передатчика.

Псевдочастицы

Но, пожалуй, самая впечатляющая находка в стране абсолютного нуля — псевдочастицы. Как сказать о них? О частицах: протонах, нейтронах, электронах и так далее и так далее (число их все время увеличивается!) — рассказать нетрудно. Они есть, они существуют. Каждая имеет свое лицо, свою биографию, у каждой есть паспорт, где указаны и место жительства и род занятий.

Но то, что ученые назвали компромиссным словом «псевдочастицы», не частицы в обычном смысле. Это скорее явления, но явления очень специфические. Да, они не настоящие частицы, но оказывают влияние на окружающий их микромир, как настоящие. Как самые настоящие частицы, они участвуют в его жизни, взаимодействуют друг с другом. И в то же время… они не существуют. Они живут лишь на бумаге. Но без них ученые не в состоянии справиться со сложными законами, царящими в микромире. Для создания современных теорий физики вынуждены призвать на помощь наряду с реально существующими частицами и псевдочастицы.