Top

Сопротивление «0»

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости ртути. Изучение сверхпроводимости веществ тут же стало одним им самых приоритетных направлений в науке и остается таковым до сих пор.
В год празднования столетнего юбилея открытия, когда весь мир вспоминал лейденского профессора Камерлинга-Оннеса, в одной из российских газет появилось сенсационное предположение, что за сто пятьдесят лет до голландского физика явление сверхпроводимости ртути мог наблюдать наш русский ученый Михаил Ломоносов. Могло ли такое быть на самом деле?

Из цикла: «Жизнь замечательных идей»

История открытия феномена сверхпроводимости сама по себе уникальна. От первого наблюдения этого явления до первого объяснения его механизма прошло больше сорока лет. Следующий этап изучения сверхпроводимости, продолжавшийся почти полвека, привел к целому ряду новых открытий и к целой серии Нобелевских премий.

Проводник — это тело, которое может проводить электрический ток. Электрический ток – это движение отрицательно заряженных частиц, электронов. Электроны в проводниках движутся не вполне свободно. Они наталкиваются на неоднородности структуры проводников, рассеиваются тепловыми колебаниями атомов, от которых оторвались. Словно спотыкаются. При этом возникает трение. Или, как говорят физики, электрический ток испытывает сопротивление.
При сверхпроводимости сопротивление в проводнике исчезает полностью. И электроны движутся свободно. Сверхпроводящий ток, который течет по сверхпроводящему кольцу, может течь вечно, не затухая.
Сверхпроводимость — это экзотическое состояние вещества. Феномен. Кстати, первые теории, объясняющие свойства сверхпроводимости, были именно феноменологическими. Свойства сверхпроводников настолько необычны, что металлы, не обладающие сверхпроводимостью, принято называть «нормальными».

Открытию явления сверхпроводимости предшествовало другое значительное для своего времени открытие.

И тоже связанное с ртутью.
Ртуть известна людям с древнейших времен. Упоминания о ней есть в трудах Аристотеля и Теофраста, Витрувия и Плиния Старшего. Латинское название ртути — «гидраргирум» — в переводе означает «серебряная вода».
Серебряная вода – самая тяжёлая из всех известных жидкостей. Литровая бутылка ртути весит больше, чем ведро с водой. А ведро с ртутью обычный человек вряд ли сможет поднять. Кстати, если в это ведро бросить чугунную гирю, гиря будет плавать на поверхности, потому что железо легче ртути.
Учёные древности и алхимики средневековья считали ртуть одним из четырёх первородных элементов и приписывали ей материнское начало всех металлов. Но о том, что она сама является металлом, стало известно только в середине восемнадцатого века. Да и то совершенно случайно.

Петербург, Россия, 1749 год
14 декабря 1749 года академик Петербургской академии наук Иосиф Адам Браун, проводил серию метеорологических экспериментов.
Кстати, как выглядел академик Браун, нам не известно. В Петербургских архивах не сохранилось ни одного его портрета. Зато мы знаем, что профессор философии Иосиф Адам или, как звали его на русский манер, Осип Иванович читал в Академическом университете Петербурга курс лекций по физике, занимался метеорологическими исследованиями и пытался опытным путем достичь максимально низких температур. Для науки того времени это была очень трудная, практически невыполнимая задача.
Получать высокие температуры, достаточные даже для выплавки железных руд, люди умели еще в глубокой древности. А вот снижение температуры долгое время было невыполнимой задачей.
Первым, кому удалось снизить температуру водного раствора всего лишь на несколько градусов, был английский ученый Роберт Бойль. В 1665 году он добился охлаждения жидкости, растворяя в воде нашатырный спирт.
Следующий прорыв к низким температурам произошёл спустя полвека. Немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт, создатель первого ртутного термометра, придумал свой вариант охлаждающего состава из толченого льда и концентрированной азотной кислоты. В России этот раствор стали называть «знобительной материей».
Браун использовал «знобительную материю» Фаренгейта, но взял не колотый лёд, а снег. Эксперимент проводился на улице при температуре минус тридцать семь градусов.

Зима в тот год в Петербурге стояла лютая, и академик Браун хотел выяснить: «Сколько сию естественную стужу искусством умножить можно».
Когда столбик термометра опустился до отметки минус пятьдесят шесть градусов, Браун вынул его и обнаружил, как записал потом в отчете, что «ртуть в термометре твёрдою и неподвижною от стужи стала и, следовательно, замёрзла».
Это было невероятно! Ни в одном научном трактате – от древности до нынешних времен — не говорилось о твердой ртути.

Справка: Ртуть, единственный из природных металлов, который при обычных условиях находится в жидком состоянии.
Ломоносов считал ртуть минералом. В своем учебнике для рудознатцев он писал: «Сей минерал по виду ничем не отличается от растопленных металлов… ртуть и в самый жестокий мороз застынуть не может».

Сенсационную новость о твёрдой ртути академик Браун тут же сообщил своим коллегам. Было решено провести контрольный эксперимент. 25 декабря академики Михаил Васильевич Ломоносов, Франц Ульрих Теодор Эпинус и Иоганн Эрнст Цейгер повторили опыт Брауна. Они получили столбики твёрдой ртути в виде проволочек с каплей на конце. Проволочки легко гнулись, а капля расплющивалась от удара обухом топора. То есть, все свойства металла были налицо.
Результаты зимних опытов Петербургских учёных и открытие профессора Брауна были признаны настолько важными, что Канцелярия Академии решила обнародовать их в публичном собрании на торжественном праздновании тезоименитства императрицы Елизаветы Петровны.

Доклады об открытии поручили сделать главным действующим лицам. Иосиф Адам Браун подготовил сообщение на немецком языке «Об удивительной стуже, искусством произведенной, от которой ртуть замерзла». Михаил Васильевич Ломоносов написал «Рассуждение о твёрдости и жидкости тел» на русском.

Истории про ртуть
Самое крупное в мире месторождение ртути — Альмаден — находится в Испании. Ртуть там добывали испокон веков. В сочинениях Плиния Старшего есть упоминание о том, что Рим ежегодно закупал в Испании четыре с половиной тонны ртути.
В середине десятого века мавританский король Абд-ар-Рахман Третий построил себе дворец в Кордове – в то время это была арабская столица Европы. Знатные вельможи строили здесь дворцы один роскошней другого. Но король Абд-ар-Рахман превзошел всех. Во внутреннем дворике его дворца был фонтан, в котором непрерывно била струя… ртути.

Петербург, Россия, 1749 год
Открытие профессора Брауна, хоть и ненадолго, но всколыхнуло всю Европу и Америку. Сам великий Бенджамин Франклин назвал его «Наиболее замечательным из всех открытий за последние три года». Потом шум вокруг твёрдой ртути утих, и профессор Браун вернулся к своим метеорологическим исследованиям.
А вот Михаил Васильевич Ломоносов продолжил эксперименты с ртутью. Он поставил перед собой целью доказать, что она точно является металлом. Серебристая – да. Ковкая – да. В твёрдом состоянии. Но проводит ли она электричество?
Серию электрических опытов с замёрзшей ртутью Ломоносов начал в январе 1760 года.
Ломоносов залил ртуть в у-образную стеклянную трубку и с помощью знобительной материи вморозил в неё с двух сторон железные проволки. Затем одну из проволок подсоединил к электрической машине, а другую к электрометру. Когда генератор начинал вырабатывать электричество, прибор тут же показывал его наличие.

И замёрзшая, и жидкая ртуть оказались проводниками. Как и все известные металлы. Но Ломоносов заметил и зафиксировал в описании эксперимента одно важное отличие: электрический ток свободно проходил через замёрзшую ртуть, не нагревая её.

«Вновь найденные электрические опыты показывают, что посторонняя материя, двигаясь великою скоростию в скважинах тел холодных, их не разжигает».

Посторонняя материя в записях Ломоносова – это электрическая субстанция. Во времена Ломоносова считалось, что электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, способных легко и свободно проникать в любую материю, даже в самые плотные металлы.
Согласно господствующей в то время кинетической теории тепла, движущиеся с огромной скоростью частицы должны были нагревать тело. Что и происходило с проводниками, сделанными из любого металла. А замороженная ртуть оставалась холодной.
Но можно ли сказать, что, зафиксировав этот феномен, Ломоносов наблюдал явление сверхпроводимости ртути?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно перенестись на сто пятьдесят лет вперед, в криогенную лабораторию голландского профессора Хейке Камерлинга-Оннеса.

Истории про ртуть
Лекарственные свойства ртути были известны еще в древности. Ртутными мазями лечили кожные заболевания. Хлорид двухвалентной ртути (HgCl2) – сулему — использовали как дезинфицирующее средство. Хлористую ртуть (Hg2Cl2) – каломель – употребляли, как слабительное. Кстати, экстрактом белены с каломелью доктор Иван Тимофеевич Спасский лечил смертельно раненого Пушкина.

Лейден, Голландия, 1882 год
В 1882 году молодой голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес получил назначение на должность профессора экспериментальной физики Лейденского университета. Основной темой исследований тридцатилетнего профессора была криогеника.

Справка: Криоге́ника — раздел физики, изучающий закономерности изменения свойств различных веществ в условиях низких температур.

За очень короткий срок Камерлингу-Оннесу удалось создать при университете лучшую на тот момент в мире криогенную лабораторию, которая стала образцом для научно-исследовательских институтов двадцатого века.
Позже Камерлинг-Оннес построил при лаборатории завод по сжижению газов – кислорода, азота и водорода. Эти низкотемпературные жидкости были нужны для проведения экспериментов. И в значительных количествах.
Первый большой успех к Камерлингу-Оннесу пришел в 1908 году. Ему удалось получить жидкий гелий при температуре всего лишь на четыре градуса выше абсолютного нуля. Большинство ученых сомневалось, что такое вообще возможно. А когда через два года профессору удалось охладить гелий до одного градуса Кельвина, коллеги-физики присвоили ему заслуженное почётное прозвище Господин Абсолютный Ноль.
Жидкий гелий Господин Абсолютный Ноль использовал для изучения свойств металлов. В частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры.
Весной 1911 года Камерлинг-Оннес вместе со своими ассистентами приступил к серии опытов с ртутью.

Вначале всё шло, как и ожидалось: сопротивление плавно падало при понижении температуры. А затем профессор вдруг обнаружил, что при трёх градусах Кельвина, то есть, примерно при -270 градусах Цельсия, электрическое сопротивление ртути приближается к нулю.

28 апреля профессор Камерлинг-Оннес записал в своем рабочем дневнике: «Сопротивление ртути достигло столько малой величины, что приборы его не обнаружили».

Профессор Камерлинг-Оннес пришел к выводу, что ртуть перешла в новое состояние. 27 мая он сообщил о своём открытии Нидерландской Академии наук.

Истории про ртуть
Пары и легкорастворимые соли ртути для человека представляют смертельную угрозу. Соединениями ртути и её парами травились в прежние времена врачи и их пациенты, короли и художники, учёные и алхимики, ювелиры и… шляпники. Шляпники, в основном травились нитратом ртути. Эту соль они использовали для размягчения шерсти, из которой изготавливали фетр. Один из симптомов отравления ртутью – психическое расстройство. В Англии психическое расстройство иногда называли «болезнью шляпников». Один из персонажей знаменитой сказки Льюиса Кэрролл – Сумасшедший Шляпник, по всей видимости, страдал именно таким заболеванием.

Лейден, Голландия, 1913 год
В течение следующих двух лет профессор Камерлинг-Оннес обнаружил ещё четыре металла, которые при температуре близкой к абсолютному нулю переходили в сверхпроводящее состояние. Это были олово, свинец, индий и таллий.
Кстати термин «сверхпроводник» профессор впервые употребил в статье, опубликованной в марте 1913 года. А в конце этого же года Хейке Камелинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике. Но не за открытие явления сверхпроводимости, а «За исследование свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия».
Перспективы практического применения сверхпроводников казались безграничными. Линии электроэнергии без потерь. Трансформаторы новых типов. Электромотры с чуть ли не стопроцентным КПД…
Однако на пути реализации этих планов встали два непреодолимых препятствия: дороговизна дефицитного гелия и чрезвычайно низкие температуры, необходимые для перехода вещества в сверхпроводящее состояние.
И вот тут возникает вопрос: а можно ли было добиться столько низких температур во времена Ломоносова? То есть, мог ли Ломоносов наблюдать явление сверхпроводимости ртути?

Профессор Камерлинг-Оннес проработал в Лейденском университете, изучая и развивая криогенные технологии в общей сложности сорок два года.
Последние годы жизни Господин Абсолютный Ноль занимался разработкой методов использования низких температур для хранения продуктов и созданием вагонов-рефрижераторов для производства льда.
Профессор Хейке Камерлинг-Оннес умер в Лейдене 21 февраля 1926 года. Механизм открытого им явления сверхпроводимости так и остался для него тайной.

Истории про ртуть
Ртуть способна растворять многие металлы, образуя так называемые амальгамы. В древности амальгамы использовали при изготовлении зеркал, серебрении и золочении посуды, монет. Позже эти способом золотили купола храмов. Так, например, был позолочен купол Исаакиевского собора в Петербурге. Его золочение обошлось в сто килограммов червонного золота и… шестьдесят человеческих жизней. Рабочие травились парами ртути и по свидетельству современников погибали в страшных муках.

Понять и объяснить природу сверхпроводимости пытались многие физики-теоретики: Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Феликс Блох и даже такие мэтры, как Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Но тщетно.
В 1933 году немецкий физик Вальтер Мейсснер и его ассистент Роберт Оксенфельд обнаружили ещё одну удивительную особенность сверхпроводников, которую сегодня считают более фундаментальной, чем отсутствие сопротивления. Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии полностью выталкивают магнитный поток из своего объема. Другими словами, магнитное поле внутри сверхпроводников равно нулю.
Эффект Мейсснера-Оксенфельда, как и открытие Камерлинга-Оннеса, не поддавался никакой разумной интерпретации. Но благодаря этому открытию физикам стало ясно, что сверхпроводимость – это квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, её можно было бы объяснить законами классической физики.

 

Великобритания, Оксфорд, 1935 год
Первая теоретическая модель сверхпроводимости была разработана в 1935 году братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами – немецкими физиками, эмигрировавшими в Англию после прихода Гитлера к власти.
Братья Лондоны предложили два уравнения, в которых описывалась связь между сверхпроводящим током, напряженностью электрического поля и магнитной индукцией.
В том же 1935 году выдающийся советский физик-экспериментатор Лев Васильевич Шубников открыл новый вид сверхпроводников, в которые могло проникать магнитное поле. Их назвали сверхпроводниками второго типа. Как выяснилось позже, подавляющее большинство сверхпроводящих материалов относится именно к этому второму типу.
Продолжить свои исследования Лев Васильевич не успел. Его расстреляли в 1937 году.
Его дело через 20 лет довёл до завершения другой известный советский физик-теоретик – Алексей Алексеевич Абрикосов.
«За вклад в развитие теории сверхпроводимости и сверхтекучести» Алексей Абрикосов получил в 2003 году Нобелевскую премию. Эту награду вместе с ними разделили профессор Иллинойского университета Энтони Джеймс Леггетт и советский физик Виталий Лазаревич Гинзбург.
Гинзбург начал заниматься физикой низких температур в 1943 году. Много лет спустя в своей Нобелевской лекции он вспоминал:

«В то время мы были в эвакуации в Казани. Там было настолько холодно, что я до сих пор удивляюсь, почему я заинтересовался этой темой. Может, все дело в холоде, не знаю. На самом деле мой интерес был связан с влиянием Ландау…»
В 1950 году два советских физика – Лев Ландау и Виталий Гинзбург построили первую феноменологическую теорию сверхпроводимости.
Но на микроскопическом уровне механизм явления сверхпроводимости впервые получил объяснение только в 1957 году. Когда три американских физика – Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали свою знаменитую теорию, центральным элементом которой стали так называемые «куперовские пары электронов». В 1972 году создатели теории, были удостоены Нобелевской премии по физике.
В 1986 году произошёл очередной прорыв в изучении явления сверхпроводимости. Был открыт совершенно новый тип сверхпроводящих веществ. Швейцарские физики Карл Александр Мюллер и немецкий физик Георг Беднорц обнаружили высокотемпературные керамические сверхпроводники с температурой перехода тридцать пять — сорок градусов Кельвина или примерно минус двести сорок три градуса по шкале Цельсия.

Успех швейцарских учёных породил лавину новых исследований оксидной керамики. И уже через год были получены вещества, которые становились сверхпроводниками при температуре, превышающей точку кипения жидкого азота – 77 градусов Кельвина. Преодоление «азотного барьера» означало, что теперь можно обойтись без супердорого и дефицитного жидкого гелия. Следовательно, появилась возможность промышленного использования сверхпроводников.

«За важнейший прорыв в физике, выразившийся в открытии сверхпроводимости в керамических материалах» Карл Александр Мюллер и Георг Беднорц получили в 1987 году Нобелевскую премию.

Комментарий – профессор Николай Борисович Брандт: «Сегодня рекорд принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), открытому в 2003 году. Критическая температура для него равна 138 градусам Кельвина. Более того, при давлении 400 килобар это соединение становится сверхпроводником при температурах 166 градусов Кельвина».

Эффект сверхпроводимости уже сейчас успешно используется в самых разных областях деятельности. Но мир ждет от ученых нового прорыва – к комнатно температурным проводникам. Ведь тогда сбудутся все самые фантастические мечты энергетиков и ядерщиков, медиков и компьютерщиков.

Комментарий – профессор Николай Борисович Брандт: «Комнатно температурные проводники – это пока еще из области фантастики. Но когда подобные вещества будут найдены или синтезированы, будут решены многие проблемы. Например – экономия электроэнергии. Сегодня примерно 30 процентов всей вырабатываемой в мире энергии теряется в линиях электропередач. Применение сверхпроводников позволило бы полностью исключить эти потери. Потому что по сверхпроводящей замкнутой цепи ток может циркулировать как угодно долго, не затухая. Ни один ватт не будет теряться по дороге от электростанции к потребителю».

Огромные сверхпроводящие катушки смогут накапливать электроэнергию и снимать пиковые нагрузки. На смену обычным кардиографам в больницы придет сверхчувствительная аппаратура для снятия магнитокардиограмм. Будет создано новое поколение сверхмощных компьютеров на сверхпроводниковой элементной базе, способных хранить колоссальное количество данных. А между городами со скоростью 500 километров в час помчатся электропоезда на магнитной подушке…
Впрочем, сверхскоростные поезда, в которых используется эффект сверхпроводимости – это уже сегодняшний день.
Сто лет тому назад профессор Лейденского университета Хейке Камерлиг-Оннес даже, наверное, представить себе не мог, какое фантастическое будущее уготовано его случайному открытию.

 

P.S. Так мог или нет Ломоносов году наблюдать явление сверхпроводимости ртути в 1749?

 

Комментарий – Дмитрий : «Ломоносов вряд ли мог вообще наблюдать разогрев металлов под действием электричества; единственно существовавший в то время электростатический генератор дает высокое напряжение, но очень маленький ток. В соответствии с законом джоуля P=I^2*R разогрев низкоомных металлических проводников будет ничтожно мал. Он сделал запись в журнале видимо потому, что интуитивно (ошибочно) полагал, что при низких температурах нагрев должен быть больше.

Еще — понижение температуры при смешении двух веществ обусловлено образованием так называемой эвтектической смеси, и температура при этом не может упасть ниже точки плавления этой самой эвтектики, как бы мы ни охлаждали исходные компоненты. В системе вода-азотка самая нижняя эвтектика имеет температуру -66 оС,207 оK — этого вполне достаточно, чтобы заморозить ртуть, но до сверхпроводимости еще бесконечно далеко».

 

Режиссер: Сергей Виноградов

Научный консультант — профессор Николай Борисович Брандт

Производство «Цивилизация», 2011 год.

Ссылка на фильм в архиве канала «Культура»