Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
7 декабря 2016, среда, 13:35
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

Андрей Варламов: «Сверхпроводник можно рассматривать как гигантский атом»

Магнитная левитация с использованием сверхпроводника
Магнитная левитация с использованием сверхпроводника

Прыжок в будущее

Доктор физико-математических наук, Андрей Варламов рассказал Дмитрию Ицковичу, Борису Долгину и Анатолию Кузичеву в программе «Наука 2.0» (совместном проекте портала «Полит.ру» и «Вести.FM») об открытии сверхпроводимости, его применении в современной жизни и о том, как понять физику на примере приготовления итальянского кофе. Это не прямая речь гостя передачи, а краткое содержание, пересказанное редакцией «Полит.ру».

В прошлом году исполнилось 100 лет с момента открытия сверхпроводимости. Сверхпроводимость - особое открытие. Свойства полупроводников были поняты довольно быстро, квантовые свойства, на которых основаны лазеры, в действительности, были давно предсказаны. А сверхпроводимость была открыта как некое совершенно неожиданное явление. В конце XIX века бытовало мнение о том, что современная физика уже сделала все свои открытия. Конечно, еще оставались частные задачи, люди занимались исследованием свойств вещества, исследованием систем большого числа частиц, но было некоторое ощущение завершенности.

И тут – взрыв: изобретают телеграф, телефон. Идут дискуссии. Необходимо знание о свойствах металлов - как они передают ток на расстоянии по проводам, что такое проводимость. Со времен Фарадея люди понимали, что можно характеризовать различные вещества их проводимостью, но не знали, что такое электрон. Предполагалось, что имеются положительные и отрицательные заряды, но что это такое, не было известно.

В конце ХІХ века открывают электрон. И тут же Друде создает свою теорию электропроводности - наивную, на первый взгляд, но с формулой, которую используют до сих пор.

По сей день идут дебаты о том, как изменяется проводимость металла при очень низких температурах. Дело в том, что при высоких температурах все более или менее точно определяется колебаниями решетки. При высоких температурах вы не получите высокой проводимости - растет сопротивление, и проводимость падает, потому что электронам приходится рассеиваться не на примесях, а на колебаниях решетки. Шла погоня за низкими температурами, чтобы изучить, как устроено вещество, чтобы избавиться от помех. При понижении температуры наступает тепловое равновесие с другими газами, поэтому ученые обратились к гелию, который кипит при температуре около 4,2 градусов по Кельвину.

Открыл сверхпроводимость Хейке Камерлинг-Оннес. Он считал, что проводимость стремится к бесконечности при приближении к абсолютному нулю. У него был гелий, но, чтобы поставить точку в споре, он пробует золото, платину – ничего не получается. Тогда он решает применить ртуть. Замораживает, измеряет сопротивление - и вдруг видит, что при 4,2 градуса сопротивление ртути скачком обращается в ноль.

Во время работы над открытием Камерлинг-Оннес перебрал все металлы из таблицы Менделеева и выяснил, что чем лучше металл как проводник, тем меньше вероятность, что он сверхпроводник. Золото - очень хороший проводник, поэтому контакты в компьютерах делают именно из него. Медь - хороший проводник. Однако ни медь, ни золото не являются сверхпроводниками, а ртуть и олово являются. Особенность сверхпроводимости такова: «хорошие» металлы - или не сверхпроводники, или плохие сверхпроводники. Лучший изо всех элементов - чистых металлов как сверхпроводник - это ниобий, скачок происходит при 9 градусов Кельвина.

Величие теоретической физики ХХ-го века в том, что мы научились описывать те явления, которые никогда не сможем увидеть.

Таким образом, открытие сверхпроводимости произошло 8 апреля 1911 года и было оценено сообществом. Оно необходимо для очень многих целей. Есть научные вопросы, которые решаются в лабораториях, но есть и больницы, где ежедневно сотни людей проходят ядерно-магнитное резонансное сканирование.

Верно подметил Лев Ландау: величие теоретической физики ХХ-го века в том, что мы научились описывать те явления, которые никогда не сможем увидеть.

Череда научных открытий

С XIX века известен важнейший закон Фарадея - закон электромагнитной индукции. Он обнаружил, что когда меняется поток магнитного поля через контур, возникает напряжение, возникает ток. Когда королева его спросила, какое применение может найти его открытие, он сказал: ровно никакого. Сегодня мы имеем все электрические приборы благодаря Фарадею.

В 1934 году в Германии немецкий ученый Мейснер со своим сотрудником Оксенфельдом открывают удивительное явление сверхпроводимости. Они обнаруживают, что когда металл является сверхпроводником, то есть по нему ток может течь без сопротивления, он оказывается вдобавок и идеальным диамагнетиком. Идеальный диамагнетик - это означает, что металл выталкивает из себя магнитное поле. По этому принципу в Японии и в Китае созданы поезда на магнитной подушке - магнитная левитация.

Сверхпроводник можно рассматривать как гигантский атом. Все электроны в этом сверхпроводнике описываются единой волновой функцией, они живут как один большой атом.

В 1935 году братья Фриц и Хайнц Лондоны, пытаясь доказать теорию сверхпроводимости, установили, что есть два сорта электронов. Есть обычные электроны, которые рассеиваются на примесях, как в любом нормальном металле, а есть сверхпроводящие электроны, которые не замечают примесей, благодаря чему и существует сверхпроводимость. На основании этой гипотезы они пишут систему уравнений, в которой, без понимания глубины, объясняют эффект Мейснера, который был отмечен еще в 1934 году.

В 1935 году Сергей Капица, приехав в Россию из Кембриджа навестить родителей, не возвращается в Англию и пытается уйти из физики. Кончается это тем, что появляется Институт физических проблем, с оборудованием, подаренным Резерфордом своему любимому ученику. И Капица открывает явление сверхтекучести. Явление сверхтекучести - это протекание жидкого гелия при температуре не 4,2, а 2,18 по Кельвину - гелий начинает протекать совершенно без вязкости. Это важное обстоятельство сверхтекучести позволило Ландау объяснить, что атомы в этом процессе имеют нулевой спин. Спин - это врожденный магнитный момент частицы. Она как будто бы крутится - и возникает магнитный момент.

Открытие Шубникова было достойно Нобелевской премии, но вместо этого его объявили шпионом и расстреляли.

В то же время ученые продолжают исследовать сплавы. В Лейденской лаборатории известный экспериментатор Вандер Йоханес де Гааз активно работал над этим вместе со Львом Шубниковым из Харьковского физтеха. Де Гааз и Шубников обнаружили, что сверхпроводимость в сверхпроводниках второго рода отличается от магнитных свойств первого рода. Первые - это чистые, а вторые - это сплав. Открытие Шубникова было достойно Нобелевской премии, но вместо этого его объявили шпионом и расстреляли.

Откуда берется сверхпроводимость?

В 1957 году ученые Бардин, Купер и Шриффер создают микроскопическую теорию сверхпроводимости, которая объясняет, что имеется электрон-фононное взаимодействие и кулоновское взаимодействие, которое можно заменить эффективным притяжением. Если электроны индивидуалисты и живут каждый сам по себе, то бозоны любят держаться вместе. При низких температурах они начинают попадать в бозе-конденсат, описываясь единой волновой функцией. Отсюда и берется сверхпроводимость. Это фундаментальная теория, называемая БКШ (первые буквы имен ученых), за которую была вручена Нобелевская премия.

В это же время создает свою теорию Алексей Абрикосов – выдающийся человек. В 15 лет окончил школу, в 20 - университет, аспирант Ландау. В 27 лет был доктором физико-математических наук. Абрикосов придумал совершенно новый сценарий взаимодействия сверхпроводника с магнитным полем, решив важнейшую практическую задачу. Он сказал: «Хотите иметь сверхпроводники с высокими параметрами? Я не знаю, как сделать высокую критическую температуру, но как получить магнитное поле критическое - знаю. «Пачкайте» сверхпроводники, вводите туда примеси. Больше примесей - выше критическое поле». И до 1986 года все сверхпроводники, которые работали в наших лабораториях на полях в 17-20 Тесла, это были сверхпроводники второго рода, природу которых объяснил Абрикосов.

Это была совершенно новаторская работа, которая получила огромное практическое применение. Абрикосов указал практический способ, как получать такие сверхпроводники. Поэтому он получил за это Нобелевскую премию.

Позже была открыта совеем другая область сверхпроводимости, названная слабой областью сверхпроводимости. Ученый Брайан Джозефсон доказал это в своей дипломной работе. Он показал, что если есть один сверхпроводник и второй сверхпроводник, а между ними - прослойка, то возникнет удивительный прибор - Джозефсоновский переход, при помощи которого измеряют сверхслабые магнитные поля. С его помощью легко измерить магнитное поле, возникающее при протекании крови в сосудах человеческого мозга.

Сегодня джозефсоновские элементы - это повседневный атрибут в лабораториях для измерения распределения магнитных полей.

«Физика хорошего кофе»

Физика - это такая наука, которая превращает явления вокруг нас в числа и объясняет нам, почему что-то происходит так, а не иначе. Это можно объяснить на примере приготовления кофе в Италии. У итальянцев есть поговорка: «В Италии лучше пить хороший кофе, чем плохой чай".

Есть американский кофе, качество которого нет смысла обсуждать. Есть скандинавский способ приготовления (в кофейник с холодной водой засыпают кофе и варят полчаса). Турецкий кофе до кипения не доводят и варят в джезве. А есть итальянский способ приготовления. Раньше было два вида кофе - мокко и неаполитано. В пьесах Эдуарде де Филиппо можно обнаружить целые страницы о том, как пьют кофе в Неаполе.

В середине XIX века миланские инженеры придумали машину, которая называется «эспрессо». Принцип работы ее в том, что итальянские инженеры поставили компрессор и термостат. И решили выбирать. Позвали 20 сомелье и сказали: пробуйте. После совещаний было решено, что самые оптимальные параметры с точки зрения органолептики (то, что человеку нравится) - это кофе, который готовится при давлении между 9-ю и 16-ю атмосферами, а температура 88-92 градуса.

По данным итальянского Института эспрессо: кофе должен готовиться из 7-9 граммов молотого кофе, под давлением от 9 до 16 атмосфер, за время 15-25 секунд, на выходе должно быть 25-35 миллилитров кофе, температура приготовления 88-92 градуса, чашка должна быть подогрета, и на губах, когда вы пьете должно быть 68-70 градусов. Это параметры, которые определяют в итальянском смысле эспрессо.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.