Читать книгу - "Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер"

В 1911 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес осуществил мечту алхимиков, преобразовав низкое вещество в драгоценный металл. В качестве исходных материалов он использовал излюбленные металлы алхимии – ртуть и свинец. Однако успеха он добился не приложением жара, а его полным исключением: он охладил металлы до самой низкой температуры, когда-либо достигавшейся на Земле. Камерлинг-Оннес не превратил эти металлы в золото, но преобразовал их в нечто гораздо более ценное – сверхпроводник.

Сверхпроводники обладают способностью проводить электрические токи без каких бы то ни было потерь. Подобно ничего не подозревающим гостям портового города, описанного в начале этой главы, электрический ток, текущий по замкнутому сверхпроводящему контуру, будет течь в нем вечно, не испытывая никаких потерь. Сверхпроводники Камерлинг-Оннеса были, вероятно, первыми на Земле, а может быть, и во всей Вселенной, за исключением тех, что могут существовать внутри нейтронных звезд. Познание заклинаний сверхпроводимости – создание простой теоретической модели, подробно объясняющей целый комплекс странных и непостижимых явлений, – было одним из величайших достижений в истории физики. Однако история сверхпроводимости еще далека от завершения: упомянутая простая теоретическая модель утверждает, что сверхпроводники могут существовать только при крайне низких температурах, не встречающихся на Земле даже в самые холодные ночи в самых холодных пустынях. Выход из этого тупика должно открыть еще одно заклинание, которое специалисты по физике конденсированного состояния еще только постигают. Это и есть современные поиски философского камня – получение сверхпроводимости при комнатной температуре.

На этом последнем этапе нашего путешествия мы попадем в отдаленное будущее физики конденсированного состояния, не зная наверняка, что мы там найдем. Но начать можно с хорошо известной территории, обратившись к веществам, которые завораживали меня с тех самых пор, когда я еще ребенком впервые услышал легенды об их магии, – сверхтекучим средам.

Тайные зелья и сверхтекучесть

Помню, впервые я услышал о сверхтекучести в начальной школе – мне тогда было лет восемь. По рассказам казалось, что ничего волшебнее и быть не может. Хотя я уже знал, что хочу стать физиком, сегодня я подозреваю, что на путь, ведущий к физике конденсированного состояния, вполне могли направить меня именно слухи о сверхтекучести. Точнее, как я вспоминаю, мне рассказали вот что: если налить сверхтекучую жидкость в бутылку, она поднимется по стенкам и вытечет наружу через горлышко. Кроме того, я помню, что слышал, будто бы сверхтекучие вещества сохраняют текучесть даже при абсолютном нуле. Не помню, при каких обстоятельствах я услышал об этом в девонской деревне в середине 90-х, но я рад, что это случилось. И многое из того, что восьмилетки из начальной школы Оттери-Сент-Мэри считали непреложной истиной, по счастью, действительно было правдой[110]. Гелий – единственное известное вещество, приобретающее сверхтекучесть путем одного только охлаждения. Были созданы и другие сверхтекучие среды, но для них требуются чрезвычайно сложные установки или огромные давления: например, считается, что сверхтекучую среду образуют нейтроны в нейтронных звездах. Тем не менее этим экзотическим материалам начинают находить практическое применение на Земле. Один стартап, занимающийся квантовыми компьютерами, даже планирует производить работающие кубиты с использованием сверхтекучего гелия.

Магические свойства сверхтекучих сред порождаются отсутствием вязкости. Вязкость определяет, насколько текуче то или иное вещество: например, паста «Мармайт»[111] считается вязкой, а вода – нет. Зыбучий песок, в котором рисковали утонуть беспечные посетители пустынь до его загадочного исчезновения из популярной культуры в середине 1990-х годов, опасен именно потому, что обладает переменной вязкостью: эта смесь песка и воды имеет высокую вязкость, почти превращающую ее в твердое вещество, пока на нее не встанешь; в этот момент она начинает свободно растекаться, затягивая свою жертву к верной гибели.

Сверхтекучесть означает вязкость, точно равную нулю. Способность сверхтекучих сред вытекать из сосуда называют фонтанным эффектом; на самом деле сходное свойство проявляют и обычные жидкости, но в гораздо меньшей степени. Под действием поверхностного натяжения жидкость немного поднимается по стенкам сосуда, образуя мениск – направленное вверх искривление, которое можно увидеть по краям, например, чашки с чаем. К счастью для любителей чая, вязкость обычных жидкостей не позволяет им подниматься по стенкам слишком высоко. Тем не менее и этот классический эффект можно использовать в фокусе.

Чтобы исполнить его, вам нужно будет вернуться в местную таверну. Вас наверняка туда уже не пускают, так что вам придется переодеться – скажем, пожилым книгоношей, если, конечно, вы на самом деле не пожилой книгоноша: в таком случае можно притвориться, например, путешественником, который только что вернулся из пустыни со странным чувством юмора. Придумайте способ включить в свой наряд пробку от винной бутылки. Завязав беседу с ничего не подозревающим завсегдатаем таверны, ловко переведите разговор на пробки. Например, вы можете сказать, что, скитаясь по пустыне, встретили там фокусника: он рассказал вам, что в обычных условиях невозможно положить пробку на поверхность напитка так, чтобы она оставалась точно в центре стакана, но он знает волшебное средство, которое может заставить пробку оставаться в этой точке. Фокус работает почти с любыми напитками, но предположим, что перед вашим собеседником стоит чарка медовухи. Дайте ему свою пробку и попросите попытаться положить ее так, чтобы она неподвижно лежала на поверхности медовухи в центре чарки. Собеседник убедится, что это невозможно: пробка будет смещаться в самую высокую точку поверхности жидкости, которая из-за наличия мениска находится на краю. После этого продемонстрируйте колдовство, которому научил вас фокусник. Нужно чуть-чуть переполнить чарку, чтобы мениск стал из вогнутого выпуклым. Тогда медовуха поднимется над краями чарки, самая высокая точка окажется в центре, и пробка сама по себе сместится именно в центр поверхности. Если вы склоняетесь к черной магии, этот фокус легко превратить в предмет прибыльных пари. В общем случае мениск образуется потому, что молекулы текучей среды сильнее притягиваются к стенкам сосуда, чем друг к другу. Поднимаясь на стенки сосуда, они увеличивают площадь соприкосновения с ними. Это происходит с водой в стакане и со многими жидкостями на основе воды, например с молоком или медом (так что должно получиться и с медовухой – алкогольным напитком на основе меда). В некоторых веществах притяжение между молекулами бывает сильнее, чем их притяжение к сосуду; в таком случае мениск выше в центре, чем по краям, даже когда сосуд не переполнен. Такой мениск можно наблюдать на поверхности ртути в термометре[112].

Способность сверхтекучих сред подниматься по стенкам – это экстремальное проявление эффекта мениска. Другие их способности не столь понятны и