100 великих научных достижений России - Виорель Ломов

В.Л. Гинсбург

По обычным для Нобелевского комитета интригам Н.Н. Боголюбов и Л.П. Горьков не были удостоены премии. От этого, правда, ценность трудов советских физиков не умалилась ни на йоту, тем паче что именно они придали т. н. микроскопической теории сверхпроводимости-сверхтекучести на современном этапе ее развития совершенный вид. Вопрос еще не закрыт, работы ведутся во всем мире и от ученых ожидают массу новых открытий. В частности, физики заняты созданием теории высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), конечной целью которой станет получение сверхпроводников с нулевым сопротивлением току при комнатной температуре.

Что же такое сверхпроводимость и сверхтекучесть? Откроем энциклопедии и учебники для вузов.

Сверхпроводимость – физическое явление, наблюдаемое у сверхпроводников при охлаждении их ниже критической температуры, когда электрическое сопротивление постоянному току становится равным нулю и происходит выталкивание магнитного поля из объема образца.

Это явление было открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом при экспериментах на ртути, а позднее учеными разных стран на белом олове, свинце, теллуре, титане, ниобии и др. Их стали называть СП I рода.

В 1950 г. А.А. Абрикосов ввел понятие СП II рода (сплав ниобий-титан, интерметаллид ниобий-олово). В них ток протекает не по тонкому поверхностному слою, как в СП I рода, а во всем объеме. Этот класс сверхпроводников нашел в дальнейшем широкое техническое применение.

В 1938 г. П.Л Капицей было открыто явление сверхтекучести гелия Не II, когда при понижении температуры до абсолютного нуля вещество переходит в состояние квантовой жидкости и способно протекать через узкие щели и капилляры без трения (жидкий гелий поднимается по стенке вверх).

Далее теория сверхпроводимости и сверхтекучести формировались совместно, дополняя друг друга.

Развив гидродинамику квантовой жидкости, Л.Д. Ландау в 1941 г. дал объяснение сверхтекучести Не II. В.Л. Гинзбургом и Л.Д. Ландау была создана обобщенная феноменологическая (макроскопическая) теория сверхпроводимости (пси-теория СП), основанная на представлении сверхпроводящего конденсата с помощью волновой функции.

В середине 1950-х гг. независимо друг от друга микроскопическую теорию сверхпроводимости создали Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шиффер и Н.Н. Боголюбов. По оценкам ученых, подход русского ученого был не только более точным, но и гораздо более «красивым и убедительным» (Л.Д. Ландау). Боголюбов, в частности, установил фундаментальный факт, что сверхпроводимость можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа. Тем не менее теория получила название БКШ – по начальным буквам фамилий американских авторов.

К БКШ и к теории Гинзбурга – Ландау «приложил руку» академик Л.П. Горьков, разработав микроскопическое описание теории сверхпроводимости на основе математического аппарата функции Грина.

Между макроскопическим и микроскопическим подходами существенная разница. Согласно определению Боголюбова, «задачей макроскопической теории является получение уравнений типа классических уравнений математической физики, которые отображали бы всю совокупность экспериментальных фактов, относящихся к изучаемым макроскопическим объектам… В микроскопической теории ставится более глубокая задача, заключающаяся в том, чтобы понять внутренний механизм явления, исходя из законов квантовой механики. При этом, в частности, надлежит получить также те связи между динамическими величинами, из которых вытекают уравнения макроскопической теории».

Применив к теории Гинзбурга – Ландау микроскопическое описание и заменив волновую функцию фазоволновой, А.А. Абрикосов придал теории сверхпроводимости более общий вид, что позволило применять ее для описания сверхтекучих жидкостей.

Сегодня появление сверхпроводимости объясняется образованием т. н. куперовских пар – системы частиц в электронном газе, обладающей свойствами двух электронов с противоположенными спинами. Энергия электрона, переносящего заряд, при этом уменьшается на порядки, и электрон перестает взаимодействовать с другими частицами в веществе.

С 1950 г. стали заниматься высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП) в неметаллических системах. В СССР теорию ВТСП разрабатывал академик В.Л. Гинзбург. Интерес к этой теории был вызван возможностью использования хладагентов с более высокой температурой кипения, чем у жидкого гелия. С открытием в 1986 г. нового класса СП с более высокими критическими температурами (керамические материалы) к этим работам было приковано внимание не только научного, но и бизнес-сообщества, поскольку применение жидкого азота на несколько порядков удешевляло любую конструкцию, использующую СП, и обещало резко сократить потери в современных воздушных линиях электропередач и на преобразования тока, достигавшие четверти передаваемой энергии.

Сегодня сверхпроводимость нашла широчайшее применение в магнитных системах различного назначения и в электрических машинах (турбогенераторах, электродвигателях, жестких и гибких кабелях, коммутационных устройствах, магнитных сепараторах и т. п.).

Многожильные СП и сверхпроводящие катушки используются для пузырьковых водородных камер, крупных ускорителей элементарных частиц, всевозможных устройств измерения температур и давлений, расходов и уровней. Широкое применение сверхпроводящие магниты нашли в медицине (ЯМР-томографы). Создаются изделия на основе ВТСП, применяемые в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. Строятся уникальные электромагнитные системы. Так, например, в 1986 г. в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля. Помимо прочих выигрышей, применение сверхпроводимости позволяет в несколько раз уменьшать массу и габариты машин (тех же турбогенераторов) при сохранении мощности.

Разрабатываются электронакопительные системы на сверхпроводящих магнитах для регулирования пиковых нагрузок в больших электросетях, что позволяет обеспечить безопасность электроснабжения отдельных предприятий и города.

За рубежом ведутся разработки опытных образцов железной дороги со сверхпроводящей металлокерамической магнитной подвеской, охлаждаемой жидким азотом. В Японии в 2005 г. был испытан поезд, использующий ВТСП-магниты. Поезд развил скорость более 500 км/ч.

Для создания магнитных полей в большом андронном коллайдере используются электромагнитные катушки со сверхпроводниковой обмоткой…

Практическое применение сверхтекучести при комнатных температурах – дело отдаленной перспективы, хотя уже появились работы, обещающие успех и в этом направлении. Во всяком случае, ожидания специалистов радужны. Они уверяют, что это позволит передавать электричество без потерь; создать масло, которое сделает двигатели «вечными» (неизнашиваемыми); струей жидкости, как лазером, резать сталь и т. п.

МАЗЕР – ЛАЗЕР БАСОВА, ПРОХОРОВА И ТАУНСА

В 1964 г. два русских профессора – А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и американский профессор Ч. Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике – «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера». Директор Института общей физики АН СССР, академик-секретарь отделения общей физики и астрономии АН СССР (РАН), создатель школы физиков, Александр Михайлович Прохоров (1916–2002) занимался исследованиями в области радиофизики, физики ускорителей, радиоспектроскопии, квантовой электроники и ее приложений, линейной оптики. Директор Физического института АН СССР, член президиума АН СССР (РАН) Николай Геннадьевич Басов (1922–2001) известен фундаментальными работами в области генераторов и усилителей, а также использования лазерной техники в термоядерном синтезе. Прохоров и Басов – почетные члены многих зарубежных академий, лауреаты Ленинской и Государственной премий, пятикратные кавалеры орденов Ленина и других отечественных и зарубежных наград, дважды Герои Социалистического Труда.

Многие выпускники школ, успешно сдавшие ЕГЭ, при поступлении в вузы на вопрос «Кто изобрел лазеры?» отвечают: «Лазер». Про мазеры после этого у них не спрашивают. А ведь квантовый генератор – из разряда изобретений, что и космическая ракета или радио.

Н.Г. Басов, Ч. Таунс и А.М. Прохоров

Между тремя шедеврами русской культуры: Шуховской башней, романом «Гиперболоид инженера Гарина» и «мазером – лазером» прослеживается прямая связь. Гиперболоид В.Г. Шухова (башня на Шаболовке) настолько потряс воображение А.Н. Толстого, что герой его романа назвал свое изобретение также «гиперболоидом». А за ним и весь читающий народ дал квантовому генератору такое же имя – «гиперболоид Гарина». Да и научное сообщество было с ним солидарно: «Игольчатые пучки атомных радиостанций представляют собой своеобразную реализацию идей “гиперболоида инженера Гарина”» (академик Л.А. Арцимович).

Мазер – это квантовый генератор, излучающий когерентные (согласованные) радиоволны, аббревиатура фразы «microwave amplification by stimulated emission of radiation» («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), предложенной в 1954 г. американцем Ч. Таунсом. Лазер соответственно – «light amplification by stimulated emission of radiation», означающей «усиление света в результате вынужденного излучения».