Текст книги "Штурм абсолютного нуля"

Автор книги: Генрих Бурмин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 10 страниц)

Для создания такого поля с помощью катушки с медным проводом требуется мощный генератор и громоздкая система водяного охлаждения. Такая установка представляет собой сложное инженерное сооружение.

А катушка одного из образцов сверхпроводящего соленоида с полем 10 тесла имеет диаметр всего 6 сантиметров. Затрата мощности при эксплуатации такого соленоида, определяемая в основном затратой энергии для поддержания катушки при температуре жидкого гелия, составляет всего 5 киловатт. Это в тысячу раз меньше энергии, затрачиваемой для получения аналогичного поля с помощью обычного соленоида.

В нашей стране создаются сверхпроводящие соленоиды с полем в 30 тесла. Но это не предел. Поиски сверхпроводящих материалов с возможно большим критическим полем продолжаются.

Большие критические магнитные поля достигнуты в сверхпроводящих соединениях на основе сульфидов молибдена. У одного из таких соединений критическое поле превышает 60 тесла.

Преимущества сверхпроводящих магнитов не ограничиваются возможностью получения мощных полей при минимальной затрате энергии. Наведенный в короткозамкнутой обмотке ток сохраняет свою величину сколь угодно долгое время. Создаваемое при этом магнитное поле отличается высокой стабильностью и однородностью в достаточно большей области пространства, что особенно важно для ряда научных и практических применений.

«Зарядка» сверхпроводящих катушек осуществляется с помощью небольших низковольтных источников, снабженных устройством для регулирования электрического тока. Когда ток в катушке достигает требуемой величины, она замыкается накоротко и источник может быть отключен.

Представьте себе, что по каким‑либо причинам происходит превышение критических параметров сверхпроводника и провод внезапно переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние. Тогда колоссальная магнитная энергия, заключенная в катушке, вырывается на волю в виде тепла. При этом не только испаряется жидкий гелий, но и расплавляется сама катушка.

Понадобился материал, способный принять этот удар на себя. Такую роль призвана сыграть чистая медь, обладающая, как известно, хорошей теплопроводностью.

В современных промышленных образцах сверхпроводящие провода окружаются медными проволоками. Так как сверхпроводящий ток течет по поверхности, сверхпроводник обычно расщепляется на множество тонких проводов.

Здесь медь играет роль не только теплоотвода, но и изолятора. Это утверждение может показаться на первый взгляд парадоксальным. Ведь мы привыкли к тому, что медь является хорошим проводником электрического тока. Однако по сравнению со сверхпроводником, имеющим нулевое сопротивление, даже такой материал, как медь, с низким, по представлениям обычной электротехники, сопротивлением, является прекрасным изолятором.

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.

Когда вращающаяся звезда излучает узкий пучок, то в момент, когда этот пучок направлен к наблюдателю, последний зарегистрирует импульс излучения. Интервал между двумя последовательными импульсами излучения должен соответствовать одному обороту звезды вокруг ее оси.

Нейтронная звезда долгое время была лишь математической абстракцией. Никто не мог быть уверен, что она существует в природе.

Казалось, с открытием пульсаров «голубая мечта» теоретиков получила реальное воплощение. Однако для получения убедительных доказательств того, что пульсар действительно является нейтронной звездой, теоретикам и экспериментаторам предстояло еще немало потрудиться.

В то время как физики – теоретики стремились познать природу пульсаров, радиоастрономы продолжали наблюдать поведение этих удивительных небесных тел.

Особый интерес вызвали два пульсара. С одним из них читатель уже знаком. Это «Краб» из Крабовидной туманности. Второй, который находится на другом участке нашей Галактики, называется «Парус».

У обоих пульсаров было обнаружено явление «сбоя» – скачкообразного уменьшения периода вращения.

Сам факт убыстрения вращения этих небесных тел не мог удивить астрономов. Внезапное изменение периода ряда звезд неоднократно наблюдалось и ранее. Поражало связанное со сбоями поведение пульсаров. Оказалось, что после сбоя период пульсара изменяется продолжительное время: три месяца у «Краба» и два года у «Паруса», после чего происходит следующий сбой.

Вполне возможно, что тайна «маленьких зеленых человечков» осталась нераскрытой и по сей день, если бы не были известны такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Межэлектронное притяжение в сверхпроводниках, как читатель уже знает, приводит к образованию связанных пар электронов.

Оказывается, что такое явление присуще не только электронному газу, но и многим другим системам микрочастиц. Так, в атомных ядрах, где взаимодействие между частицами очень велико, образуются связанные пары протонов и связанные пары нейтронов, похожие на электронные пары в сверхпроводниках. В этом смысле можно говорить о сверхпроводимости атомного ядра.

Разумеется, непосредственно наблюдать сверхпроводимость такой микроскопической системы, как атомное ядро, невозможно. Здесь сверхпроводящее состояние проявляется в ряде побочных явлений, например, в процессе поглощения атомным ядром падающего излучения.

Иное дело, нейтронная звезда, которая представляет собой, по сути, гигантское атомное ядро, состоящее в основном из нейтронов.

В недрах звезды нейтронное вещество находится в жидком состоянии. При этом нейтронная жидкость разбивается на связанные пары нейтронов, подобные куперовским электронным парам в сверхпроводнике, а следовательно, пребывает в сверхтекучем состоянии.

Нейтронную звезду можно себе представить как тело, состоящее из сравнительно тонкой твердой оболочки, заполненной сверхтекучей жидкостью.

Одним из первых ученых, выдвинувших гипотезу о сверхтекучем состоянии нейтронных звезд, был ученик Ландау, ныне академик А. Б. Мигдал.

В связи со сбоями была выдвинута гипотеза «звездотрясения», сущность которой вкратце заключается в следующем.

В результате быстрого вращения пульсар несколько сплющивается у полюсов.

С течением времени скорость вращения пульсара медленно уменьшается. Поэтому равновесие постепенно нарушается и звезда «старается» принять форму более близкую к сферической. Такое изменение формы происходит внезапно и приводит к частичному разрушению коры. При этом скорость вращения вокруг оси твердой оболочки звезды изменяется скачком.

Однако сверхтекучая нейтронная сердцевина звезды не увлекается корой и продолжает вначале вращаться с прежней скоростью. Напоминаем, что подобное явление наблюдается при вращении сосуда с гелием II.

Скорости вращения твердой коры и сверхтекучей нейтронной жидкости выравниваются очень медленно. Этим объясняется зависимость периода пульсара от времени.

По расчетам астрофизиков, звездотрясение – явление очень редкое. Оно может происходить один раз за несколько сот лет.

Так почему же у всех известных пульсаров интервал времени между двумя последовательными скачками скорости исчисляется несколькими годами и даже месяцами?

И физики вспомнили еще об одном явлении, наблюдаемом в гелии II.

Если сосуд с гелием II вращается, то уже при сравнительно небольшой угловой скорости вся жидкость пронизывается тонкими воронками – вихревыми нитями, параллельными оси вращения.

Не останавливаясь подробно на природе этих вихрей, заметим, что их можно уподобить квантовым вихревым нитям магнитного поля, проникающим в сверхпроводник второго рода, или, как их часто называют, вихрям Абрикосова. Напомним, что о них рассказывалось в главе восьмой.

Вращение пульсара приводит к тому, что его сверхтекучая нейтронная сердцевина оказывается пронизанной вихревыми нитями.

Возникновение и распад вихревых нитей подчиняются достаточно сложным закономерностям, на которых мы не имеем возможности остановиться в этой книге.

Оказалось, что теория, основанная на сверхтекучести нейтронной жидкости и закономерностях ее вихревой структуры, дает вполне удовлетворительное объяснение поведения пульсаров.

Здесь автор считает уместным, не опасаясь упрека в повторении, снова привести любимое изречение Ландау: «Верховным судьей каждой теории является опыт».

И на этот раз свой «приговор» предстояло вынести грузинским физикам.

После защиты докторской диссертации в Институте физических проблем, в конце сороковых годов, Элевтер Луарсабович Андроникашвили вернулся в Тбилиси.

В эти послевоенные годы физика в Грузии развивалась быстрыми темпами. Назрела необходимость организации в республике единого физического центра.

В 1951 году был основан Институт физики Академии наук Грузинской ССР. Организатором и бессменным директором этого института является академик Академии наук Грузинской ССР Э. Л. Андроникашвили. Здесь под его руководством, а в ряде случаев при его непосредственном участии проводятся исследования по многим направлениям современной физики.

Летом 1961 года Нильс Бор посетил грузинский физический институт.

Семидесятипятилетний патриарх физики был под свежим впечатлением встречи в Москве со своим любимым учеником. Ландау с юношеской прытью первым подбежал к выходу с трапа самолета на Шереметьевском аэродроме, и Бору показалось, что перед ним не прославленный академик, а тот самый молодой человек, впервые переступивший порог его института в Копенгагене сорок лет тому назад, которого он встретил тогда своим традиционным приветствием: «Хорошо, что вы приехали! Мы у вас многому научимся».

Все дни, что Бор провел в Москве, он почти не расставался с Ландау. Двум корифеям современной физики предстояло обсудить немало проблем.

В Тбилиси Бор убедился в том, что и у грузинских физиков можно «многому научиться». Некоторые из проведенных здесь работ по экспериментальной и теоретической физике явились существенным вкладом в мировую науку.

Помнят здесь и об одном из основных «заветов» Ландау, относящемуся к сверхтекучему жидкому гелию.

Эта удивительная квантовая жидкость по – прежнему вызывает неослабеваемый интерес у физиков всего мира. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования способствуют все более глубокому пониманию ее свойств. Так, в течение последних двух десятилетий возникла новая наука: квантовая гидродинамика жидкого гелия.

Немаловажную роль в становлении этой науки сыграли ученые Института физики Академии наук Грузинской ССР.

За цикл работ по исследованию свойств вращающегося гелия II, начатых в Институте физических проблем, Андроникашвили был удостоен Государственной премии. Он и сотрудники его института продолжают интенсивное исследование этой замечательной квантовой жидкости.

Не случайно, именно в грузинском институте физики были проведены эксперименты, убедительно подтвердившие гипотезу сверхтекучести в недрах нейтронных звезд.

На этот раз перед экспериментаторами стояла задача исключительной сложности.

Грузинские ученые создали уникальную установку: модель пульсаров. В ней нейтронная жидкость моделируется сверхтекучим гелием, заполняющим сосуды различной формы. Сосуды подвешены на магнитной подвеске и могут совершать равномерное вращение. По воле экспериментаторов им сообщаются электрическими импульсами толчки, имитирующие различного рода возмущения, например, звездотрясение.

И вот небесное тело «препарируется» на лабораторном столе. Внутри вращающегося сосуда рождаются и исчезают незримые вихревые нити. Перо самописца автоматической электронной измерительной системы бесстрастно регистрирует изменение вращения далекого пульсара.

Разработчики установки отец и сын Дж. С. и С. Дж. Цакадзе вывели математические уравнения, описывающие сложные закономерности поведения модели. Когда в эти уравнения были подставлены значения параметров, характеризующих пульсары, то оказалось, что измерения на модели с достаточно высокой точностью соответствуют данным о пульсарах, известных из радиоастрономических наблюдений.

Проведенные исследования показали, что изменение периода пульсара может происходить двумя путями. Либо сначала ускоряется твердая оболочка пульсара (например, в результате звездотрясения), а затем вовлекается во вращение сверхтекучая жидкость. Либо в результате распада избыточной части вихрей ускоряется сверхтекучая жидкость с последующим ускорением твердой оболочки.

Практически наблюдаются оба типа ускорения.

В начале семидесятых годов радиоастрономы наблюдали «сбой» пульсара «Парус». Многие авторитетные ученые– астрофизики высказали предположение, что следующий скачок скорости этого пульсара должен произойти примерно через двести лет.

– Нет, – возразили тбилисские исследователи. – Очередной «сбой» пульсара «Парус» следует ожидать через два года.

Прогноз грузинских ученых оправдался с точностью до одного месяца!

После открытия сверхпроводимости ученые почти сразу представили, какие практические возможности сулит это явление.

Даже много лет спустя после открытия сверхтекучести считалось, что это явление имеет сугубо теоретический интерес.

Когда стала ясна природа нейтронных звезд, значение сверхтекучести выросло до масштабов Вселенной.