Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Сверхпроводники бывают двух типов, и между ними существует одно важное различие. Сверхпроводники I рода не впускают в себя магнитное поле ни при каких обстоятельствах: по мере все большего усиления магнитного поля в конце концов сверхпроводимость резко исчезает, и материал снова становится обычным металлом. Сверхпроводники II рода так же сопротивляются небольшим магнитным полям, но с усилением поля они не совершенно отказываются от сверхпроводимости, а начинают пропускать в себя пучки квантов магнитного потока. Это не противоречит тому явлению, с которым мы только что познакомились: на тех участках, через которые проходит магнитный поток, сверхпроводник возвращается в состояние обычного металла. Можно представить себе, что кусок сверхпроводника превращается в сверхпроводящее кольцо, через отверстие которого проходит магнитный поток.

Захват магнитного потока: силовые линии магнитного поля оказываются запертыми в сверхпроводящем кольце

Может показаться, что сверхпроводникам самое место в двигателях вымышленных машин времени, но на самом деле они широко используются на практике. Между ними и магнитами существует нечто вроде отношений любви-ненависти. Вращающийся сверхпроводник создает магнитное поле, направленное точно вдоль оси вращения; такая система может работать в качестве невероятно чувствительного гироскопа и была использована, например, в программе Gravity Probe B – спутниковом эксперименте по проверке общей теории относительности. Вспомним, что электрический ток, текущий в замкнутом контуре, создает магнитное поле; поскольку сверхток течет без потерь, он может порождать очень сильные магнитные поля. У таких сверхпроводящих магнитов есть множество применений: например, они стоят во всех магнитно-резонансных томографах мира. Они также используются в экспериментах по ЯМР для регулирования и измерения магнитных полей атомных ядер. Кроме того, сверхпроводящие магниты применяются для удержания плазмы в реакторах термоядерного синтеза и для ускорения элементарных частиц в Большом адронном коллайдере до поразительных энергий, которые не встречались во Вселенной с самых ранних стадий ее существования.

Несомненно, магическим применением сверхпроводников можно считать магнитную левитацию. Идея эта очень стара: еще Плиний Старший описывает попытку создать парящую в воздухе статую при помощи природных магнитов; они же использовались в летающем острове Лапуте в «Путешествиях Гулливера» Джонатана Свифта. Ни то ни другое устройство не могло бы работать, потому что теорема Ирншоу говорит нам, что ферромагнетики не могут обеспечивать статической левитации. Однако вспомним тот парящий кристалл, который я видел в Сент-Эндрюсском университете: дело было в том, что это был диамагнетик, то есть материал, намагничивающийся против прикладываемого к нему магнитного поля. В том случае речь шла о кристалле пиролитического графита, самого сильного из известных диамагнетиков в нормальных условиях. Но сверхпроводник абсолютно вытесняет магнитное поле – имею в виду эффект Мейснера. Поэтому сверхпроводники представляют собой абсолютные диамагнетики. Диамагнитные свойства любого сверхпроводника более чем в 2000 раз сильнее, чем у пиролитического графита.

Сверхпроводники уже используются в практических технологиях магнитной левитации, сокращенно «маглев». Существует несколько высокоскоростных поездов на магнитной подушке: самые быстрые из них – японские сверхпроводящие маглевы серии L0. Такой поезд развивает скорость 375 миль в час (603 км/ч), а для разгона ему требуется участок, в восемь раз более короткий, чем обычным поездам. Эти достижения связаны с отсутствием потерь энергии на трение, так как поезд летит над путями. Одним из важных остающихся источников потерь является сопротивление воздуха; существуют планы использования маглевов в вакуумных туннелях, что позволит получить новые огромные увеличения скорости. Коммерческие системы левитации не используют эффект Мейснера; вместо этого сверхпроводящие магниты создают сильнейшие магнитные поля, которые возбуждают парамагнитные поля в рельсах. Теорему Ирншоу снова удается обойти: на этот раз благодаря тому, что поезд движется.

Сверхпроводники несомненно соответствуют практическим критериям, по которым волшебники отличают магию. Объяснение их возникновения оказывается еще более волшебным.

Данс-макабр

Сверхтекучий гелий-4 образуется посредством конденсации Бозе – Эйнштейна. Этот механизм работает только для бозонов; поскольку электроны представляют собой фермионы, им нужно найти свой собственный путь к сверхтекучести. Они достигают ее при помощи любопытного скоординированного танца, у которого нет знакомых нам аналогов. Чтобы хоть в какой-то мере понять его, мы можем обратиться к области сверхъестественного, к танцорам, известным под многими разными именами, – Доброго народа, эльфов, Tylwyth Teg[114]. Это танец фей.