Текст книги "Вблизи абсолютного нуля"
Автор книги: Борис Смагин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 8 страниц)
Фонтан в криостате
Все опыты с жидкими газами сверхнизкой температуры производят в особых установках – криостатах.
Криостат – сосуд, в котором физики поддерживают нужную температуру. Зорко следят, чтобы тепло не попало туда со стороны. А если появится внутри сосуда лишняя тепловая энергия, тотчас же отводят ее, изгоняют!
В общем, задача криостата ясна – температура должна быть строго постоянной. Чтобы достичь этой цели, ученые пускаются на всякие хитрости.
Очень тяжело работать вблизи абсолютного нуля. Тут, как нигде, требуются очень умные руки. Даже для конструирования криостатов существует целая наука. А ведь по сути дела – это даже не аппаратура, а просто подготовка рабочего места. Но рабочее место особенное. Слишком уж низка его температура, слишком трудно ее достичь и сберечь.
В одном из таких криостатов можно увидеть, как работает необычайный фонтан. Участник этого трюка, конечно, гелий. Фонтан интересен еще и тем, что возникает он совершенно неожиданно.
В дьюаре покоится жидкий гелий. Внутри жидкости V-образная трубка. Такие трубки часто используются в лабораториях: различные газовые термометры, измерители давления – манометры – все это трубки, колена которых заполнены ртутью или другими жидкостями. Там, где трубка выступает из гелия, на нее надевают пористую пробку, через которую жидкость просачиваться может. Второе, короткое колено трубки погружено в жидкий гелий.
Художник нарисовал нам эту картину. Вот она, трубка, внутри нее – пористая пробка, а тонкое жало тянется вверх из жидкости.
У верхнего края, там, где начинается жалообразное сопло, пробку немного нагревают. Нагревание, конечно, небольшое, чтобы гелий не закипел. И вот неожиданно из сопла вырывается форменный фонтан – струя жидкого гелия. На несколько сантиметров вверх брызжет этот необычайный фонтан.
Почему он появляется?
Тоже загадка!
И таков весь жидкий гелий. Что бы с ним ни случилось, все чудеса, все фантастика.
Только не подумайте, пожалуйста, что ученые, изучающие жидкий гелий, только и делают, что ахают и разводят руками, когда вдруг встречаются с такими фантастическими явлениями.
Они научились объяснять эти чудеса. Так что для тех, кто часто сталкивается с самой холодной на земле жидкостью, она уже стала обычной. Точно так же, как и сама температура в четыре градуса Кельвина, как само близкое соседство с абсолютным нулем.
Ученые не остановились на температурах сжиженного гелия. Они пошли еще дальше. Сейчас до абсолютного нуля остались сотые доли градуса. Но твердый гелий при обычных условиях не образуется. Только при давлении в несколько атмосфер удалось заставить упрямое вещество затвердеть. Можно считать, что на земле нет ни одного вещества, которое вблизи абсолютного нуля остается газом или жидкостью.
Любое вещество ученые могут получить и в жидком, и в газообразном, и в твердом видах. А так же и в плазменном.
Пятьдесят лет поисков
Пятьдесят лет назад, когда ученые уже подобрались к абсолютному нулю, они натолкнулись на одно загадочное явление. Вы видите, какой это необычайный мир – Мир Сверххолода. Кругом подстерегает путешественника Необычайное, Невероятное!
В отличие от чудес жидкого гелия, это явление уже нашло практическое применение. Но ученые сначала научились им пользоваться, а потом уже объяснили.
Существуют два раздела физики, необычайно тесно связанные друг с другом. Это – электричество и магнетизм. И связь явлений электрических магнитных особенно поразительна как раз вблизи абсолютного нуля.
Уже более ста лет пользуются люди чудесной электрической энергией. Вот тут уж действительно перед нами самый мощный, самый мудрый, самый нужный помощник человека. Без электрической энергии мы бы ничего не смогли делать. В любых делах человека – дома, на работе, на отдыхе – помогает электричество. Даже на космических ракетах, на спутниках Земли стоят маленькие электрические батареи и аккумуляторы, которые питают межпланетные корабли и искусственные спутники электрической энергией.
Пока что энергия электрическая самая удобная, самая распространенная. Ее можно передавать на любые расстояния, делить на части, соединять и даже заготовлять впрок, правда, в небольших количествах.
Когда мы включаем свет, в нашу лампу попадает электрический ток. Ток прекратится, когда станция перестанет подавать электрическую энергию или когда мы снова щелкнем выключателем и разомкнем электрическую цепь.
Батарея карманного фонаря питает маленькую лампочку. Если фонарь перестает работать, вы говорите: «Скисла батарея» и идете покупать новую. Электрический ток сразу же прекращается, если разрядится батарея, перестанет работать электростанция, произойдет разрыв в линии электропередач.
Почему же так получается?
В каждом проводнике имеются носители электричества – электроны. Это тоже атомные частицы. В атомах они обычно тесным роем окружают ядра, вращаются вокруг него. Но в проводниках часть электронов – свободная. Ведут они себя, как молекулы в газе. Их так часто и называют – «электронный газ». Это название точное. Ведь внутри проводника электроны свободно носятся во все стороны, не связанные ничем. Им не удается лишь выбраться наружу, выскочить из провода. Так же чувствуют себя и молекулы обычного газа, подлетая к стенкам сосуда, в котором расположился газ.
Когда мы включаем на электростанции рубильник или подсоединяем к лампочке карманного фонаря батарею, мы создаем электронам особые условия. В проводнике появляется электрическое поле. Вокруг Земли есть поле тяготения. Все предметы поэтому приближаются к Земле, падают вниз, если это можно. Электрическое поле действует на электрические частички – электроны, гонит их вперед. При токе переменном электроны бросаются то в одну сторону, то в другую. А при токе постоянном перемещаются с одного конца проводника к другому.
Но путешествовать электронам не так-то просто. На пути встречаются другие электроны и атомы металла, и электронам приходится преодолевать их сопротивление. Чем сопротивление меньше, тем меньше потери электрической энергии в проводах.
Когда издалека ведут линию передачи электроэнергии, провода делают очень толстыми, чтобы сопротивление уменьшить. Тогда в пути от электростанции к потребителям электрическая энергия не растратится зря.
У всякого проводника определенное сопротивление. Правда, оно зависит от температуры. Но не очень сильно. Заметим еще одно. Чем сопротивление меньше, тем больший ток потечет по проводнику.
Вот теперь перейдем к магнетизму.
Магнитную стрелку знает каждый. И электромагнит тоже каждый видел. Ничего таинственного в этих предметах нет. Компас указывает нам страны света. А почему? Почему магнитная стрелка упорно становится в одном направлении? Потому, что она попадает в магнитное поле Земли. Так отвечает вам учебник.
Земля – магнит. Это свойственно далеко не всякой планете. Вот, например, у Луны нет магнитных свойств.
Это установила наша лунная ракета. Нет сильного магнитного поля и у нашей соседки – Венеры, определил недавно американский космический корабль «Маринер-2».
Вокруг всякого магнита имеется магнитное поле. По этому полю и узнают, является ли планета магнитом. Видите, сколько разных полей может существовать в природе. Поля тяготения, электрическое, магнитное. Компас нам указывает, как на Земле расположено магнитное поле, где Северный полюс, а где – Южный. Вот на Луне путешественникам придется потруднее. Вынимаем компас. Но не тут-то было! Стрелка компаса «гуляет» в разные стороны, как хочет. Магнитного поля у Луны нет. Придется находить путь другими способами.
В магнитном поле некоторые металлы, например железо, сами становятся магнитами. Магнитная стрелка – тоже маленький магнит. Ее магнитное поле сталкивается с магнитным полем Земли. И стрелка становится в такое положение, чтобы эти поля друг другу не мешали. Кроме магнитов природных, существуют магниты искусственные. Например, электромагниты. В электромагните есть обмотка – провод, по которому течет электрический ток, и железный сердечник. Вокруг всякого проводника с током появляется магнитное поле, а железо его усиливает. Электричество и магнетизм вообще очень дружат. С помощью магнитного поля получают электрический ток. А там, где течет электричество, сразу же появляется магнетизм. Электромагниты используются буквально везде. Можно встретить громадные установки, с помощью которых перетаскивают тяжелые железные предметы. И малюсенькие электромагнитики, вроде тормоза детандера, машины для охлаждения газов.
Инженеры давно мечтали, как бы сделать сопротивление обмотки электромагнита поменьше. Тогда можно было бы изготовить особенно мощные электромагниты. Ток течет, а сопротивление ничтожно мало. Значит, ток будет очень большим. Раз ток большой, то и магнитное поле велико. А по размерам такой мощнейший магнит – фитюлька!
Вообще говоря, можно и сейчас сделать сопротивление обмоток электромагнитов маленьким. Но для этого придется сооружать их очень толстыми. Провода толстые, значит, велики размеры магнита. А инженеры хотят собрать все магнитное поле на очень маленьком участке. Чуть ли не в точке.
Вот это будет магнит! Но как его сделать?
И вдруг неожиданно у них появились надежды, что соорудить такой магнит можно. Пятьдесят лет назад голландский ученый Камерлинг-Оннес заметил, что вблизи абсолютного нуля при температуре жидкого гелия вдруг полностью пропало электрическое сопротивление ртути, с которой он экспериментировал. Пропало начисто, как будто его и не было. Заинтересованный ученый немного повысил температуру в своем криостате. Так же мгновенно появилось сопротивление.
Так была открыта сверхпроводимость – чудесный физический процесс. С ним теперь связано много разных технических проектов, еще недавно казавшихся чистой фантастикой.
Ученые начали исследовать различные проводники, искать у них это замечательное свойство.
Оказалось, что сверхпроводимость наступает у многих металлов. Только при разных температурах. Редкому металлу рутению подавай 0,46° К, то есть почти абсолютный нуль. А другие более податливы. Ученые создали специальные сплавы, для которых температуры перехода в сверхпроводимость сравнительно большие. Одно сложное соединение сурьмы с ниобием становится сверхпроводящим уже при 18° К. Это немного ниже точки кипения водорода. Даже гелия получать не надо. Достаточно чуть охладить жидкий водород – и вот тебе сверхпроводимость! Что же это такое – сверхпроводимость? Электрический ток в таком проводнике может идти сколько угодно, ведь никаких затрат энергии не происходит, сопротивления нет. Все равно что дать возможность автомобилю ехать по дороге без трения. Подтолкнуть его разок, а дальше можно и не беспокоиться. Сам поедет, трения нет, ничто его не остановит, только на гору не лезь!
Ученые взяли и проделали подобный опыт. Только не с автомобилем, конечно, а со сверхпроводимостью. Сделали из сверхпроводника маленькое колечко. Затем его надежно укрыли в криостате при температуре, когда должна наступить сверхпроводимость. В колечко пустили электрический ток. Подсоединили на минутку к батарейке, а потом ее отключили. В обычных условиях ток тотчас же исчезнет. А тут он шел несколько месяцев как ни в чем не бывало. И не пропадал, пока хватило терпения ученых. Вот когда настала пора радоваться инженерам, сооружившим электромагниты. Прямо в руки им шло открытие, которого они ждали. Теперь можно соорудить электромагнит со сверхпроводящими обмотками – мощнейший электромагнит. Так подумали инженеры. Ничего, что придется создавать теплоизоляцию, оберегать обмотки от внешнего тепла. Все окупится! «Вечный» ток, вечный электромагнит без всяких затрат энергии!
Но природу обмануть не так-то легко.
Создали инженеры первую модель электромагнита со сверхпроводящими обмотками. Сначала все шло хорошо. А потом вдруг сверхпроводимость пропала. Уменьшили ток, она появилась снова. Увеличили – и нет сверхпроводимости! Собственное магнитное поле, поле электрического тока – если оно сильное – ликвидирует сверхпроводимость!
Конструкторам электромагнитов как раз нужно большое магнитное поле. За него они и бились, хотели получить мощный магнит. Пришлось им отступиться от сверхпроводящих обмоток. А все это было так заманчиво!
Так написано в книгах, изданных до 1962 года. Совсем недавно физики все-таки совладали с коварным явлением. Нашли сплав, который сохраняет сверхпроводимость даже при очень сильных магнитных полях. А само это явление, когда сверхпроводимость то появляется, то пропадает, следуя за изменением магнитного поля, ученые научились использовать, да притом еще с большой пользой.
Так что нет худа без добра!
Ученые очень подробно исследовали интересные явления. Сверхпроводимость появляется в металле или сплаве сразу, почти мгновенно. Только наступила требуемая температура – и эффект налицо. Так же скачком сверхпроводимость и пропадает, когда тело немного нагреется, когда температура снова станет выше температуры перехода из проводящего состояния в сверхпроводящее.
Ликвидировать сверхпроводимость можно с помощью магнитного поля. Для каждого проводника поле свое собственное. Для одних хватит небольшого, другим – подавай мощное.
Магнитное поле может быть и внешнее, не обязательно свое собственное. Скажем, поднесем к криостату сильный магнит и ликвидируем сверхпроводимость… Однако и здесь не все просто. Сверхпроводящие металлы не пускают внешнее магнитное поле, не может оно пройти внутри проводника, пока не станет таким, что может ликвидировать сверхпроводимость. До тех пор сверхпроводящий материал отбрасывает это магнитное поле, не допускает его к себе!
Что касается магнитных свойств, то у некоторых сверхпроводников они оказываются необычайными – антиферромагнитными. Железо и несколько других веществ – ферромагнетики. Они очень сильно увеличивают магнитные поля. Недаром у всех электромагнитов железные сердечники. А антиферромагнитные вещества ведут себя наоборот.
Что значит – наоборот?
Железо в магнитном поле усиливает это поле. Во внешнем поле антиферромагнетик тоже намагничивается, только противоположным образом, и уменьшает действие основного магнита. А в обычных условиях антиферромагнетик никаких магнитных свойств не обнаруживает. Их у него нет.
У арабов существует легенда о гробе Магомета. Основатель магометанской религии будто бы похоронен в гробу, который висит в воздухе.
Вообще говоря, подобную модель можно сделать. Намагнитить какую-нибудь железную коробку и положить на стол. И сделать надо так, чтобы, скажем, северный полюс магнита попал против северного полюса коробки. Вот тогда коробка может повиснуть в воздухе. С одной стороны, под действием силы тяжести она будет стремиться упасть на землю, а с другой стороны, магнит ее отталкивает.
Игрушку поинтереснее создали ученые в криостате с помощью сверхнизких температур и явления сверхпроводимости. Вот это чудо на нашем рисунке.
В сосуде сверхпроводящая жидкость. Сверху к ней поднесли магнит. В жидкости тотчас же появляются электрические токи из-за того, что рядом находится магнит. Только пошевельнем магнитом, и токи появятся. Поскольку материал – сверхпроводящий, токи будут там все время. И они создадут свое собственное магнитное поле. Это поле противоположно полю нашего основного магнита. И оно будет отталкивать магнит. Чем вам не «гроб Магомета» – магнит, свободно парящий в пространстве. Ничто его не держит, а магнит висит себе в воздухе.
Это, правда, игрушка. Но ученые уже научились ее использовать. Ведь получается очень удобная система. Предмет висит в воздухе без всякой опоры. Для многих физических установок это просто находка. Очень часто бывает необходимо, чтобы предметы не прислонялись друг к другу. Например, нужна хорошая теплоизоляция или требуется подставка. Сверхпроводящий магнит – подставка, не связанная ни с чем, а в то же время на нее можно опереться.
Мне кажется, что мы слишком долго засиделись в лаборатории. Давайте совершим небольшое путешествие к… звездам. И сопровождать нас будут сверхнизкие температуры. Нет, не только за бортом корабля. Вместе с нами, в соседней кабине.
Путешествие к далеким мирам
Кругом мрак, холод, пустота и тишина. Мы в космосе. Но космический холод царствует не только там, в ледяном безмолвии далекого Мира, который мы обследуем.
Командует нашим путешествием могучий электронный мозг, который также погружен в безмолвие сверххолода. Там ему лучше думается!
И в баках нашего горючего температура близкая к абсолютному нулю, температура космоса.
За окнами пустота. Мы говорим, что там температура абсолютного нуля. Но правильно ли так говорить?
Температура связана с движением молекул. А в этом мертвом пространстве ничего нет. Почти ничего. Вещества межзвездного так мало, что можно считать его пустотой.
Корабль кажется неподвижным. Скорость велика. Но среди далеких звезд, окружающих нас, незаметно, что мы передвигаемся, стремительно мчимся в пространство. Нашу траекторию «знает» точно только электронный мозг. Он ведет ежедневные подсчеты, подправляет ход корабля, если мы сбиваемся с курса.
«Мозг» упрятан в тройной ящик.
Для того чтобы он хорошо действовал, надо все время удерживать низкую температуру. Только тогда «мозг» работает как следует.
Что же это за особый электронный мозг, которому обязательно надо создать такие странные условия?
Наш электронный кормчий занимает очень мало места. И питается от маленькой электрической батарейки.
Зато приходится считаться с его слабостями к сверхнизкой температуре. Но мы надежно укрыли его от возможных посягательств тепла.
Вычислительная машина – устройство сказочное. Иначе не назовешь аппарат, который умеет считать, переводить с одного языка на другой, управлять работой заводов и фабрик. А наш электронный мозг спокойно ведет космический корабль к далекой цели. Как он устроен? Есть детская игра: тебе задают вопросы, и ты можешь отвечать только «да» и «нет». По этим ответам играющие должны угадать, что ты задумал. Работа вычислительно-электронной машины немного напоминает такую игру. Только в машину заранее вводят кое-какие знания. Это называется «памятью». Потом создают программу, по которой машина будет работать, – своего рода свод законов.
А дальше машина начинает «думать» самостоятельно.
Машина, которая расположена внутри космического корабля, собирает данные приборов, подсчитывает координаты места, где мы находимся. Если корабль вдруг начал отклоняться от курса, который хранится в «памяти» машины, она сразу же дает команду двигателям исправить курс. «Да» и «нет» «говорят» в вычислительной машине особые элементы. Нечто подобное представляет собой водопроводный кран. Он может пропускать воду, когда кран открыт («да»), или не пропускать ее, когда кран закрыт («нет»). Это называется системой с двумя положениями. А вот еще пример: электрическая лампочка. Она горит или бездействует, когда выключена. Тоже система с двумя положениями.
В радиоприемниках имеются электронные лампы – тоже приборы с двумя возможными положениями. Если через лампу идет ток, то говорят, что она открыта. Лампа не пропускает тока – закрыта. Вот и два ответа. Открыта – значит «да». Закрыта – значит «нет».
Сначала электронно-вычислительные машины делали на электронных лампах. Потом стали использовать полупроводники – транзисторы. Но вот ученые натолкнулись на сверхпроводимость. Очень интересное явление. Пока в проволочке небольшой ток, она может быть сверхпроводящей. А потом ток усилился, и магнитное поле убрало сверхпроводимость.
Вот вам «да» и «нет».
Так появились криотроны – сверхпроводящие элементы вычислительных машин – «думающие» ячейки. Слово «сверхпроводящие» указывает на то, как они работают.
Когда надо говорить «да», криотрон – сверхпроводник, а когда «нет», он перестает быть сверхпроводником.
Криотроны появились, когда ученые только еще начали нащупывать возможности сверхпроводимости. Самый первый криотрон был устроен так. Вокруг маленькой проволочки из редкого металла – тантала намотали вторую из еще более редкого – ниобия. Все это находилось в жидком гелии. Температура 4° К. Не жарко! В той и другой проволочке появляется сверхпроводимость. Только в тантале она как бы слабее. Ее легче разрушить магнитным полем. Поэтому, когда ток в проволочке из ниобия станет большим, танталовая проволочка перестанет быть сверхпроводящей из-за магнитного поля ниобия. Так и получается нечто вроде электронной лампы. Ток ниобия управляет током в тантале. То тантал сверхпроводник, то сверхпроводимости уже нет, в зависимости от того, сильный или слабый ток идет в ниобии. В нашей машине вместо криотронов действуют тончайшие пленки из полупроводников. В одном кубометре их больше миллиона. Получается маленький по размерам «электронный мозг». Работает он быстро, хорошо, энергии потребляет совсем немного. А это нам в корабле очень важно.
Но он тоже «сверхпроводящий». И требуется нашему «лоцману» сверххолодная каюта.
Электронная машина охраняет нас от метеоритов и всяких неприятностей по дороге.
Чуткие приборы-локаторы издалека замечают приближающийся метеорит. Сразу же об этом «узнает» электронный мозг. Он искусно маневрирует, за кратчайшее время успевает повернуть корабль – сторону, чтобы избежать столкновения. Потом следует самое главное. Надо восстановить правильное движение, снова попасть на трассу.
Мозг справляется и с этой задачей. В машинной «памяти» тоже стоят сверхпроводящие пленки. Они быстро работают, места занимают мало.
В общем, электронный мозг – замечательное существо. Так и хочется сказать – живое. Столько он умеет, столько делает и как быстро «думает»! Человек не успел бы даже пошевельнуться, а машина уже изменила движение космического корабля, он извернулся, обошел стремительный метеорит и снова лег на прежний курс!
Летать нам также помогают сверхнизкие температуры.
Наш корабль двигается с помощью жидкого водорода и жидкого гелия. Сначала обычная ракета выносит его за пределы земного притяжения. Ракета сделала свое дело и сгорела. Настала очередь наших собственных двигателей.
Это двигатели атомные.
Ракетный двигатель работает, как обитатель морей – каракатица или осьминог, иначе именуемый кракеном. Он выбрасывает струю воды и движется в противоположном направлении. Из сопла ракеты летит раскаленная струя газа, а сама ракета стремительно удаляется ввысь. Чем больше скорость выбрасываемой струи, тем большую скорость дополнительно получит ракета.
Ракета может двигаться где угодно. В воздухе, без воздуха, около Венеры, Марса, в далеких звездных мирах. Ей это в высшей степени безразлично!
В атомной ракете главное действующее лицо – атомный котел. Он и есть источник энергии. Урановое горючее расположено в замедлителе. В котле постоянно выделяется энергия. Ее нужно забрать и передать топливу ракетному. Для этого мы и взяли с собой жидкий водород и гелий. Жидкие газы занимают меньше места. Топливо пускают в атомный котел, жидкость моментально становится газом, сильно нагревается, и горячий газ пестрым веером вылетает из сопел.
Так действует наш ракетный двигатель. Мы постепенно разгоняемся все больше и больше.
