Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Это притяжение объясняют следующим образом. Вспомним, что металл представляет собой смесь стихий земли и огня: в нем есть периодическая кристаллическая решетка из положительных ионов, окруженная морем отрицательных электронов, к которым они притягиваются. Утверждается, что в сверхпроводнике движущийся электрон притягивает положительные ионы чуть ближе к себе. За пролетающим электроном остается область несколько увеличенной концентрации положительного заряда, потому что возвращение более тяжелых ионов в исходное положение занимает некоторое время. Эта область положительного заряда притягивает второй электрон. Таким образом, возбуждая вибрацию в кристаллической решетке, первый электрон фактически притягивает к себе другой. Хотя эта базовая схема сверхпроводимости оказывается вполне понятной, не следует воспринимать ее слишком буквально, потому что у этого явления есть множество других аспектов, которых она не учитывает. На самом деле сверхпроводимость – явление квантовое, и классические аналогии просто не могут полностью отразить его.

Итоговый результат этих притяжений является второй замечательной особенностью: электроны связываются в пары. Кажется логичным, что два объекта, притягивающиеся друг к другу, могут стремиться к объединению. Но странно то, что притягиваются друг к другу очень и очень многие электроны, и тем не менее они образуют именно пары, а не тройки, не четверки и не более крупные скопления. Каждый электрон становится партнером электрона, имеющего противоположный спин и движущегося в противоположном направлении – как танцующие в противоположных направлениях человек и фея. Но эти пары – не пары конкретных электронов: человек не остается партнером конкретной феи, а все время становится партнером любой феи, танцующей в противоположном направлении, а направления эти все время изменяются. Это различие существенно. Если бы пары состояли из индивидуальных электронов, они могли бы разрушаться нарушениями порядка и примесями, как в обычных металлах. Но поскольку пары состоят из направлений, беспорядочно движущиеся электроны могут вступать в них и выходить из них. Если электрон меняет направление, он оказывается в паре с новым партнером, движущимся в противоположную сторону: как и в сутолочном танце людей и фей, пары постоянно меняются, но все танцующие все время находятся в парах.

Чтобы это работало, между танцующими должна существовать очень точная координация, но она возникает спонтанно. Например, пары должны одновременно расходиться в разных направлениях и в тот же момент находить себе новых партнеров. Эйнштейн говорит нам, что такие вещи не могут происходить на расстоянии мгновенно, так как ничто не может перемещаться быстрее скорости света, но это делает тот факт, что танец остается столь идеально скоординированным, еще более замечательным[116].

Танцующие, образующие пару, могут не быть друг рядом с другом: парные электроны в сверхпроводнике тоже могут находиться на большом расстоянии друг от друга – как правило, в нескольких тысячах атомов. Более того, расстояния между членами пар бывают гораздо больше, чем расстояния между разными парами; точно так же пару могут образовывать два участника танца, находящиеся на разных краях ведьмина круга, полного других танцующих. В результате многочисленные пары электронов вполне могут сосуществовать в одном и том же месте. С классической точки зрения такие «пары» по большей части состоят из пустого пространства.

В фигурах этого танца впервые разобрались в 1957 году Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер; их объяснение, получившее название теории сверхпроводимости БКШ по инициалам ее авторов, стало одним из величайших достижений теоретической физики. Эта теория отличается изящной простотой, как в части математического аппарата, так и в части физического изложения. Теория БКШ – это полное квантовое описание поведения огромного числа взаимодействующих частиц; она превосходно объясняет целый ряд экспериментальных наблюдений, которые физики не могли понять в течение четырех десятилетий, с того самого времени, когда Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость. Кроме того, она содержала несколько новых предсказаний, которые были быстро проверены, подтверждены и применены на практике. Ее создатели вполне заслуженно получили в 1972 году Нобелевскую премию.