Первые шаги к открытию сверхпроводимости (стр. 1 из 3)

Первые шаги к открытию сверхпроводимости

Хасапов Борис Георгиевич

Петербургская Академия наук, открытая в 1725г. просто обязана была стать в это же время лидером в области изучения физики холода. ”Природа нашей местности удивительно благоприятствует постановке опытов с холодом”, – писал один из первых петербургских профессоров Г.В.Крафт. Однако, он тут же предупреждал, что в природе холода много неизвестного. “До сих пор означенные качества окутаны таким мраком, что для освещения их потребен не срок в несколько лет, а пожалуй нужен целый жизненный век, и притом не одного лишь, но многих проницательных дарований”. Он оказался прав. [ 1.]

Академии Англии, Италии, Франции, Германии, Голландии и даже Швеции лежали в полосе мягкого климата. Технологически же проще получать для экспериментальных нужд высокие температуры, чем холод. Еще в древности человек мог получать высокие температуры, достаточные для выплавки железных руд. Но до того как научился сжижать газы, получение низких было весьма проблематично. Лишь в 1665г. физику Бойлю удалось снижение температуры водного раствора всего-навсего на несколько градусов. Он добился этого, растворяя нашатырь в воде.

А для чего человеку тогда были нужны низкие температуры? В первую очередь ученым для градуировки термометров, применявшихся для метеорологических измерений, где встречаются температуры доселе неизвестные старожилам. Именно изготовители термометров и начали подбирать такие вещества и растворители, которые бы понижали максимально температуру растворов. Таков состав придумал голландский мастер научных приборов Д.Фаренгейт. Он рекомендовал для этой цели использовать толченый лёд, в который добавлялась бы концентрированная азотная кислота. В России такой состав стали называть знобительной материей.

Зима 1759-1760гг в Петербурге выдалась весьма студеной. Уже 14 декабря “чрезвычайная случилась стужа, которой прежде сего никогда в Академии не примечали”. В этот день академик Иосиф Адам Браун с чисто научными целями задался выяснением вопроса “Сколько сию естественную стужу искусством умножить можно”. Для этой цели он использовал состав голландца, правда вместо колотого льда он применил уличный снег, с температурой окружающей среды. Снег он поместил в стеклянный сосуд, влил немного азотной кислоты и вставил в эту знобительную материю ртутный термометр. Через некоторое время он термометр вынул и “c радостью обнаружил, что он не поврежден, а ртуть неподвижною стояла”. [ 2 ]

Чему же радовался Браун? Тому, что термометр не разморозился? Нет, он просто начал подозревать, что в трубке термометра замерзла ртуть. А это была сенсация! Ни в одном ученом трактате всех времен и народов не сообщалось, что ртуть может быть твердой. Вот что, например, можно прочитать в учебнике того времени для рудознатцев: “Сей минерал по виду ничем не отличается от растопленных металлов, однако они в такую жару застывают, от которой многие вещи загораются, а ртуть и в самый жестокий мороз застынуть не может”. Отметим, что автор учебника, М.В.Ломоносов, ртуть даже не считает металлом. [ 3 ]

Титульный лист распечатки доклада академика И.А.Брауна на публичном собрании Петербургской академии наук

Убеждение ученых того времени в этот постулат было настолько велико, что 18 ноября 1734г., когда наблюдатель метеостанции в Томске конный казак Саломатов сообщил о факте замерзания ртути в его барометре академикам Гмелину и Миллеру, то они этому просто не поверили. У них появилось подозрение, что неопытный казак просто разлил ртуть, ибо “из места не бережно вынимал и тряс, а иначе сего сделаться не может, потому что, хотя и несравненно жесточайше сих морозы были, ртуть не смерзается”. Ученые были настолько уверены в своей правоте, что вместо якобы разлитой выслали казаку еще шесть золотников ртути. Из академиков запомним фамилию Миллер, она нам еще будет встречаться. [ 4 ]

II

Но вернемся к петербургским опытам. Итак, – писал позже Браун, – я “был уверен, что ртуть в термометре твердою и неподвижною от стужи стала и, следовательно, замерзла”. Настолько было всё это неожиданно, что он решает немедленно сообщить новость своим коллегам. Наскоро собравшиеся ученые решили, что при проведении повторных опытов необходимо разбить термометр и визуально убедиться в свершившемся факте. Для этой цели в мастерской академии заказали новую партию термометров.

Приступить к экспериментам смогли лишь 25 декабря, “ибо нужного числа термометров скоро было сделать невозможно”. К опытам приступили помимо Брауна академики М.В.Ломоносов, Ф.У.Т.Эпинус, И.Э.Цейгер и аптекарь И.Г.Модель. Каждый из участников, повторяя приемы Брауна, получил из разбитых термометров столбики твердой ртути в виде проволоки, “наподобие серебряной”, и ртутной “пулей” на ее конце. Проволочки легко гнулись, а “пуля” легко расплющивалась ударами обуха топора, потому что “имела твердость свинца или олова”. Цейгер позже сообщил, что он вроде бы слышал её звон. Все свойства металла были налицо, следовательно ртуть была металлом, а приоритет открытия этого факта принадлежит России.

Опыты в Петербурге произвели сенсацию в ученом мире. Газеты и частная переписка ученых намного опередили официальные сообщения из Академии и поэтому были допущены серьезные искажения особенно о роли главных действующих лиц. Имя первооткрывателя было названо неправильно, что и привело к большому скандалу в Академии. По инициативе Ломоносова было организовано специальное расследование Канцелярией. Нашли виновного – это был академик Миллер, который “писал в Лейпциг от имени Академии и без её ведома, якобы начало сего опыта произошло от профессоров Цейгера и Эпинуса, и Брауну, якобы по случаю пришлось, как петуху сыскать жемчужное зерно”. За это Миллер был подвергнут резкой критике коллег на заседании Канцелярии. Случай для науки почти типичный. [ 5 ]

Последовали и отклики других ученых. “Открытие профессора Брауна величайшей важности, – писал Леонард Эйлер, – и оно доставило мне особое удовольствие поскольку я всегда считал, что теплота есть истинная причина жидкого состояния ртути”.

Результаты зимних опытов Канцелярией академии были признаны настолько важными, что их результаты решено было обнародовать в публичном собрании Академии на торжественном праздновании тезоименитства императрицы Елизаветы Петровны. Доклады об открытии поручено было сделать главным действующим лицам открытия: И.А.Брауну на немецком и М.В.Ломоносову на русском языках. Первый доклад назывался “Об удивительной стуже, искусством произведенной”, второй – “Рассуждение о твердости и жидкости тел”. Тексты докладов постановили издать отдельными тиснениями, которые потом были напечатаны в количестве 412 экземпляров каждый и их можно сейчас найти в главных библиотеках страны.

Заслуги Брауна в истории физики теперь почитаются потомками. Но в чём же была заслуга Ломоносова не известно ни соотечественникам, ни зарубежным ученым. А почитать есть за что. Но, прежде чем мы расскажем об этом, приведем еще один отзыв об открытии русских ученых, сделанный еще в 1763 году: “Наиболее замечательным из всех открытий за последние три года является установление факта плавления ртути”. [ 6 ]. Эти слова принадлежат одному из основоположников науки об электричестве великому американцу Б.Франклину. Его главный труд “Опыты и наблюдения над электричеством” был хорошо известен русским ученым, неоднократно цитируемый Г.В.Рихманом и М.В.Ломоносовым в их сочинениях.

III

Работа Франклина представляет собой собрание его писем, адресованных другим ученым. Здесь последовательно описываются эксперименты, проведенные автором в Новом Свете, и теоретические построения автора. Он одним из первых начал широко применять привычный теперь электрикам термин проводник, введенным английским ученым Т.Дезагюлье. В одном из таких писем 1751г. можно прочесть следующее: единственное отличие проводников от непроводников “состоит только в том, что некоторые из них проводят электрическую субстанцию, а другие нет”. И далее: “Идеальными проводниками являются только металлы и вода. Прочие тела проводят лишь постольку поскольку в них имеются примеси металлов и воды”. [ 7 ]

Позже к этому письму, напечатанному в сборнике сочинений Франклина была сделана сноска, что это правило не всегда соблюдается и автор приводит случай, когда английский ученый “Уильсон открыл, что воск и смола по расплавлении приобретают способность проводить”. Впрочем, Франклин и сам раньше сталкивался со странным фактом: “Сухой кусочек льда или ледяная сосулька в электрической цепи предотвращает удар, чего нельзя было ожидать, так как вода отлично передает его”. Здесь речь идет о шоковом электрическом ударе экспериментатора при разряде через него заряженной лейденской банки. Лёд вёл себя в цепи, как изолятор. [ 7, c.37.]

Сейчас мы прекрасно понимаем, что металлы обладают электронной проводимостью, прочие вещества – ионной, которая очень сильно зависит от их температуры.

Так может быть таким способом проверить ртуть? Ведь, если замерзшая ртуть будет проводить электричество, то она точно является металлом. Такой вопрос мог себе задать только Большой ученый. И нам до сих пор не известно только ли этот вопрос собирался выяснять он, но такой опыт произвел наш великий соотечественник М.В.Ломоносов. Краткое описание этого эксперимента можно найти в третьем томе Полного собрания его сочинений. Там же приведен рисунок этого опыта. Надо сказать, что на рисунке не изображены электрическая машина и электрический указатель (электрометр), но их присутствие подразумевается текстом. [ 8. c.407 ]

Собственноручные рисунки Ломоносова к опытам по замерзанию ртути. На фиг.5 демонстрируется шарик замерзшей ртути и степени его деформации после проковки.. Фиг.6 показывает опыт по электропроводности ртути и раскаленной железной проволоки. Фиг.7 демонстрирует замерзшую трубку ртутного термометра. Видны появившиеся воздушные пузырьки.