В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Таким образом, существует еще несколько повседневных вещей, которые связаны с миром кванта. Рецепты лишь из одной главы квантовой кулинарной книги дали нам цифровые часы, домашние компьютеры, электронную начинку, которая запускает спутник на орбиту (а иногда и не дает ему полететь вне зависимости от людей-операторов), мобильное телевидение, сотовые телефоны, стереосистемы и оглушительное Hi-Fi, а также лучшие слуховые аппараты, чтобы потом справляться с глухотой. Планшетные компьютеры стали реальностью, и вполне возможно, что не за горами появление устройств с искусственным интеллектом. Компьютеры, рассчитывающие приземление на Марс и исследующие Солнечную систему и ее пределы, являются первыми братьями чипов, которые управляют аркадами, и все они основаны на странном поведении электронов в соответствии с основными квантовыми законами. Но потенциал физики твердого тела не ограничивается даже могучими микропроцессорами.

Сверхпроводники

Как и полупроводники, сверхпроводники имеют логически верное название. Сверхпроводник - это вещество, которое проводит электричество без какого-либо видимого сопротивления. Это самое близкое к вечному двигателю из того, что мы, вероятно, когда-либо сможем обнаружить, - это не совсем создание нечто из ничего, но редкий пример в физике, когда ты получаешь за свои деньги все и тебя при этом не обманывают. Сверхпроводимость можно объяснить процессом связывания пары электронов друг с другом и их совместного движения. Хотя каждый электрон имеет полуцелый спин и, соответственно, подчиняется статистике Ферми - Дирака и принципу исключения, пара электронов при некоторых условиях может вести себя как одна частица с целым спином. Такая частица не запрещена принципом исключения и удовлетворяет той же статистике Бозе

Эйнштейна, которая квантово-механическим образом описывает поведение фотонов.

Голландский физик Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость в 1911 году, когда обнаружил, что ртуть полностью теряет электрическое сопротивление при охлаждении ниже 4,2 градуса в единицах абсолютной температурной шкалы (4,2 градуса Кельвина примерно равны -269 градусам Цельсия). В 1913 году за свой труд по физике низких температур Оннес получил Нобелевскую премию, однако она была вручена за другое достижение - получение жидкого гелия, а сверхпроводимость не могла найти полноценного объяснения до 1957 года, когда Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер выдвинули теорию, которая в 1972 году

принесла им Нобелевскую премию 41. Это объяснение зависит от того, как спаренные электроны взаимодействуют с атомами в кристаллической решетке. Один электрон взаимодействует с кристаллом, в результате чего изменяется взаимодействие кристалла с другим электроном пары. Таким образом, несмотря на естественную склонность отталкивать друг друга, пара электронов образует слабую связь, достаточную для того, чтобы перейти от статистики Ферми - Дирака к статистике Бозе - Эйнштейна. Не все вещества могут быть сверхпроводниками, и даже у тех, которые имеют это свойство, мельчайшее колебание атомов в кристаллической решетке разрушает электронные пары, в связи с чем сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах - в диапазоне от 1 до 10 градусов Кельвина. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками ниже определенной критической температуры, которая различна для разных веществ, но всегда одинакова для одного и того же вещества. Выше этой температуры электронные пары разрушаются и вещество обладает нормальными электрическими свойствами.

Эта теория подтверждается тем фактом, что материалы, являющиеся хорошими проводниками при комнатной температуре, не становятся лучшими сверхпроводниками. Обычный «нормальный» проводник позволяет электронам двигаться свободно именно потому, что они не сильно взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, а без взаимодействия электронов с атомами невозможно образование электронных пар, необходимое для появления низкотемпературной сверхпроводимости.

Очень жаль, что сверхпроводники должны быть настолько холодны для появления этого феномена, ведь легко представить потенциальные удобства в использовании сверхпроводников. Самый очевидный пример - это передача электричества по проводам без потери энергии. У сверхпроводников есть и другие любопытные свойства. В нормально проводящий металл может проникать магнитное поле, однако сверхпроводник образует на своей поверхности электрические токи, которые отталкивают и вытесняют магнитное поле. Таким образом получается идеальный экран от нежелательного воздействия магнитных полей, однако он непрактичен ввиду необходимости в охлаждении до нескольких градусов Кельвина.