Приключение великих уравнений

Однако последующие события показали, что Оннес, как говорится, "замечтался". Суровые физические законы, казалось, восстали против смелой идеи.

Вскоре после опубликования статьи Оннес выяснил, что по сверхпроводнику может течь ток отнюдь не всякой величины. Как только величина тока превосходит некоторое (позже названное "критическим") значение, ток "выключает" сверхпроводимость, и вместо образца с волшебными свойствами в руках у исследователя оказывается ничем не примечательный кусочек свинца, ртути или олова. Токи были настолько малы, что постройка магнита из такой проволоки была бы практически бесполезной. И это еще не все. Вскоре после открытия Оннеса было обнаружено, что не только ток способен "выключить" сверхпроводимость. Сверхпроводимость исчезала и под влиянием очень слабых магнитных полей, не превышающих сотен эрстед. А Камерлинг-Оннес мечтал о сотнях тысяч.

Стало ясно, что сверхпроводимость - не более чем физическая игрушка, возбуждающий любопытство физиков феномен. Видимо, будучи убежденным в этом, ушел на покой Гейке Камерлинг-Оннес, оставив лейденскую лабораторию своим последователям В. Кеезому и де Хаазу.

Кеезом известен своим капитальным трудом "Гелий". В книге собрано все, что знали о гелии - от истории его открытия до свойств в жидком состоянии.

Де Хааз провел многочисленные исследования низких температур, сверхпроводящих сплавов. Совместное советским физиком Л. В. Шубниковым (стажировавшимся в лейденской лаборатории) он открыл так называемый "эффект Шубникова - де Хааза".

В начале тридцатых годов было обнаружено, что существует несколько сплавов различных металлов, в которых сверхпроводимость исчезает в магнитном поле гораздо большем, чем то, о котором знал Оннес. В сплаве свинца с висмутом "критическое магнитное поле" превышало уже пятнадцать тысяч эрстед. Хотя до сотен тысяч эрстед, о которых мечтал Оннес, было еще далеко, физики воспрянули духом. Появилась как будто бы возможность создавать "бесплатные" электромагниты если не на сотни тысяч эрстед, то хотя бы на пятнадцать тысяч. Такие магниты уже можно было бы использовать в электрических машинах. Может быть, сплав свинца с висмутом удалось бы использовать даже в лабораторных магнитах, правда, не очень сильных, но больших по объему рабочей зоны.

Однако обстоятельства сложились совсем не так, как можно было ожидать. В дело вмешался новый директор лаборатории Кеезом. Он, измерив критический ток проволоки из сплава свинца с висмутом, выяснил, что ток слишком мал и сделать из такой проволоки сколько-нибудь ценный магнит невозможно.

Работники лаборатории, ознакомившись с выводами Кеезома, решили отказаться от "бесперспективных" сверхпроводников. Так, сверхпроводящие магниты были "закрыты" во второй раз.

Лишь через три десятка лет выяснилось, что выводы Кеезома были неточными. Критический ток сплава свинца с висмутом был вполне достаточен для того, чтобы из него делать довольно экономичные соленоиды.

Искать новую тему для исследований работникам лаборатории не пришлось. Как раз в эти годы советский физик Петр Леонидович Капица открыл не менее интересное, чем сверхпроводимость, явление - сверхтекучесть жидкого гелия. Лейденцы увлеклись новой перспективной работой, окончательно потеряв интерес к сверхпроводящим магнитам.

Видимо, мрачные выводы Кеезома повлияли и на английских физиков, работавших в Оксфорде. Они отвергли сверхпроводящие сплавы и продолжали исследовать только сверхпроводящие металлы. Тут, казалось, их ждал успех: они сделали ряд интересных открытий, будто бы подтверждавших их выбор. К сожалению, частные успехи были лишь коварной приманкой, подложенной природой, которая, словно оберегая свои тайны, заманила исследователей в дебри дремучего и бесплодного леса. Таким образом, и прекрасно оснащенная оксфордская группа прекратила исследования перспективных сверхпроводников.

Примерно в то же время в Харькове работала большая группа физиков. Руководил ею доктор Л. В. Шубников. Ученые всего мира единодушно признают, что группа Шубникова была лучшей по своей оснащенности и знаниям металлургии сверхпроводящих сплавов. Не приняв выводы Кеезома на веру, харьковская группа продолжала заниматься сверхпроводящими сплавами. Эти работы легли в основу последующих теорий, экспериментов и открытий. Однако и харьковским экспериментаторам не удалось открыть сверхпроводящих сплавов, устойчивых к сильным магнитным полям.

Непонятная сверхпроводимость не давала покоя и теоретикам. Одним из первых пролил свет на природу сверхпроводимости знаменитый советский физик академик Лев Давидович Ландау, длительное время работавший в Институте физических проблем АН СССР. Глубокий и разносторонний ученый пользовался среди физиков непререкаемым авторитетом. Его краткая надпись на чьей-нибудь научной работе: "Одобряю, Ландау" всегда означала, что написана новая незаурядная теоретическая статья, проделана новая, чрезвычайно интересная экспериментальная работа.

Все знавшие Ландау (он умер в 1967 году в результате последствий автомобильной катастрофы), отмечают его легкое, радостное и, как иным даже иногда казалось, внешне легкомысленное (да простят меня читатели за такой эпитет) отношение к труду. Работал он чаще всего лежа на диване в какой-нибудь крайне неудобной позе. Свои глубочайшие мысли он по обыкновению небрежно нацарапывал на мятых листках, которые колодой держал в руке. Почерк его могли разобрать немногие "специалисты". Юмор его был колок, взгляды - радикальны. Суть любой проблемы схватывалась им на лету.

Лишь немногие близкие друзья знают, каким трудом достигалась эта легкость.

Ландау первым сопоставил два "странных" явления - сверхпроводимость и сверхтекучесть - течение жидкого гелия-2 без трения через узкие капилляры и предположил, что эти явления родственны. Сверхпроводимость - это сверхтекучесть весьма своеобразной жидкости - электронной.

Идея Ландау оказалась в высшей степени плодотворной, на ее основе построено большинство теорий сверхпроводимости.

Открытие сверхпроводимости и особенно успехи в ее теоретическом объяснении бросили грозный вызов максвелловой теории да и основанной на ней лоренцевой.

Поскольку родилось предположение о том, что сверхпроводимость обусловливается специальными, "сверх-проводящими" электронами, необходимо было скорректировать уравнения и ввести в них новый член - ток, обусловленный уже не нормальными, а сверхпроводящи-ми электронами. Уравнения Максвелла как бы "раздваивались", их необходимо было отдельно применять для "нормальных" и "сверхпроводящих" электронов.

"Раздвоение" не было механическим. Ток "нормальных" электронов, как известно, подчиняется закону Ома; однако "сверхпроводящие" электроны не встречают сопротивления, и, стало быть (по закону Ома ), измерить на сверхпроводнике падение напряжения на постоянном токе невозможно, и само понятие напряжения теряет смысл. Закон Ома для сверхпроводящих электронов необходимо было заменить какой-то иной зависимостью. Но какой?

П. Л. Капица и Л. Д. Ландау.

Обычно говорят, что основное свойство сверхпроводников - отсутствие сопротивления. Такая точка зрения сильно поколебалась, когда а 1933 году немецкие физики Мейснер и Оксенфельд открыли совершенно неожиданную вещь сверхпроводники оказались непроницаемыми для магнитных силовых линий! Они были для магнитных силовых линий абсолютно непробиваемым щитом.

Такое свойство сверхпроводников позволило советскому физику В. К. Аркадьеву проделать чрезвычайно интересный эксперимент, называемый среди физиков "гробом Магомета" (вы, вероятно, помните, что, по преданию, гроб пророка Магомета висел в воздухе без каких-либо видимых опор).