Владимир Карцев - Приключение великих уравнений

"Гроб Магомета" - магнитик, парящий над сверхпроводящей чашей.

Так вот особенность сверхпроводников - "эффект Мейснера" - заставила подумать о том, каким правилам должны подчиняться "сверхпрово-дящие" электроны, если уж они не подчиняются закону Ома.

Стала ясна и недостаточность определения сверхпроводников как обычных проводников, но с нулевым сопротивлением.

Из уравнений Максвелла, если их решить для случая нулевого сопротивления, эффект Мейснера никак не получался. С другой стороны, если учесть в уравнениях Максвелла нулевое магнитное поле внутри сверхпроводников (эффект Мейснера), то не получается нулевое сопротивление...

В 1935 году, через два года после открытия эффекта Мейснера, в печати появилась статья английских физиков Ф. и Г. Лондонов, предложивших дополнить уравнения Максвелла еще двумя уравнениями, которые учитывали бы наличие двух сортов электронов и одновременно - эффект Мейснера.

А. А. Абрикосов.

Новые уравнения получили название уравнений Лондонов. Их до сих пор широко используют для анализа процессов в сверхпроводниках.

Конечно, уравнения Максвелла не отменились уравнениями Лондонов. Последние, если можно так выразиться, "ответвились" от максвелловых уравнений для анализа явлений в конкретной области - сверхпроводимости, точно так же, как ответвилась от уравнений квантовая электродинамика, призванная изучать процессы в микромире.

А уравнения Максвелла пока что остаются незыблемым языком физиков на все времена.

Следующий шаг в развитии теории сверхпроводимости был сделан почти одновременно советским физиком лауреатом Ленинской премии академиком Н. Н. Боголюбовым и американскими учеными Бардином, Купером и Шриффером.

Теория, разработанная ими, необычайно сложна даже для физиков. Например, в работах Николая Николаевича Боголюбова, посвященных теории, на печатной странице можно прочесть лишь два-три "человеческих" слова, да и то таких, как "известно, что..." "следовательно", "итак, имеем", "что и требовалось доказать", а остальное - роторы, дивергенции, дифференциалы, интегралы, лапласианы, якобианы и прочий высший пилотаж абстрактной математики.

Теория Н. Н. Боголюбова и теория Бардина, Купера и Шриффера (теория БКШ) сводятся, грубо говоря, к предположению о том, что сверхпроводящие электроны, в противовес обычным, объединены в пары, тесно связанные между собой. Разорвать пару и разобщить электроны трудно. Такие связи позволяют электронам двигаться в материале, помогая друг другу и не встречая электрического сопротивления.

И, наконец, последним достижением в разработке теории сверхпроводимости являются работы члена-корреспондента АН СССР А. А. Абрикосова. Он теоретически подтвердил давнюю догадку Л. В. Шубникова о преимуществах сверхпроводящих сплавов перед сверх-проводящими металлами. За разработку теории А. А. Абрикосов удостоен в 1965 году Ленинской премии, а теория ГЛАГ - (Гинзбург Ландау - Абрикосов - Горьков) получила мировое признание.

Итак, теория разработана, она утверждает, что в металлургических лабораториях со дня на день должны родиться сплавы с предсказанными Абрикосовым чудесными свойствами...

И вот в 1961 году американский физик Кунцлер, исследуя сплав ниобия с оловом, обнаруживает совершенно фантастические сверхпроводящие свойства этого соединения. Оказалось, что даже самое сильное магнитное поле в 88 тысяч эрстед, имевшееся тогда в Соединенных Штатах, не в силах разрушить сверхпроводимость сплава.

Путь к сверхпроводящим магнитам, сверхпроводящим электротехническим устройствам был открыт...

Уже через несколько лет были созданы магниты, о которых Камерлинг-Оннес мог только мечтать: сверхпроводящие, легкие, дешевые, небольшие по габаритам, поистине "волшебные" магниты с полем сначала 102, а затем 120, а потом и 170 тысяч эрстед.

Мест приложения силачам сколько угодно. Возьмем для примера мощную электрическую машину. Она тем мощнее, чем сильнее у нее магниты - при сверхпроводящих магнитах можно резко сократить размеры электрооборудования. То же, в принципе, относится и к трансформаторам, ведь их обмотки - тоже магниты, только переменного тока.

Расчеты советских и американских ученых показали, что сверхпроводники выгодно использовать в дальних линиях электропередач. Оказалось, что по сверхпроводящему кабелю всего лишь с руку толщиной можно было бы передавать, например, всю электроэнергию, потребляемую такой индустриально развитой страной, как Соединенные Штаты Америки.

Уже созданы и испытаны первые сверхпроводящие линии электропередач, электрические машины, трансформаторы, плазменные генераторы, вычислительные машины, измерительные приборы. Сверхпроводники верно служат человеку, где бы он ни находился, - на земле, в воздухе, в космосе или под водой.

Кто сделал все это? Кто совершил открытие? Кого благодарить за еще одно благо, поставленное на службу людям? Гейке Камерлинг-Оннеса? Ландау? Лондонов? Шубникова? Абрикосова? Кунцлера? Все они внесли свой вклад в это открытие. И предтечи их - Фарадей, Максвелл, Кальете, Пикте, Ольшевский, Дьюар - тоже должны быть названы здесь... А лаборанты, рабочие, инженеры, научные сотрудники? Многие тысячи, десятки тысяч людей долгое время работали в низкотемпературном колодце, прежде чем он принес людям первую пользу.

Но особо следует оказать здесь о Гейке Камерлинг-Оннесе, и не столько непосредственно о факте открытия им сверхпроводимости, сколько о том, что был он, быть может, одним из первых ученых, понявших новый, коллективный характер научного творчества в двадцатом веке. Он создал крупнейшую лабораторию, оснастил ее самым современным оборудованием, больше похожим на оборудование завода, чем на лабораторные приборы, организовал специальные школы и журналы.

И все это привело к открытию.

Когда-то Ньютону потребовалось только яблоко...

Новые открытия, новые трудности

Ни квантовые снаряды Планка, ни буря относительности Эйнштейна не смогли сокрушить бастионы максвелловых уравнений. До сегодняшнего дня ученый, прикидывающий прохождение радиосигнала к Венере или решающий задачу "передвижения на одноколесном велосипеде по канату" - задачу удержания плазмы в "магнитной бутылке", - все они пользуются в своей работе старыми, заслуженными уравнениями Максвелла.

Но сомнения остались. Они нарастают буквально с каждым днем. Это уже не "легкие облачка", омрачавшие чистое небо физики начала века. На горизонте ясно собираются свинцовые тяжелые тучи.

Собирающаяся гроза обязана своим происхождением самой, казалось бы, невинной причине - поискам красоты, полного совершенства. Недаром один великий физик не уставал говорить, что всякая физическая теория должна быть математически элегантна.