Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления - Пётр Капица

Вторым основным направлением в исследованиях магнитных явлений вещества было понижение температуры. Тут, конечно, наиболее интересные результаты были получены после того, как был ожижен гелий и достигнуты температуры вблизи абсолютного нуля. Это, как известно, было сделано в 1908 г. Камерлинг-Оннесом в Лейдене. Когда я начал работы в Кембридже в 20-х годах, Лейден был единственным местом, где ожижали гелий, и тогда только начались работы Макленнона в Торонто и Мейснера в Шарлоттенбурге. Насколько я помню, тогда в Лейдене ожижали не более 2—3 литров гелия в неделю, но и с этим количеством делали исключительно интересные опыты; была открыта сверхпроводимость и еще ряд других интересных явлений. Я думаю, что в области изучения свойств вещества при низких температурах за последнее столетие из всех научных центров Лейденскую лабораторию нужно считать наиболее значительной. Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что все крупные открытия в области магнетизма при низких температурах, кроме Мейснер-эффекта, были сделаны в Лейдене.

Вызывает удивление, как в небольшой стране, в одном университетском центре последовательно появлялись такие крупнейшие физики-экспериментаторы, как Ван-дер-Ваальс, Камерлинг-Оннес, де Хааз, Кеезом, а также крупнейшие физики-теоретики, какими были Лоренц, Эренфест. Ведущий уровень научных исследований в области магнетизма сохраняется в Лейдене и по сегодняшний день работами профессора Гортера, который принимает участие в нашей конференции, и его сотрудников, Какие же основные направления исследований имеют место теперь? Я вкратце их перечислю.

Импульсный метод в области сильных магнитных полей пока дает для них рекордные значения. Но пользоваться этим методом стало много проще, так как сейчас источником мощности служат изготовляемые во множестве промышленностью конденсаторы большой емкости. Вопрос прочности катушек теперь решается тоже проще: их делают без особого армирования, но используя тот факт, что давление от магнитного поля имеет характер импульса, и его сейчас стали компенсировать возникающими в обмотке катушки при ее деформации вязкостными силами. На практике это связано с необходимостью значительно сократить продолжительность импульса, которая сейчас лежит вблизи 1/1000 секунды. Обычно после каждого опыта катушка несколько деформируется и поэтому годится для ограниченного числа опытов. Но все же, даже таким путем, в объеме нескольких кубических сантиметров достигнутая величина поля по-прежнему не больше 500 кэ.

Были достигнуты магнитные поля значительно большей величины путем адиабатического сжатия магнитного потока, образованного в проводящем цилиндре. Это сжатие осуществлялось производимым снаружи цилиндра взрывом. По-видимому, таким путем удавалось получать поля свыше мегаэрстеда. Но надо еще суметь использовать это поле для эксперимента, который должен быть осуществлен как бы внутри бомбы во время ее взрыва. Как мне известно, это пока не удалось, и трудно себе представить, осуществимо ли это вообще.

Получать сильные магнитные поля, используя свехпроводники второго рода, сейчас оказывается весьма полезным для ряда экспериментов, где нужно стабильное однородное поле, — тут сверхпроводящий соленоид дает большие преимущества. Но несмотря на то, что существуют сплавы, в которых сверхпроводимость не разрушается даже при очень сильных полях, предел для величины поля по-прежнему будет обусловлен прочностью обмотки сверхпроводящей катушки. По-видимому, осуществить более прочную конструкцию катушки из сверхпроводников по техническим причинам труднее, чем обычную прочную конструкцию из меди. Поэтому в сверхпроводящих соленоидах вряд ли удастся получить поля значительно большие, чем в охлажденной водой катушке, т. е. около 200 кэ.

Что касается области низких температур, то сейчас с увеличением числа областей исследований, где используется жидкий гелий, его стали применять в большом количестве; так, у нас в институте дневное потребление жидкого гелия доходит до 350 литров. Это, конечно, вызвано широким применением сверхпроводящих соленоидов. Большой прогресс в получении наиболее низких температур достигнут благодаря использованию гелия-3 и его смеси с гели-ем-4. Наиболее распространенный сейчас метод предложен Лондоном и осуществлен Негановым. Предельные температуры, которые достигаются при охлаждении вещества таким путем, близки к 1/1000° К. Очень похоже, что это близко к практическому пределу, так как существует температурный скачок, который при этих температурах почти прекращает теплопередачу. Это явление более 30 лет тому назад было обнаружено мною и меня часто упрекают, что я ответствен за то, что оно сильно мешает понижать температуру!

Теперь в магнитных исследованиях все острее ставится вопрос о необходимости изучения особо чистых веществ и особо совершенных кристаллов. Прогресс в этой области связан с развитием радиоактивационного метода анализа, который дает возможность обнаруживать и контролировать примеси до 10-6%, даже если они относятся к легким элементам. По-видимому, в ближайшем будущем возникнет необходимость изучения изотопно однородных веществ. Для этого должен быть развит более широкий метод разделения изотопов.

Все перечисленные направления появились уже в годы моей молодости, но за последние годы возникли новые. Наиболее важные из них связаны с открытием в 1944 г. Е. К. Завойским парамагнитного резонанса. Оно было сделано молодым тогда ученым, работавшим совершенно самостоятельно в Казанском университете. Мне хорошо помнится, что, когда он сообщил в Москве результаты своих исследований, это вызвало недоверие. Но за несколько дней он воспроизвел свои опыты в нашем институте, и для всех не осталось сомнений, что было сделано крупнейшее открытие. После открытия Завойского изучение резонансных явлений в высокочастотных полях распространилось на ряд областей.

Оказалось, что в любом веществе, где есть элементарные магнитные моменты, будь то атомы, будь то ларморовские орбиты, будь то спины электронов или ядер атомов, — под воздействием магнитного поля происходят изменения собственных частот колебаний магнитных моментов, которые изучаются путем резонанса. Эти частоты лежат обычно в области от радио- до микроволн. Этот диапазон волн имеет сейчас большое практическое значение в радио, телевидении, радиолокации, что дает возможность для исследований магнитных моментов использовать накопленный технический опыт.

Сейчас в ряде областей очень широко ведутся работы не только по парамагнитному, но и по ядерному, циклотронному и другим резонансам. Пожалуй, ни один метод изучения магнитных свойств вещества не давал еще такую богатую информацию, как найденный Завойским резонансный.

На меня лично, например, большое впечатление производит измерение магнитных полей путем ядерного магнитного резонанса. Как известно, сейчас этот метод позволяет с очень простой установкой измерять поле с точностью до долей процента. Я помню, как в прежние времена, чтобы измерить магнитное поле с точностью на порядок или два меньшей, Пикар и Коттон строили специальные весы и тратили на эти работы больше года.

К новым явлениям, используемым при изучении магнитных свойств веществ, следует отнести эффект Мессбауэра и туннельный эффект, предсказанный Джозефсоном. Как хорошо известно, эти эффекты дали возможность создать методы, позволяющие при измерении атомных частиц и магнитных полей достичь фантастически малых величин.

Теперь я коснусь вопроса, что, с моей точки зрения, можно предвидеть в будущем в области электромагнитных явлений. Многие утверждают, что в металлах, полупроводниках и диэлектриках теперь все основные электромагнитные явления могут быть достаточно хорошо поняты и количественно описаны и что все дальнейшие исследования будут сводиться только к детализированию этих явлений.

Мне думается, что это неправильно. Возьмем хотя бы полимеры, которые, как известно, состоят из атомных цепей и в которых ряд основных процессов еще совсем не понят. Ведь живой организм состоит из таких цепочек и из них формируются мускулы, нервные волокна. Теперь мы знаем, что все жизненные процессы имеют электромагнитную природу и связаны с прохождением тока по этим волокнам. Но мы до сих пор не знаем физической природы этих процессов, хотя биологи и говорят, что они их понимают. Но несмотря на это, я буду скептиком до тех пор, пока полимерные волокна — как нервные, по которым передается информация, так и мускульные, которые могут сокращаться,— не будут воспроизведены искусственно в лаборатории. Только тогда эти процессы можно будет считать разгаданными.

В молекулярных цепях можно ждать много новых явлений. И не только сверхпроводимость, но и сверхдиэлектричность. Возможное открытие сверхдиэлектриков с достаточно высокой диэлектрической постоянной, способных совсем без потерь отражать высокочастотные поля, имело бы большое практическое значение не только при передаче информации по волноводам на большие расстояния, но и в энергетике больших мощностей.