"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.
Теперь поиски элегантности нависают мрачной тучей над элегантнейшей теорией Максвелла, которая некоторым исследователям уже кажется элегантной в недостаточной степени.
И дело здесь прежде всего в том, что уравнения Максвелла, как говорят математики и физики, несимметричны.
Действительно, посмотрим еще раз на уравнения Максвелла, вернее, на два из них:
;
.
Смысл каждого из них таков: если мы возьмем ограниченную область пространства, то число электрических силовых линий (определяющее электрическое поле, ), вышедших из этой области, зависит от электрического заряда , располагающегося внутри нее. Чем больше заряд, тем больше . Если повести рассуждение в отношении магнитных силовых линий, то окажется, как следует из второго уравнения, что общее количество магнитных силовых линий, выходящих из произвольной области пространства, всегда равно нулю! Другими словами, сколько магнитных силовых линий в данный объем вошло, столько оттуда и вышло.
Запишем следствия вышеприведенных уравнений следующим образом: