Александр КитайгородскийПроблема № 2

Текст статьи

Степень важности той или иной задачи можно оценивать с разных позиций, кроме того – тут уж никуда не денешься, – дела, которым ты посвятил свою научную жизнь, кажутся главными. Поэтому наивно рассчитывать, что все мои коллеги согласятся с такой расстановкой номеров. И тем не менее... большинство исследователей, оценивающих значимость научных свершений по той роли, которую они будут играть в развитии человеческой цивилизации, поставят на первое место среди проблем, которые надлежит решать физикам, создание управляемых термоядерных реакторов, а на второе – поиск материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре.

Сознание важности проблемы № 2 пришло куда позднее, чем общественное признание «термояда». Термоядерный взрыв открыт давно. Физические законы, лежащие в основе этого явления, очевидны. Речь идет «лишь» (о, это «лишь», которое стоит титанических усилий!) о том, чтобы замедлить реакцию слияния ядер и сделать ее управляемой. Последствия, которые будет иметь это открытие для человечества, столь очевидны, что на работы в области создания мирных термоядерных генераторов выделяются весьма значительные средства. Сотни лабораторий, тысячи исследователей трудятся в области теории термоядерных реакций, конструируют разнообразные ловушки, способные удерживать в пространстве без соприкосновения со стенками плазму, находящуюся при температурах в миллионы градусов, придумывают новые приемы слияния ядер. Если дело пойдет, то человечество получит в свое распоряжение количества энергии, достаточные для претворения самых дерзких мечтаний.

Уже более 20 лет занимается армия ученых решением проблемы № 1. Прогресс очевиден. Уменьшается число неясностей, в лабиринте, ведущем к открытию, уже обнаружены тупики. Уверенность в том, что поставленная цель будет достигнута, все крепнет, и энергия исследователей, занимающихся созданием управляемого «термояда», растет непрерывно.

История проблемы № 2 сложилась совсем иначе. Хотя сверхпроводимость открыта задолго до того, как слова «атомная энергия» стали привычными, мысль о практической значимости столь уникального состояния материалов стала зреть в сознании ученых и промышленников лишь недавно.

Само явление было обнаружено в 1911 году. При температурах жидкого гелия 4° выше абсолютного нуля (–273 °С или 0 °К) физики встретились с металлами, потерявшими электрическое сопротивление.

Трудно, разумеется, переоценить возможность передачи электроэнергии по проводам без потерь. Но, пожалуй, еще важнее перспектива создания «бесплатных» электромагнитов, поскольку с их помощью можно получить поля в сотни тысяч гаусс. Несмотря на сложность работы с жидким гелием, их уже строят во многих областях науки и техники. В оправдание затрат, связанных с поддержанием сверхпроводящего состояния, достаточно сказать, что обычный электромагнит подобной мощности потребовал бы электроэнергии, которую поглощает современный город с 20 тыс. жителей.

Но почему же о технических возможностях сверхпроводимости стали задумываться лишь в последнее время?

Скорее всего это объясняется тем, что более или менее законченная ее теория была дана лишь в 1957 году. До тех пор специалисты без особых раздумий относили явление к «причудам» природы при «неземном» космическом холоде. Разумеется, они перепробовали огромное количество металлов и сплавов в надежде найти среди них такие, которые переходили бы в сверхпроводящее состояние при более высоких температурах. Однако все эти попытки остались безуспешными. 10–20 °К – вот чего удалось добиться в течение многолетних изысканий.

Вполне естественно, что в поисках сверхпроводников исследователи ограничивались исключительно металлами и металлическими сплавами. Логика очевидна: ведь они лучшие проводники электрического тока. После же того, как теория, кстати, весьма хитроумная (не случайно же между открытием факта и его объяснением прошел столь длительный срок!), была найдена, специалисты постепенно стали задавать себе такой вопрос: «А, собственно, почему сверхпроводники надо искать в классе металлов? Ведь сверхпроводящее состояние ничуть не похоже на обычное проводящее...»

Теперь я сделаю робкую попытку объяснить, нет, пожалуй, лишь намекнуть читателю, в чем заключается различие между сверхпроводящим и проводящим состояниями твердых тел.

Лекторы знают: если желаешь быть понятым, то строй свой рассказ так, чтобы, по крайней мере, половина сведений, которые ты сообщаешь аудитории, была ей известна. Я надеюсь, что к этой половине относятся следующие утверждения. Атом представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное отрицательными электронами. Из них внешние отрываются от него с наименьшими усилиями. Особенность металла в том, что его атомы отдают часть внешних электронов в общее пользование. Эти обобщенные электроны называют иногда электронным газом. В нормальном состоянии они ведут себя как индивидуалисты: беспорядочно мечутся среди атомов. Когда провод подключен к сети, аккумулятору или батарейке, толпа электронов начинает перемещаться вдоль него. Но хаотичность движения сохраняется: электроны наталкиваются на атомы, мешают друг другу. В этом и заключается причина электрического сопротивления. Чем выше температура, тем больше беспорядок, царящий внутри металла, тем значительнее сопротивление.

Еще в XIX веке было установлено, что в мире атомов существуют две противоположные тенденции: стремление к беспорядку, который возникает благодаря тепловому движению – неотъемлемому свойству материи, и стремление к упорядоченному расположению и движению частиц, которому соответствует наибольшая устойчивость. По последней причине газ при снижении температуры сгущается в жидкость, а жидкость затвердевает в кристалл – идеал порядка: атомы расположены на одинаковых расстояниях друг от друга, а движения их согласованы и напоминают морские волны.

Теория сверхпроводимости показала, что подобные две тенденции имеют отношение и к перемещению электронов. Когда температура достигает некоторого критического значения, часть электронов начинает выстраиваться в ряды и двигаться в такт. По мере понижения температуры беспорядочная толпа электронов редеет, и один за одним «индивидуалисты» подстраиваются к «маршевым ротам». Соразмеряя свой «шаг» с движениями окружающих их атомов и несвободных электронов, «роты» делают бросок вдоль проводника без сопротивления, подтверждая поговорку – «в единении сила».

Взяв на вооружение такую модель, оказалось возможным прикидывать: каковы же те условия, когда переход в сверхпроводящее состояние совершается при достаточно высоких температурах?

Увы, сама теория пока далека от совершенства. Она не способна объяснить, почему один металл становится сверхпроводником при температуре, скажем, 8 °К, а у его соседа по менделеевской таблице, тоже металла, необычное состояние не возникает и в сотых градуса от абсолютного нуля.

Тем не менее эта теория высоко ценится физиками. Некоторые ее экспериментально проверенные выводы и служат нам путеводными нитями, указаниями при подготовке планов, как добраться до «высокотемпературных» сверхпроводников. Заветная мечта – получить материал, чудесные свойства которого проявлялись бы при комнатной температуре. Но даже если бы удалось создать вещество, превращающееся в сверхпроводник при температуре легкодоступного и относительно дешевого жидкого азота 77 °К, то и это было бы огромной победой.

Упомяну только об одном из теоретических указаний. Для того чтобы «маршевая рота» втянула бы в свое упорядоченное движение окружающие несвободные (привязанные к своему месту) электроны, частички остова должны быть полегче.

А раз так, то поиск новых сверхпроводников можно направить по трем направлениям. Во-первых, не попытаться ли получить металлический водород – ведь более легких ядер нет на свете? Вторая идея, принадлежащая американскому профессору Литтлу: нельзя ли создать длинную молекулу с проводящим «хребтом», а порядок в перемещении частичек вдоль «хребта» поддерживался бы довесками несвободных, но легко смещающихся электронов? И наконец, третья идея, предложенная и разрабатываемая в Физическом институте АН СССР академиком В. Гинзбургом и его учениками: не составить ли «бутерброд» из толстых кусков изолятора и тонкого металлического слоя между ними? К внешним обкладкам предъявляется то же требование, что и к довескам в модели Литтла: их электроны, оставаясь связанными со «своими» атомами, должны быть легкоподвижными. Лишь в этом случае они будут поддерживать маршевое движение электронов проводимости вдоль металлического слоя.

Создание согласованного движения за счет заключения пакта о взаимопомощи между свободными и связанными электронами – совсем новая мысль. Расчеты подтверждают ее реалистичность: атомные ядра могут и не быть помехой коллективной сверхпроводящей жизни частичек.

На пути практического осуществления всех трех идей стоят грандиозные трудности. Металлический водород пока получают лишь при давлениях в миллионы атмосфер. Эти работы возглавляет академик Л. Верещагин в Институте физики высоких давлений АН СССР. И еще далеко не ясно, удастся ли сохранить этот необычный материал, вынув его из лона машины. Специалисты осторожно говорят: может быть, удастся. И уже одного этого «может быть» достаточно для того, чтобы не жалеть усилий для достижения заманчивой цели.

Вторая дорога не менее тернистая. К сожалению, теоретики не в силах дать точных указаний, как должна выглядеть длинная сверхпроводящая молекула, какие довески должны быть валентно связаны с ее «хребтом». Значит, трудиться надо в известной степени вслепую. Придется синтезировать тысячи разных высокополимерных веществ, а ведь каждый отдельный синтез – это большая научная задача.

Что же касается третьего пути, то о нем можно сказать пока единственное: на что-что, а на шоссе он не смахивает. Аналогия с деревенскими проселками, которые замысловато петляют, обходят лесные участки и болота, будет гораздо уместней. Как изготовить металлический слой атомной толщины, как закрепить его между изоляционными обкладками?

Достаточен ли для этой цели механический контакт или необходимо сделать так, чтобы «бутерброд» был спаян химическими силами? На все эти и многие другие вопросы предстоит получить ответ физикам и химикам.

Дабы добиться успеха, им надо работать в очень тесном содружестве.

Увы, несмотря на высокое звание – проблема № 2, силы и средства, брошенные на ее решение, пока что не соответствуют ее значению для научно-технического прогресса.

Последние десятилетия резко изменили лицо науки. Раньше считалось само собой разумеющимся, что ученый, движимый одной лишь любознательностью, рано или поздно, но обязательно «натолкнется на открытия, которые окажутся важными для человечества». Таким образом были обнаружены рентгеновские лучи, атомная энергия, волновая природа электрона да и само явление сверхпроводимости – вещи, о которых никто и не догадывался.

Теперь другое дело. По мере развития науки шансов на какое-либо крупное открытие становится все меньше, а про ряд областей знания можно уверенно сказать, что новых явлений найти там не удастся. Это, конечно, не значит, что мы все взяли от природы. Просто пришло время, когда научную деятельность необходимо строить по несколько иным принципам. Заранее намеченные задачи могут и должны быть поставлены перед большим коллективом ученых разных профессий и специальностей. Направленный поиск будет постепенно вытеснять научные исследования, продиктованные одной лишь любознательностью.

Так работают сейчас специалисты, занятые изучением «термояда» или, скажем, жизнедеятельности на молекулярном уровне. Проблема № 2 – создание материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при высоких температурах, – должна быть отнесена к этому классу задач.