Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

• Название: Штурм абсолютного нуля
• Автор: Генрих Бурмин
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 1989
• ISBN: 5-08-000602-1

Книга о том, как физики, проникнув в область температур вблизи абсолютного нуля, открыли замечательное свойство вещества — сверхпроводимость. В ней рассказывается о выдающемся достижении современной физики — высокотемпературной сверхпроводимости, о применении сверхпроводников в технике и промышленности, об ученых — творцах этой области науки.

---

Сечение сверхпроводящего провода (кабеля, шины) меняется от долей квадратного миллиметра до нескольких квадратных сантиметров, а диаметр сечения единичных жил и волокон собственно сверхпроводника — от долей микрометра до десятка микрометров. В каждом сверхпроводящем проводе может содержаться от единиц до сотен тысяч волокон.

Все больше и больше громоздких и дорогих охлаждаемых водой соленоидов с медными проводами заменяют относительно небольшими сверхпроводящими магнитами. Внедряются сверхпроводящие трансформаторы, работающие без потерь и отличающиеся исключительной компактностью.

Такие трансформаторы могут работать вообще без железного сердечника. Разрабатывается много других типов сверхпроводящих машин, аппаратов и приборов. Подробно об этом вы сможете прочесть в последующих главах.

Познакомимся еще с одним интересным открытием в области сверхпроводимости.

Сверхпроводник и магнитные вещества являются в некоторой степени антиподами. Сверхпроводник, как известно, стремится вытолкнуть магнитное поле из своей толщи.

Исследование, проведенное А. А. Абрикосовым и Л. П. Горьковым, однако, заставило по — иному отнестись к этой проблеме.

Оказывается, магнитные примеси действуют на сверхпроводник неожиданным образом.

Читатель уже знает, что сверхпроводящий ток переносится спаренными электронами, так называемыми куперовскими парами.

Для разрыва куперовских пар требуется затрата некоторой энергии. Из‑за этого энергия электронов, участвующих в процессе сверхпроводимости, на некоторую величину меньше энергии нормальных электронов. Эта разница называется энергетической щелью.

При налички в сверхпроводнике магнитных примесей у части куперовских пар в результате взаимодействия с атомами этих примесей энергия связи уменьшается. С повышением концентрации примесей число таких пар увеличивается, а минимальная энергия их связи уменьшается. Наконец, при определенной концентрации примесей наименьшая энергия связи пар становится равной нулю. В таком сверхпроводнике всегда есть пары, для разрыва которых достаточно сколь угодно малой энергии.

А это значит, что энергетическая щель исчезает, но сверхпроводимость сохраняется до тех концентраций примеси, пока есть пары с большей энергией связи.

Один из основоположников современной теории сверхпроводимости Джон Бардин по поводу сверхпроводников второго рода и сверхпроводников с магнитными примесями сказал, что некогда была открыта сверхпроводимость, затем был открыт эффект Мейснера и долгое время спустя открыта энергетическая щель. Затем русские закрыли эффект Мейснера, а потом закрыли энергетическую щель.

…А теперь читателю предстоит сделать скачок из микромира в мир немыслимо гигантских размеров, где наша планета Земля выглядит мельчайшей песчинкой, — в Галактику.

9. Сигналы из космоса. «Маленькие зеленые человечки». Когда молчание — золото. Рождение нейтронной звезды. Небесное тело на лабораторном столе.

Английский радиоастроном Антони Хьюиш вряд ли мог заранее предугадать, какие удивительные события произойдут после установки в обсерватории мощного длинноволнового радиотелескопа.

Закончив монтаж нового оборудования, профессор Хьюиш и его ассистентка Джоселин Белл в июле 1967 года приступили к изучению межпланетных мерцаний.

Сначала все шло как обычно. Данные, полученные с помощью мощного радиотелескопа, регистрировались, обрабатывались и наносились на карту звездного неба.

Необычное началось в августе. Самописец стал регистрировать загадочные сигналы, не характерные ни для одного из известных в то время небесных тел.

Источник этих сигналов испускал прерывистые импульсы продолжительностью около 0,3 секунды. Особенно поражало постоянство периода, то есть промежутка времени между двумя последовательными импульсами. Он составлял 1,33730110168 секунды (с точностью до одиннадцатого знака!).

На протяжении некоторого времени сигнал вообще не регистрировался. Однако время его начала с высокой точностью можно было рассчитать заранее.

Создавалось впечатление, что некая внеземная цивилизация взывает к своим инопланетным братьям по разуму.

А может быть, это подает сигналы космический корабль, стартовавший на далекой планете? Вот почему первооткрыватели сначала назвали загадочный объект LGM (little greem men), что в переводе значит: «маленькие зеленые человечки». Так в то время шутливо называли пришельцев из космоса, будто бы выходящих из «летающих тарелок».

Хьюиш и его коллеги оказались на перепутье…

Немедленно оповестить мир о своем открытии и завоевать славу пионеров связи с внеземной цивилизацией? Но тогда скромное здание Малардской обсерватории, что вблизи Кембриджа, вряд ли выдержало бы штурм вездесущих репортеров.

Английские ученые решили, что выражение «молчание — золото» как нельзя больше подходит для создавшейся ситуации. Они условились до поры до времени держать свое открытие в глубокой тайне.

Проходили дни, недели, месяцы упорного труда. Сменялись времена года.

Тщательный анализ результатов наблюдений показал, что источником удивительного излучения является неопознанное ранее небесное тело. В дальнейшем оно получило название «пульсар», вследствие прерывистого (пульсирующего) характера его излучения.

Вскоре исследователи обнаружили на разных участках нашей Галактики еще три подобных объекта.

В феврале 1968 года Хьюиш и его коллеги опубликовали в английском журнале «Природа» статью о своем открытии.

Это вызвало громадный интерес среди исследователей Вселенной. Сообщения о новых открытиях пульсаров стали поступать из СССР, США, снова из Англии, из Австралии и других стран.

Сегодня известно несколько сот пульсаров. По- видимому, общее количество пульсаров значительно больше.

Однако современная аппаратура пока не в состоянии обнаружить их сигналы на фоне других космических источников.

Почти сразу после открытия пульсаров астрофизики высказали предположение, что пульсары — это так называемые нейтронные звезды. Примечательно, что гипотеза о возможности существования нейтронных звезд была выдвинута Ландау еще в 1932 году, то есть всего через год после открытия нейтрона.

Излучение обычных звезд связано с протеканием в их недрах, где температура исчисляется миллиардами градусов, термоядерных реакций. В этом смысле звезду можно представить себе как гигантский термоядерный котел, заполненный высокотемпературной плазмой.

Напомним, что высокотемпературная плазма представляет собой газ, состоящий из практически «голых» ядер и электронов.

Такая система не устойчива. По мере выгорания ядерного «топлива» (водорода и гелия) гравитационные силы стремятся сжать ядро звезды. С течением времени плотность вещества существенно увеличивается. Протоны, входящие в состав атомных ядер, захватывают электроны. Происходят реакции превращения протонов в нейтроны: вещество нейтронизируется.

Одновременно под действием силы газового давления разбухает оболочка звезды. Когда эта сила превышает критическую величину, оболочка взрывается, устремляясь в пространство. Происходит, как говорят астрономы, вспышка сверхновой звезды.

Сжатие ядра прекращается, и образуется устойчивое тело: нейтронная звезда, состоящая в основном из нейтронов.

Согласно современным представлениям, если масса сверхновой звезды превышает массу Солнца в три — пять раз, то вещество сжимается неограниченно и образуется так называемая «черная дыра».

Нейтронная звезда представляет собой быстро вращающееся вокруг своей оси сверхплотное тело. Масса одного кубического сантиметра ее вещества равна 100 миллионам тонн! Это очень маленькое в астрономическом масштабе тело: ее диаметр равен десяти — пятнадцати километрам. Вместе с тем феноменальная плотность делает ее массу сопоставимой с массой Солнца.

Вспышку сверхновой звезды, в результате которой возникла так называемая Крабовидная туманность, наблюдали в 1054 году китайские астрономы.

В декабре 1968 года трое молодых исследователей Вселенной из обсерватории Стюарда при Аризонском университете (США) — Кок, Дисней и Тейлор — обнаружили в Крабовидной туманности пульсар.

Это открытие, казалось, послужило убедительным доводом в пользу гипотезы о том, что пульсар — это нейтронная звезда.

Простейшим «пульсирующим телом» является равномерно вращающийся маяк, излучающий узкий пучок света. При этом на корабле, находящемся в море, наблюдаются периодические вспышки. Они повторяются через промежуток времени, равный периоду вращения маяка, а продолжительность вспышки определяется шириной пучка света.