Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Сверхпроводники обладают способностью проводить электрические токи без каких бы то ни было потерь. Подобно ничего не подозревающим гостям портового города, описанного в начале этой главы, электрический ток, текущий по замкнутому сверхпроводящему контуру, будет течь в нем вечно, не испытывая никаких потерь. Сверхпроводники Камерлинг-Оннеса были, вероятно, первыми на Земле, а может быть, и во всей Вселенной, за исключением тех, что могут существовать внутри нейтронных звезд. Познание заклинаний сверхпроводимости – создание простой теоретической модели, подробно объясняющей целый комплекс странных и непостижимых явлений, – было одним из величайших достижений в истории физики. Однако история сверхпроводимости еще далека от завершения: упомянутая простая теоретическая модель утверждает, что сверхпроводники могут существовать только при крайне низких температурах, не встречающихся на Земле даже в самые холодные ночи в самых холодных пустынях. Выход из этого тупика должно открыть еще одно заклинание, которое специалисты по физике конденсированного состояния еще только постигают. Это и есть современные поиски философского камня – получение сверхпроводимости при комнатной температуре.

На этом последнем этапе нашего путешествия мы попадем в отдаленное будущее физики конденсированного состояния, не зная наверняка, что мы там найдем. Но начать можно с хорошо известной территории, обратившись к веществам, которые завораживали меня с тех самых пор, когда я еще ребенком впервые услышал легенды об их магии, – сверхтекучим средам.

Тайные зелья и сверхтекучесть

Помню, впервые я услышал о сверхтекучести в начальной школе – мне тогда было лет восемь. По рассказам казалось, что ничего волшебнее и быть не может. Хотя я уже знал, что хочу стать физиком, сегодня я подозреваю, что на путь, ведущий к физике конденсированного состояния, вполне могли направить меня именно слухи о сверхтекучести. Точнее, как я вспоминаю, мне рассказали вот что: если налить сверхтекучую жидкость в бутылку, она поднимется по стенкам и вытечет наружу через горлышко. Кроме того, я помню, что слышал, будто бы сверхтекучие вещества сохраняют текучесть даже при абсолютном нуле. Не помню, при каких обстоятельствах я услышал об этом в девонской деревне в середине 90-х, но я рад, что это случилось. И многое из того, что восьмилетки из начальной школы Оттери-Сент-Мэри считали непреложной истиной, по счастью, действительно было правдой[110]. Гелий – единственное известное вещество, приобретающее сверхтекучесть путем одного только охлаждения. Были созданы и другие сверхтекучие среды, но для них требуются чрезвычайно сложные установки или огромные давления: например, считается, что сверхтекучую среду образуют нейтроны в нейтронных звездах. Тем не менее этим экзотическим материалам начинают находить практическое применение на Земле. Один стартап, занимающийся квантовыми компьютерами, даже планирует производить работающие кубиты с использованием сверхтекучего гелия.

Магические свойства сверхтекучих сред порождаются отсутствием вязкости. Вязкость определяет, насколько текуче то или иное вещество: например, паста «Мармайт»[111] считается вязкой, а вода – нет. Зыбучий песок, в котором рисковали утонуть беспечные посетители пустынь до его загадочного исчезновения из популярной культуры в середине 1990-х годов, опасен именно потому, что обладает переменной вязкостью: эта смесь песка и воды имеет высокую вязкость, почти превращающую ее в твердое вещество, пока на нее не встанешь; в этот момент она начинает свободно растекаться, затягивая свою жертву к верной гибели.

Сверхтекучесть означает вязкость, точно равную нулю. Способность сверхтекучих сред вытекать из сосуда называют фонтанным эффектом; на самом деле сходное свойство проявляют и обычные жидкости, но в гораздо меньшей степени. Под действием поверхностного натяжения жидкость немного поднимается по стенкам сосуда, образуя мениск – направленное вверх искривление, которое можно увидеть по краям, например, чашки с чаем. К счастью для любителей чая, вязкость обычных жидкостей не позволяет им подниматься по стенкам слишком высоко. Тем не менее и этот классический эффект можно использовать в фокусе.