Честная физика. Статьи и эссе.

6. Жмурки с электричеством.

 

6.5. Сверхпроводимость или…?

 

 

       Ну ладно, со сверхпроводимостью полегче будет. «На этот раз – только документы и только факты!» Всё, что связано со сверхпроводимостью, это особая область в физике. Фабрика грёз просто! За исследования по сверхпроводимости дали несколько Нобелевских премий, в том числе Бардину, Куперу и Шрифферу за ейную теорию, хотя по статуту Нобелевской премии она присуждается только за практические результаты. Но уж случай выдался исключительный: практичность теории БКШ оказалась выше крыши! Посудите сами. Всем, кто серьёзно искал ответ на вопрос, как это свободные электроны могут двигаться в веществе без потерь на джоулево тепло, люди в белых халатах ставили диагноз «вывих мозга». А той троице повезло. Наверное с ними приключилась какая-то полезная мутация: их мозги отделались лишь лёгким перегревом, выдавши желанный продукт.

       Вот что подарили нам эти светлые головушки. При температуре ниже критической свободные электроны разбираются попарно и объединяются в т.н. куперовские пары. Эти-то пары и обладают, мол, чудесной способностью двигаться сквозь вещество, не встречая никакого сопротивления. Пикантная подробность из жизни куперовской пары: образующие её два электрона имеют, как утверждает теория БКШ, противоположные спины и противоположные импульсы. Оригинально! Ну, спины-то – чёрт с ними. Но если два электрона имеют противоположные импульсы, то ведь суммарный перенос электричества нулевой!

       Нельзя ли с этого места поподробнее? Оказывается, нельзя. Авторы учебников, которые упоминают про то, что компаньоны из куперовской пары имеют противоположные импульсы, тут же добавляют: «Это не следует понимать буквально». А как это следует понимать, не уточняют. То ли из-за того, чтобы не сболтнуть ещё чего-нибудь лишнего, то ли из-за того, что краткость – сестра таланта. По-любому, у читателя должно создаваться впечатление, что он имеет дело не с дурдомом, а с храмом точной науки в лучшем смысле этого слова. Ну как можно было не дать Нобелевскую премию за такую теорию?!

 

       Давайте же восстановим если уж не историческую справедливость, так хотя бы историческую хронологию! Началось всё с опытов Каммерлинг-Оннеса, который исследовал электропроводность ртути при сверхнизких температурах. Делал он это топорно, замеряя гальванометрами напряжение на кусочке ртути и силу тока через него. При понижении температуры кусочка ртути примерно до 4оК что-то там резко в нём менялось: было похоже на то, что его сопротивление скачком падало. Но насколько оно падало, точно установить не удавалось. Намучившись с этой топорной вознёй с гальванометрами, Каммерлинг-Оннес перешёл на более продвинутую методику. Он стал делать колечки из свинца и, как ему казалось, возбуждать в них, в сильно охлаждённых, кольцевой ток электронов. Он же читал Максвелла: «при изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур в нём возникает э.д.с. индукции» и т.д. Ну, вот. Если изменяющееся магнитное «поле» прикладывалось к колечку при субкритической температуре, то происходило чудо, которое толковали как возникновение кольцевого тока электронов. Который якобы годами (!) не затухал, поддерживалась бы субкритическая температура. Опыты это подтверждали!

 

       Только позвольте, как они могли подтверждать, что в колечке действительно годами циркулируют электроны? Амперметр же в это колечко не встраивали. Делали проще: о наличии тока электронов судили по магнитному действию колечка. Отклоняет колечко магнитную стрелочку, значит ток электронов в колечке есть. Годами отклоняет, значит годами ток электронов есть!

       Стоп, стоп. Постоянный магнит тоже годами отклоняет стрелочку, но токов электронов в нём нет. Может, дяденьки, вы нас разыгрываете и те самые колечки – это тоже магниты? Оказывается, это было проверено, дело-то нехитрое. Сам же Каммерлинг-Оннес сплеча и срубил сук, на котором так уютно устроился. «Каммерлинг-Оннесу пришло в голову разрезать сверхпроводящее свинцовое кольцо… Казалось, что ток должен прекратиться; в действительности, однако, отклонение магнитной стрелки, регистрировавшей силу тока, при перерезке кольца нисколько не изменилось – так, как если бы кольцо представляло собой не проводник с током, а магнит». Это цитата из книжки Френкеля «Сверхпроводимость», вышедшей в 1936 году. Едва ли сейчас можно разыскать экземплярчик этой книги. Добрые дяди изъяли все, до которых смогли дотянуться. Ибо эта книга содержит научную тайну чрезвычайной важности: в т.н. сверхпроводящем кольце никакого кольцевого движения электронов нет.

 

       А что же там есть? Что годами отклоняет магнитную стрелочку? Намагниченность там есть, т.е. упорядоченное движение зарядовых разбалансов. Т.е. второй способ движения электричества – без переноса вещества и без потерь на джоулево тепло, но с магнитным действием.

       Да, но при охлаждении образца под критическую температуру происходит скачкообразный переход в режим генерации сильного магнитного «поля». Чем обусловлен этот переход? Это – ключевой вопрос!

       Смотрите, намагниченность обеспечивается движением зарядовых разбалансов по замкнутым цепочкам атомов. Есть ли ограничение на длину таких цепочек? Да, есть. Оно продиктовано вот чем: синхронизация валентных переключений на длине такой цепочки должна происходить за время, которое меньше периода валентных переключений. А длительность этой синхронизации равна частному от деления длины цепочки на скорость света. Значит период валентных переключений определяет максимально возможную длину цепочки с упорядоченным движением зарядовых разбалансов! А теперь вспомним, что период валентных переключений зависит от температуры. Чем температура меньше, тем период валентных переключений больше, а значит тем больше возможная длина цепочки. И вот, при одной прекрасной температуре область возможной синхронизации разрастается на весь образец. Выражаясь научным слогом, весь образец начинает представлять собой один домен. Это и есть скачок в состояние, которое предложили называть сверхнамагниченностью. В случае замкнутого проводника зарядовые разбалансы при этом обретают возможность циркулировать по всей его длине!

 

       Тут внимательные читатели конечно заметят, что та прекрасная температура, при заходе под которую наступает сверхнамагниченность, является не характеристической величиной для конкретного материала, а зависит от размера образца, в частности, от его длины. Чем эта длина больше, тем сильнее придётся охлаждать образец, чтобы перевести его в состояние сверхнамагниченности. Неужели, мол, физики такие идиоты, что этого не заметили? Эх, милые мои! Да кто ж вам сказал, что они этого не заметили? Ещё как заметили! Именно с этим и связана та ужасная драма, которая разыгралась в истории «сверхпроводящих» устройств!

       Ведь как гладко всё начиналось! Наматывали катушечку, а два конца этой обмотки соединяли друг с другом. Получался, что называется, короткозамкнутый соленоид. В условиях слабого затравочного магнитного поля охлаждали этот соленоид ниже критической температуры, и он скачком переходил в режим генерации сильного поля.

       Светясь от счастья, экспериментаторы показывали публике это короткозамкнутое чудо, в котором ток тёк годами без потерь. «Видите, – втолковывали публике, – источники тока теперь на фиг не нужны! Мы их всех повыкидываем на свалку! И съэкономим миллиарды киловатт-часов электроэнергии!» От таких речей публика проникалась глубочайшим уважением к науке. Откуда публике было знать, что поддержание соленоида при субкритической температуре требует производства хладагента, а это в итоге сжирает больше электроэнергии, чем поддержание в соленоиде обычного тока проводимости. «Давайте, орлы, – рукоплескала публика, – развивайте это стоящее дело!»

 

       Да орлы и сами понимали, что это дело стоящее, и что его надо развивать. Хочется ведь большего! Чтобы получить более сильное магнитное «поле» и съэкономить больше киловатт-часов, нужно сделать что? Правильно, нужно увеличить число витков в соленоиде, а значит и длину его обмотки. Да нет проблем! Берём проволочку подлиннее, наматываем, кончики замыкаем, затравочное поле включаем, соленоид подмораживаем, и… и ничего не происходит. В нескольких лабораториях проверили – воспроизводимость стопроцентная.

       Физики оказались в положении детей, чья любимая игрушка растаяла в воздухе прямо на глазах. «Как это? – соображали физики. – Чё это она так? Почему это малые соленоиды переходят в режим генерации сильного поля, а большие при той же температуре не переходят? Материал ведь один и тот же!» С горя устроили международное совещание «по проблемам» сверхпроводимости. Собственно, проблема-то была одна, и на повестке дня стоял единственный вопрос: «Что же делать дальше?» Признаваться в том, что «мы тут все немножко лопухнулись с представлениями о сверхпроводимости», было никак невозможно. Это выглядело бы несолидно да и скоропалительно. А надо было, чтобы выглядело так: «Наше дело правое! Электроны в сверхпроводниках как двигались, так и движутся! Экономия киловатт-часов идёт вперёд семимильными шагами!» Самым сложным в этой программе был второй пункт: как изобразить движение электронов, если они ни фига не движутся?

       И знаете, быстренько отыскалось такое изумительное решение, что и изображать-то ничего не понадобилось. Если электроны отказываются двигаться добровольно, надо заставить их двигаться принудительно! А для этого надо не замыкать концы обмотки соленоида накоротко, а присоединять их ко внешнему источнику тока! Благо, их ещё не успели повыкидывать на свалку, как публике обещали. Только при подключённом внешнем источнике тока не получится замкнутой сверхпроводящей цепочки. Видите ли, если залить жидким гелием источник тока, то он… в общем, тогда он плохо работает. Поэтому жидким гелием следует заливать только соленоид, как и раньше. Пусть теперь только часть цепочки будет сверхпроводящая, это не страшно! Ток в цепочке всё равно будет циркулировать годами, пока пашет источник тока! Публика-дура ни о чём не догадается, если конечно не тарахтеть про внешние источники тока на каждом углу!

 

       О, лучшие научные кадры занимались «сверхпроводящими» электромагнитами с внешними источниками тока. Пришлось решать грандиозную задачу: поддерживать веру в то, что здесь в соленоиде электроны движутся в сверхпроводящем режиме, хотя по токоподводам они движутся в режиме обычной проводимости. Между тем, имелось немало свидетельств о том, что при внешнем источнике тока в соленоиде течёт только обычный ток проводимости.

       Ну, например, подаёте вы напряжение на соленоид, который ещё не охлаждён ниже критической температуры. При этом бесспорно сверхпроводимости ещё нет. А вы соленоид охлаждаете, охлаждаете, и вот его температура становится субкритической. Омическое сопротивление соленоида якобы должно скачком обратиться в нуль. Значит сопротивление всей цепи должно скачком уменьшиться, а ток в этой цепи, соответственно, скачком увеличиться. Так вот, никто о таких скачках не сообщал. У короткозамкнутых соленоидов скачкообразные переходы наблюдались, а у соленоидов с внешним источником тока – нет.

       С чего же вы, дяденьки, брали, что здесь происходил переход в сверхпроводящий режим? С того, что этот переход теория предсказывала? А на практике он где? Вы ещё скажите, что этот наш «отдельный пример ничего не доказывает». Да неужели этот пример отдельный? Да неужели он не доказывает? А вы случайно не из тех, которым можно что-то доказать, лишь прищемив кой-чего?

 

       Ну ладно, вот второй пример. В случае схемы с внешним источником тока имеется счастливая возможность измерять силу тока в цепи. А, зная геометрию соленоида, можно рассчитать напряженность магнитного «поля», которое должен генерировать соленоид при прохождении через него такого-то тока проводимости. Оказывается, что в режиме «сверхпроводимости» соленоид генерирует «поле», которое практически совпадает с рассчитанным через геометрию. Не означает ли это, дяденьки, что через соленоид на самом деле течёт обычный ток проводимости? Или вам и второго примера мало?

 

       Ладно, на третий вы сами напросились. Перейдя к схемам «сверхпроводящих» соленоидов с внешним источником тока, исследователи столкнулись с доселе неслыханным грозным явлением. Если прозевать момент и допустить, что ток через соленоид станет больше некоторой критической величины, то соленоид… сгорит к чёртовой матери. Этот феномен поначалу поверг лучшие научные кадры в шок. Ужас был не в том, что соленоиды сгорали. Ужасна была реальная угроза разоблачения дурилочки про сверхпроводимость, ведь сверхпроводник с его нулевым омическим сопротивлением по определению сгореть не может. В такой ситуации главное было не растеряться, не впасть в истерику, а проявить научное мужество и отбрёхиваться, отбрёхиваться…

       В общем, быстренько состряпали успокоительную теорию. Она разъясняла для тех, кто в танке, что сгорает вовсе не сверхпроводящий соленоид. Перед тем, как сгореть, он успевает превратиться в обычно-проводящий. Вот он-то, подлец, и сгорает. А как происходит превращение в такого подлеца? Ну, это совсем просто. При критическом токе в сверхпроводнике возникает ма-а-аленькая область обычной проводимости. Возникает она спонтанно. Если кто не знает, термин «спонтанно» произошёл от выражения «с понта» и в переводе на общепонятный язык означает «хрен знает с чего». Ну вот, с одного понта в сверхпроводнике возникает область обычной проводимости, а с другого понта она шустро разрастается на весь образец. Это, мол, его и губит… А откуда берётся энергия на нагрев и сгорание? Ну, это ещё проще. Когда соленоид был сверхпроводящим, у него были такие запасы магнитной энергии – о-го-го! Вот эта энергия и превращается в джоулево тепло!.. О, горе, горе! Нет повести печальнее на свете!

 

       Если даже допустить, что у магнитного «поля» есть какая-то энергия, то, чтобы она быстро превратилась в другую форму, поле должно быстро ослабнуть. А для этого сила тока, генерирующего «поле», должна быстро уменьшиться. Т.е. ток при превращении из сверхпроводящего в обычный должен скакнуть вниз! Где вы такое видели, любезные? Скачка тока вверх при прямом превращении (обычного тока в «сверхпроводящий») никто не заметил, хотя носом рыли. А когда понадобился скачок при обратном превращении, вот он, легко и непринуждённо! Небось сильно на сковородочке припекло? Тоже мне, «теория критического тока».

 

       Есть версия получше. Через соленоид с внешним источником тока течёт только обычный ток проводимости. Этот ток неслабый. Он гораздо неслабее, чем в обычных электромагнитах. Но это просто благодаря использованию страшно низкотемпературного хладагента, который эффективно отводит джоулево тепло. Ну а если ток возрастёт настолько, что хладагент уже не справится с отводом тепла, то соленоид и сгорит себе. Обычное дело. Это похоже на правду, в отличие от «теории критического тока».

       Но её сочинители не лгали. Поклянутся чем угодно! Если их прижать к стенке, то выяснится, что они всего лишь добросовестно заблуждались! Знаете, для подтверждения теории «критического тока», авторы книг не стеснялись публиковать фотографии пострадавших соленоидов с жуткими следами тепловых разрушений. Вот, мол, что бывает, если не считаться с нашей теорией! Ну, ну. С тем же успехом можно публиковать фотки порванных в клочья презервативов для подтверждения теории о чьём-то там половом гигантизме. Не слишком ли добросовестно вы заблуждаетесь, любезные?

 

       Вот так и живём! У короткозамкнутых соленоидов наблюдался скачкообразный переход в режим генерации сильного поля. Это был режим сверхнамагниченности, который обеспечивался движением по соленоиду не электронов, а зарядовых разбалансов, но это была хотя бы видимость сверхпроводимости. Соленоиды же с внешним источником тока не способны даже на такую видимость. Как бы они не старались. Казус в том, что для режима сверхнамагниченности при субкритической температуре должна быть вся цепь, а не только её часть. Так-то вот. Хорошо уже то, что про экономию миллиардов киловатт-часов никто больше не заикается. Одни лишь главные отклоняющие магниты Большого адронного коллайдера (в количестве 1232 штук) имеют многожильные титан-ниобиевые «сверхпроводящие» обмотки с длиной чуть поболе километра на каждом магните. Разумеется, эти обмотки запитываются внешними источниками тока, габариты и технические характеристики которых не для слабонервных. Моря киловатт-часов и гольфстримы жидкого гелия… Учитесь, студенты, грамотно разводить лохов на несметные деньги!