В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся] - Рудольф Сворень

Сворень Рудольф Анатольевич

«В просторы космоса, в глубины атома»

Пособие для учащихся

День физики

Этот первый наш рассказ не о новом празднике, таком, скажем, как День авиации или День шахтера. Это рассказ о будничном, рядовом событии — о традиционной сессии Отделения общей физики и астрономии Академии наук СССР. Вот уже много лет такие сессии проходят в конце почти каждого месяца в конференц-зале всемирно известного ФИАНа — Физического института им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР.

Если составить баланс рабочего времени ученого, то далеко не последнее место в этом балансе займут расходы на «демократию» — участие в различного рода конференциях, симпозиумах, сессиях, семинарах, в обсуждении своих и чужих планов, своих и чужих работ. Можно спорить о количественной стороне дела, но в принципе подобный расход времени не просто нужен — он жизненно необходим. Вот лишь два из многих «за».

Первое: любая исследовательская работа, даже самая крупная, даже самая общая, — это только фрагмент единого наступления Науки на Неизвестность, наступления, которое требует четкой координации. Второе: рождение новых идей происходит в острых спорах, когда мы защищаемся, нападаем, пытаемся конкурировать с коллегами.

Тематика научных сессий Отделения общей физики и астрономии разнообразна, уровень докладов, как правило, весьма высок, обстановка демократичная, непринужденная. Сессия, о которой пойдет речь, проходила несколько лет назад, она выбрана для нашего рассказа в основном потому, что по многим важным показателям может считаться типичной. Конечно же, с того времени, когда проходила сессия, в понимании некоторых из обсуждавшихся проблем произошли изменения, были выявлены новые факты, проведены дополнительные исследования. О некоторых таких «изменениях и дополнениях» коротко рассказано в конце нашего повествования.

Сделав это предупреждение, приглашаем вас на открытие сессии.

Первый ее доклад был посвящен проблеме, которая в то время вызвала огромный интерес у самых разных специалистов — энергетиков, врачей, биологов, метеорологов, химиков, потому что проблема эта касалась вещества, которое играет важнейшую роль и в технике, и в природе, особенно в процессах жизнедеятельности. Это вещество — вода. Член-корреспондент Академии наук Б. В. Дерягин рассказал, как была обнаружена разновидность воды с некоторыми совершенно необычными свойствами.

Было обнаружено, что в тончайшем стеклянном капилляре с водой появляются самостоятельные столбики — в дальнейшем их назвали дочерними, — которые постепенно растут за счет основного столбика. Этот удивительный рост мог свидетельствовать лишь только об одном: давление паров воды в дочерних столбиках меньше, чем давление паров воды в основном столбике. А отсюда следовал и более общий вывод: в дочерних столбиках собирается вода с какими-то особыми свойствами, аномальная (необычная), или, как принято ее называть, модифицированная вода.

Некоторые свойства модифицированной воды удалось изучить. В частности, ее плотность оказалась на 40 % выше, вязкость и температурный коэффициент расширения в несколько раз больше, чем у обычной воды.

Несмотря на большую экспериментальную работу, ее авторы не сочли возможным предлагать какую-либо теорию аномальной воды. И конечно же, такой «теоретический вакуум» заметно активизировал интерес к работе, особенно со стороны теоретиков. Докладчику пришлось ответить на большое число вопросов, выслушать много идей, рекомендаций, возражений.

— О чем говорят спектры модифицированной воды?

— Эта часть работы не закончена. Масс-спектральный анализ новой воды проводится в Институте химической физики.

— Как ведет себя аномальная вода вне капилляров?

— Так же, как и в них.

— Сколько нужно времени, чтобы получить один грамм такой воды?..

— В неделю мы получаем примерно один миллиграмм…

— Значит, для получения грамма вам нужна тысяча этих единиц времени, тысяча недель?

— Не думает ли докладчик, что нужно было бы прежде всего измерить дипольный момент молекул?

— Не кажется ли вам, что вы встречаетесь с автокатализом, причем с необычным автокатализом?..

Ровный ритм «вопрос — ответ» сменяется каким-то сложным переплетением высказываний, замечаний, вопросов, предложений. В зале возникает несколько центров обсуждения, и докладчик периодически включается то в один, то в другой. Общий дух высказываний, несомненно, доброжелательный, но в этой аудитории не принято сглаживать углы, преуменьшать трудности, скрывать сомнения. Очевидно, поэтому с большим интересом было выслушано сообщение об экспериментах, проведенных в Институте физики высоких давлений. Исходя из того что модифицированная вода обладает повышенной плотностью, ожидалось, что ее можно получить, сильно сжимая простую воду. Однако даже при давлении, превышающем атмосферное в 60 000 раз, и температуре до 1000 °C модифицированная вода не появлялась.

В традиционном заключительном слове докладчик сказал:

— Не считая целесообразным и своевременным открывать дискуссию по существу проведенного эксперимента, я хотел бы ограничиться лишь одной общей рекомендацией — будьте очень осторожны с отрицательными результатами. Ошибка при обсуждении положительного результата неприятна, но не трагична.

Истина в итоге всегда будет обнаружена. Но ошибка при оценке отрицательного результата может надолго закрыть перспективный путь исследований.

Тема следующего доклада — сверхпроводимость. Она была открыта в 1911 г., но прошло больше 20 лет, прежде чем было установлено, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость, возвращает металлу электрическое сопротивление.

Можно ли сказать, что магнитное поле и сверхпроводимость всегда исключают друг друга? Это один из вопросов, на которые должны были ответить эксперименты, проведенные в Институте физических проблем. О них рассказал руководитель этой работы доктор физико-математических наук Ю. В. Шарвин, ныне член-корреспондент АН СССР. Он отметил, что переход из сверхпроводящего состояния в нормальное под действием магнитного поля в большинстве случаев оказывается постепенным. И в каком-то интервале значений магнитной индукции сверхпроводящее вещество оказывается в некотором особом состоянии, которое получило очень естественное название — промежуточное состояние.

В 1946 г. А. И. Шальников остроумными экспериментами доказал, что промежуточное состояние является просто смесью областей сверхпроводящего и нормального (проводящего) состояния. К этому времени Л. Д. Ландау создал количественную теорию строения вещества в промежуточном состоянии, согласно которой образец разделяется на чередующиеся сверхпроводящие и нормальные слои. Еще через несколько лет в Институте физических проблем удалось разработать неожиданно простую методику, с помощью которой структуру промежуточного состояния можно было увидеть просто, как говорится, невооруженным глазом. Над образцом распыляли тонкий железный или никелевый порошок, который притягивался нормальными областями, оставляя чистыми сверхпроводящие области. Перед учеными открылось бесконечное разнообразие узоров, состоящих из зигзагов, веточек, пятнышек, очень красивых, но слишком сложных для сопоставления с теорией.

В то время, когда делалась эта работа, и встал вопрос: какой вид будет иметь промежуточное состояние, если через образец пропустить электрический ток? Проще всего было предположить, что возникнет какое-то новое, еще более запутанное расположение слоев. Голландский физик Гортер указал и на более интересную возможность. При определенных условиях, считал он, сверхпроводящие слои должны двигаться по образцу, так как электрический ток будет концентрироваться в сверхпроводящих «жилках», и они, эти сверхпроводники в проводнике, начнут двигаться в магнитном поле, подобно ротору электромотора.

Предположение Гортера было проверено на опыте, показалось, что слои двигаться «не хотят». Они располагались поперек направления тока и оставались неподвижными. Но вот в Институте физических проблем испробовали новый метод, основанный на том, что движение слоев вблизи контакта тонкой проволочки с образцом приводит к колебаниям сопротивления, а их нетрудно измерить. С помощью этого метода было гораздо легче заметить движение слоев, чем с помощью магнитного порошка.

Исследования, проведенные этим методом, показали, что если образец достаточно чист и однороден, то движение сверхпроводящих слоев скорее является правилом, чем исключением. Можно расположить на поверхности образца два микроконтакта на небольшом расстоянии друг от друга и таким образом определить направление и скорость движения слоев. Скорость эта довольно мала — обычно лишь тысячные доли сантиметра в секунду, примерно с такой скоростью движется конец минутной стрелки наручных часов. И всегда существует одно исключительное направление слоев, при котором они стоят на месте. Если образец недостаточно однороден, то слои «зацепляются» за эти неоднородности, поворачиваются и вытягиваются, как флаг по ветру.