Главное - придумать эффектик

Ток, текущий по проводнику без сопротивления при комнатной температуре, - голубая мечта нобелевского лауреата Виталия Гинзбурга

Выбор Нобелевского комитета в отношении физиков в этом году можно назвать долгожданным. Присуждение главной научной премии за пионерские работы в области сверхтекучести и сверхпроводимости Виталию Гинзбургу, Алексею Абрикосову и Энтони Легетту могло произойти и десять, и двадцать, а если говорить о первых двух, и сорок лет назад. По крайней мере, по нашей информации, коллеги выдвигают Гинзбурга на "Нобеля" уже более тридцати лет.

Действительно, если говорить о более поздних работах в этой области, то, например, знаменитая теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шрифера, была отмечена Шведской академией в 1972 году, а за экспериментальное открытие высокотемпературной сверхпроводимости, ВТСП (так называемое преодоление "азотного барьера"), для попыток объяснения которой работы Гинзбурга сыграли не последнюю роль, сотрудники IBM Алекс Мюллер и Джордж Беднортц чествовались в Стокгольме в 1987 году.

С другой стороны, решение Нобелевского комитета можно назвать конъюнктурным: сверхпроводимость не только доказала свою актуальность в "индустриальной" физике и медицине (кстати, "Нобель" этого года по физиологии и медицине вручен за разработку томографов, работа которых без сверхпроводников затруднительна), но и стала предметом интереса власти и бизнеса. В Детройте уже целые кварталы получают электропитание по сверхпроводящим кабелям, у нас недавно стартовала совместная программа Минатома РФ и РАО ЕЭС по разработке токоограничителя на сверхпроводах. В Японию, одним из первых пунктов записавшую в своей Белой книге проект экспериментального термоядерного реактора - ITER, год назад привезли гигантскую сверхпроводящую катушку для центрального соленоида, сделанную в России. По оценкам Всемирного банка, к 2012 году рынок сверхпроводникового электротехнического оборудования будет составлять 70 млрд долларов, а к 2022 году превысит 240 млрд. Мы не знаем, делали ли эксперты Всемирного банка поправку на возможное открытие сверхпроводимости при комнатной температуре - КТСП (Виталий Гинзбург считает его вполне вероятным). Но скорее всего нет, ведь если эта "голубая мечта Гинзбурга" станет реальностью, мы просто перестанем терять электроэнергию при ее передаче, в масштабах мира это даже не миллиарды долларов, а как минимум десятки миллиардов ежегодно.

Лидочка между делом

У Виталия Лазаревича Гинзбурга нестандартный "вход" в науку. В школе он учился всего четыре года (с четвертого по седьмой класс), после чего пытался поступить на дневное отделение физфака МГУ, взяли только на вечернее. Гинзбург любит подчеркивать, что до сих пор не знает школьной астрономии (это говорит астрофизик с мировым именем) и химии и пишет с большим количеством ошибок. "Математические способности у меня ниже средних, - говорит Гинзбург, - аппаратом я всегда владел и владею плохо, часто чувствую себя обманщиком: спрашиваешь студента или аспиранта, а сам не знаешь, как вывести формулу. Почему же я преуспевающий физик-теоретик? Есть, во-первых, какой-то нюх, цепкость, комбинаторная и ассоциативная хватка. Во-вторых, большое стремление 'придумать эффектик', что-то сделать. Думаю, что это родилось из комплекса неполноценности". "Эффектики" Гинзбург придумывать действительно умеет, часто от скуки. Так, идея о сверхтекучести вещества в нейтронных звездах пришла ему в голову во время долгой поездки на поезде из Кисловодска в Москву, а соображения о влиянии магнитного поля Земли на распространение радиоволн в атмосфере Гинзбург развил, лежа в постели с высокой температурой. Иногда даже, когда нечего было делать, он играл сам с собой в азартную игру: придумать новый "эффектик" за пятнадцать минут - и нередко выигрывал.

Не миновал Гинзбурга, как и большинство крупных физиков того времени, и советский ядерный проект. Правда, он свой вклад в создание первой в мире водородной бомбы оценивает скромно: "Дело важное, но для физика не такое интересное. К великому счастью, из-за того, что жена моя была репрессирована, меня быстро от этого дела отшили. На объект не послали". Между тем именно Гинзбург предложил знаменитую теперь "лидочку" - использование в качестве термоядерного горючего дейтерид лития (американцы упорно пытались зажечь термояд в смеси водородных изотопов). Благодаря объединению в одном устройстве гинзбурговской "лидочки" и "слойки" Сахарова (послойного размещения ядерного и термоядерного горючего) СССР остался в истории первой страной, создавшей водородную бомбу.

Учителями своими Гинзбург считает Льва Давыдовича Ландау и Игоря Евгеньевича Тамма. В большую физику он пришел, задумавшись об излучении равномерно движущегося электрона, благодаря чему внес свой вклад в таммовскую теорию излучения Вавилова-Черенкова. С тех пор задачи об излучении равномерно движущихся источников кажутся ему одними из самых красивых в физике. На наш вопрос, какую из разрабатывавшихся им тем он считает главной, Гинзбург ответил, что согласен с решением Нобелевского комитета - теорию сверхтекучести и сверхпроводимости.

Грязные сверхпроводники

Известно, что часть электроэнергии при прохождении тока по проводнику теряется из-за его сопротивления (сейчас потери только на высоковольтных линиях передачи составляют десятую часть всего производимого в мире электричества). Но если проводник охладить до температур, близких к абсолютному нулю (-273oC), то его электрическое сопротивление исчезает, возникает явление сверхпроводимости, правда, при этом магнитное поле "выталкивается" проводником. Если к сверхпроводнику приложить сильное магнитное поле или пропустить через него ток большой величины, явление сверхпроводимости исчезает.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году, через три года после того, как голландец Хейке Камерлинг-Оннес научился сжижать гелий. Сотрудник его лаборатории Г.Холст, измеряя сопротивление ртути постоянному току при охлаждении жидким гелием, обнаружил, что при температуре 4oК (-269oC) это сопротивление скачкообразно уменьшалось до нуля. Вскоре было установлено, что аналогично ведут себя и многие другие металлы. Перед человечеством замаячила перспектива передачи электроэнергии без потерь, и в 1913 году за исследования свойств веществ при низких температурах Камерлинг-Оннес получил Нобелевскую премию.

Уже в 1933 году немцы В. Мейснер и Р. Оксенфельд установили зависимость электрического сопротивления сверхпроводящего материала (речь тогда шла о так называемых сверхпроводниках первого рода - чистых металлах, таких как, например, алюминий или свинец) от силы магнитного поля. Далее мировому НТП помогла советская наука. К середине 30-х годов в Харьковском физико-техническом институте сложилась сильная группа физиков. Одну из лабораторий института возглавлял Лев Шубников, который, как рассказал "Эксперту" Виталий Гинзбург, продолжая опыты немецких ученых, обнаружил, что некоторые сплавы ведут себя не как чистые металлы (остаются сверхпроводниками даже при сильном магнитном воздействии). Этот эффект получил название "шубниковской фазы". Успешные работы были прекращены через несколько лет: Шубников был арестован и расстрелян. Позднее выяснилось, что подавляющее большинство сверхпроводящих материалов относится не к чистым металлам, а к сплавам, полупроводникам и керамическим соединениям, которые получили наименование "сверхпроводники второго рода", - они и являются сегодня лучшими кандидатами в высокотемпературные сверхпроводники.

Несмотря на эмпирические успехи, почти сорок лет сверхпроводимость оставалась только областью всякого рода лабораторных фокусов, так как теоретически объяснить механизм этого явления никто не мог.

В 1943 году, будучи в эвакуации в Казани, Гинзбург познакомился с теорией Ландау, объясняющей явление сверхтекучести (протекания жидкости через поры без сопротивления) жидкого гелия, охлажденного до температуры чуть выше абсолютного нуля. Петр Капица, по некоторым данным, смог вытащить Ландау из лагерей как раз под тем предлогом, что он в состоянии сверхтекучесть объяснить (в 70-е годы над сверхтекучим гелием не без успеха поработал Энтони Леггетт). Гинзбургу пришла в голову счастливая мысль использовать теорию Ландау для объяснения сверхпроводимости, которая так и оставалась для физиков загадкой со времен открытия Камерлинг-Оннеса.

Феноменологическая теория Гинзбурга-Ландау описывает электронный газ в сверхпроводнике как сверхтекучую жидкость, которая, грубо говоря, протекает при сверхнизких температурах сквозь кристаллическую решетку без сопротивления. Хотя теория не объясняла механизм сверхпроводимости на микроскопическом уровне, она выявила несколько важных термодинамических соотношений, объясняющих поведение сверхпроводников в магнитном поле, и стала опорной для последующих поколений исследователей. Индекс цитируемости этой совместной работы Гинзбурга и Ландау - один из самых высоких за всю историю науки.

Именно в рамках теории Гинзбурга-Ландау начал искать объяснение существованию сверхпроводников второго рода второй из нынешних нобелевских лауреатов, тогда еще советский ученый Алексей Абрикосов (ныне Абрикосов живет и работает в США). В 1957 году он, опираясь на исследования Льва Шубникова, теоретически показал возможность существования нового класса "грязных" сверхпроводников, способных проводить достаточно большие токи без утраты сверхпроводящих свойств.

За азотным барьером

В конце пятидесятых годов Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шрифер из Университета Иллинойса разработали теорию БКШ, получившую такое название по первым буквам фамилий своих создателей. БКШ была уже не феноменологической теорией - она опиралась на микрофизический механизм.

Как известно, проходящий через металл электрический ток представляет собой поток электронов. При этом электроны неизбежно сталкиваются с образующими кристаллическую решетку ионами металла. Колебания кристаллической решетки, в свою очередь, переходят в тепло, приводя к потерям электроэнергии. Согласно теории БКШ, при достаточном охлаждении металла эта картина существенно меняется. Возникающие при столкновении с одним из электронов колебания кристаллической решетки распространяются по металлу и в конце концов передают свою энергию другому электрону. В результате такие пары электронов, называемые куперовскими, движутся в металле, не встречая сопротивления и, соответственно, не теряя энергии. После публикации результатов БКШ Гинзбург даже потерял на некоторое время интерес к сверхпроводимости. Правда, вскоре выяснилось, что феноменологическая теория Гинзбурга-Ландау обладает несомненной эвристической ценностью для объяснения некоторых эффектов ВТСП.

В шестидесятые годы начался настоящий бум в сфере сверхпроводимости. Лидерами были два государства - СССР и США. В рамках национальных программ по изучению и использованию этого явления разрабатывались сверхпроводниковые варианты основных электротехнических устройств - опытно-промышленные образцы сверхпроводниковых турбогенераторов, двигателей, трансформаторов, токоограничителей, линий электропередачи.

Любопытно, что теория БКШ годилась только для объяснения сверхпроводимости сверхпроводников первого рода и по сути на четверть века стала тормозом для создания высокотемпературных сверхпроводников второго рода. По воспоминаниям Виталия Гинзбурга, он, понимая это, вплотную занялся-таки проблемой ВТСП уже в 1964 году, всего через несколько лет после создания теории БКШ. В 1987 году Нобелевская премия была вручена двум швейцарским сотрудникам компании IBM Джорджу Беднортцу и Алексу Мюллеру. Опираясь на монографию "Высокотемпературная сверхпроводимость" Виталия Гинзбурга и группы его сотрудников, единственный труд, опубликованный к тому времени по этой проблеме, и предположив, что сверхпроводник не обязательно должен быть проводником при обычных условиях (например, при комнатной температуре и нормальном давлении он может быть и диэлектриком), они синтезировали материал, положивший начало целому ряду высокотемпературных сверхпроводников. Сверхпроводимость достигалась при 35шК, а всего через год был преодолен так называемый азотный барьер (азот переходит в жидкое состояние при 77oК, или -196oC, и потому на порядок дешевле жидкого гелия) - удалось создать материал с температурой сверхпроводимости 80-90oК.

Сегодня идеи Гинзбурга, развитые в работах Абрикосова, как никогда близки к реализации, и поэтому решение Нобелевского комитета действительно можно считать вполне конъюнктурным. С 1994 года, когда был синтезирован материал с температурой сверхпроводимости 164oК (или всего -109oC), выросла целая индустрия, зарабатывающая на этом явлении. "Я не был бы особенно удивлен, если бы к 2011 году уже были созданы комнатно-температурные сверхпроводники. Это, конечно, кажется не больше чем мечтой, но ведь таким же было положение до 1986 года в отношении ВТСП", - считает Гинзбург.

К "своевременной" нобелевской оценке своего творчества Виталий Лазаревич относится с черным юмором. На вопрос, что дала ему Нобелевская премия, он ответил так: "Теперь я наверняка буду похоронен на Новодевичьем кладбище, и моей жене не придется переться черт знает куда, чтобы навестить мою могилку".