69. Ртуть практически ноль

Лейден, 8 апреля 1911 года. В начале двенадцатого в стеклянный сосуд с ртутью, залитой в тонкие трубочки, пошёл жидкий гелий, который тогда умели делать только здесь. Ровно в четыре часа дня Хейке Камерлинг-Оннес записал карандашом в маленькую хозяйственную тетрадку три голландских слова: «Kwik nagenoeg nul». Ртуть практически ноль. Замёрзший металл, охлаждённый примерно до трёх градусов над абсолютным нулём, дном температурной шкалы, почти перестал сопротивляться току.

Писал Оннес, но смотрели многие. Сопротивление мерил студент Жиль Холст, за температурой следил Корнелис Дорсман, а технику и стекло готовили мастера лаборатории. Физики тогда спорили, что станет с металлом на сильном холоде: сопротивление плавно сползёт к нулю или, наоборот, вырастет, потому что электроны замёрзнут на месте. Ответ оказался третьим, и разглядели его не сразу: кривую с резким обрывом группа показала только осенью. Позже это назовут сверхпроводимостью.

В тот же день в той же комнате случилось и второе. Когда гелий охладили ещё сильнее, он вдруг перестал кипеть и начал тихо убывать на глазах, без единого пузыря. Это было явление той же породы, сверхтекучесть: в таком состоянии гелий течёт сквозь тончайшие щели без всякого трения. Его не узнали, и имя оно получило только в конце тридцатых.

Ртуть в трубочках — такой же металл, как медь: строй положительных ионов и море электронов, которых атомы отпустили гулять по всему куску. Обычное сопротивление в нём, как и в меди, принадлежит не электрону, а испорченному строю, о который спотыкается море. Нет у одного электрона и отсутствия сопротивления. Оба свойства живут только у толпы. Такие толпы уже встречались, от стакана воды до мировых рынков, но там каждый суетился по-своему. В холодной ртути толпа сливается в одну волну.

Как это устроено, Бардин, Купер и Шриффер объяснили через сорок шесть лет после Лейдена. Оннес до этого не дожил. Электрон, пролетая сквозь решётку, слегка стягивает к себе положительные ионы, и это сгущение притягивает второй электрон. Так электроны сцепляются в пары. Пара не похожа на маленькую молекулу: в алюминии она раскинута на пять тысяч атомов в ряд, и в её объёме помещается около миллиона других пар. Это как танцоры, которые держатся за руки через весь зал, а между ними кружится миллион таких же пар. Разобрать такой танец на отдельные пары нельзя: зал танцует весь сразу, в одном ритме, и этот ритм — одна волна на весь кусок металла.

Отсюда ток без потерь. Чтобы ток слабел, пары должны сбиваться с шага по одной, а выбить пару из общего ритма можно только порцией энергии не меньше некоторого порога. Мелкие толчки тепла и примесей до порога не дотягивают, и строй их не замечает. В начале шестидесятых Файл и Миллс запустили ток по сверхпроводящей катушке и не увидели никакого спада. По их оценке, ослабнуть почти втрое такой ток мог бы не раньше чем через сто тысяч лет, а столько прошло с тех пор, как по Европе бродили неандертальцы. Вечным его не назовёшь: он живёт, только пока металл холоден, а ток и поле не слишком сильны.

Сверхпроводник к тому же выталкивает из себя магнитное поле. По его поверхности сами собой бегут токи, и их поле гасит внешнее внутри металла, поэтому кусочек холодной керамики может парить над магнитом. Проводник, у которого просто пропало сопротивление, так не умел бы: поле, пронизывавшее его до охлаждения, в нём бы застыло. Значит, сверхпроводник — отдельное состояние вещества, как лёд рядом с водой, а не просто очень хороший провод.

Кристалл населён и другими жителями, которых нет в таблице элементарных частиц. Один из них, дырка, уже знаком по главе о металле. Другие появляются, если электроны зажать в тончайший слой, охладить почти до абсолютного нуля и придавить сильным магнитным полем: по слою бегут волнения, которые ведут себя как частицы с третью заряда электрона. Этот заряд измерили напрямую, по тому, как шумит ток. Свободной частицы с таким зарядом никто не видел, и ни один электрон на трети не раскололся: заряд третями носит только коллектив. В родственном опыте грязные, непохожие друг на друга образцы в разных странах дают одно и то же сопротивление так точно, что на нём теперь держится эталон ома. Целое оказывается точнее любой своей части.

Понято не всё. В середине восьмидесятых нашли керамики, которые теряют сопротивление при куда более высокой температуре, и что склеивает пары в них, спорят до сих пор. Заявления о сверхпроводимости при комнатной температуре не подтвердились. При обычном давлении даже лучшим сверхпроводникам нужен холод, какого не бывает нигде на поверхности Земли, даже в самый морозный день в Антарктиде.

Квантовое здесь не значит маленькое: волна, которая обычно живёт внутри одного атома, тут раскинута на метры. В томографе сверхпроводящий ток кружит по катушке, внутрь которой кладут человека. Сотни сверхпроводящих колец в шлеме, похожем на парикмахерский фен, слушают магнитное поле работающего мозга. Оно в полмиллиарда раз слабее поля, которое поворачивает стрелку компаса. Природа обходится и без нас: в двух железных метеоритах нашли крупинки сплавов индия, олова и свинца, которые становятся сверхпроводниками, если их охладить до нескольких градусов над абсолютным нулём.

Одна ветка уходит отсюда в космос, потому что электронам тесно: двум нельзя занять одно и то же место, и эта теснота, от которой общие электроны меди носятся даже на морозе, давит без всякого тепла. Когда звезда вроде Солнца догорает, именно теснота держит белый карлик, тело массой почти с Солнце и размером с Землю. В нейтронных звёздах, по ведущей гипотезе, есть и сверхтекучая жидкость из нейтронов, с которой связывают внезапные скачки вращения пульсаров. Есть и петля вниз, в физику частиц: внутри сверхпроводника поле ведёт себя так, будто у света появилась масса, и тем же приёмом объясняют массу некоторых элементарных частиц.

Бардин, соавтор первого транзистора, за сверхпроводимость получил вторую Нобелевскую премию по физике, и больше ни у кого двух таких нет. Но транзистору холод не нужен: ему хватает электронов и дырок в тёплом кремнии. Из двух открытий Бардина в кармане носят только одно.