100 великих научных достижений России
Шрифт:
К БКШ и к теории Гинзбурга – Ландау «приложил руку» академик Л.П. Горьков, разработав микроскопическое описание теории сверхпроводимости на основе математического аппарата функции Грина.
Между макроскопическим и микроскопическим подходами существенная разница. Согласно определению Боголюбова, «задачей макроскопической теории является получение уравнений типа классических уравнений математической физики, которые отображали бы всю совокупность экспериментальных фактов, относящихся к изучаемым макроскопическим объектам… В микроскопической теории ставится более глубокая задача, заключающаяся в том, чтобы понять внутренний механизм явления, исходя из законов квантовой механики. При этом, в частности, надлежит получить также те связи
Применив к теории Гинзбурга – Ландау микроскопическое описание и заменив волновую функцию фазоволновой, А.А. Абрикосов придал теории сверхпроводимости более общий вид, что позволило применять ее для описания сверхтекучих жидкостей.
Сегодня появление сверхпроводимости объясняется образованием т. н. куперовских пар – системы частиц в электронном газе, обладающей свойствами двух электронов с противоположенными спинами. Энергия электрона, переносящего заряд, при этом уменьшается на порядки, и электрон перестает взаимодействовать с другими частицами в веществе.
С 1950 г. стали заниматься высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП) в неметаллических системах. В СССР теорию ВТСП разрабатывал академик В.Л. Гинзбург. Интерес к этой теории был вызван возможностью использования хладагентов с более высокой температурой кипения, чем у жидкого гелия. С открытием в 1986 г. нового класса СП с более высокими критическими температурами (керамические материалы) к этим работам было приковано внимание не только научного, но и бизнес-сообщества, поскольку применение жидкого азота на несколько порядков удешевляло любую конструкцию, использующую СП, и обещало резко сократить потери в современных воздушных линиях электропередач и на преобразования тока, достигавшие четверти передаваемой энергии.
Сегодня сверхпроводимость нашла широчайшее применение в магнитных системах различного назначения и в электрических машинах (турбогенераторах, электродвигателях, жестких и гибких кабелях, коммутационных устройствах, магнитных сепараторах и т. п.).
Многожильные СП и сверхпроводящие катушки используются для пузырьковых водородных камер, крупных ускорителей элементарных частиц, всевозможных устройств измерения температур и давлений, расходов и уровней. Широкое применение сверхпроводящие магниты нашли в медицине (ЯМР-томографы). Создаются изделия на основе ВТСП, применяемые в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. Строятся уникальные электромагнитные системы. Так, например, в 1986 г. в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля. Помимо прочих выигрышей, применение сверхпроводимости позволяет в несколько раз уменьшать массу и габариты машин (тех же турбогенераторов) при сохранении мощности.
Разрабатываются электронакопительные системы на сверхпроводящих магнитах для регулирования пиковых нагрузок в больших электросетях, что позволяет обеспечить безопасность электроснабжения отдельных предприятий и города.
За рубежом ведутся разработки опытных образцов железной дороги со сверхпроводящей металлокерамической магнитной подвеской, охлаждаемой жидким азотом. В Японии в 2005 г. был испытан поезд, использующий ВТСП-магниты. Поезд развил скорость более 500 км/ч.
Для создания магнитных полей в большом андронном коллайдере используются электромагнитные катушки со сверхпроводниковой обмоткой…
Практическое применение сверхтекучести при комнатных температурах – дело отдаленной перспективы, хотя уже появились работы, обещающие успех и в этом направлении. Во всяком случае, ожидания специалистов радужны. Они уверяют, что это позволит передавать электричество без потерь; создать масло, которое сделает двигатели «вечными» (неизнашиваемыми); струей жидкости, как лазером, резать сталь и т. п.
МАЗЕР –
В 1964 г. два русских профессора – А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и американский профессор Ч. Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике – «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера». Директор Института общей физики АН СССР, академик-секретарь отделения общей физики и астрономии АН СССР (РАН), создатель школы физиков, Александр Михайлович Прохоров (1916–2002) занимался исследованиями в области радиофизики, физики ускорителей, радиоспектроскопии, квантовой электроники и ее приложений, линейной оптики. Директор Физического института АН СССР, член президиума АН СССР (РАН) Николай Геннадьевич Басов (1922–2001) известен фундаментальными работами в области генераторов и усилителей, а также использования лазерной техники в термоядерном синтезе. Прохоров и Басов – почетные члены многих зарубежных академий, лауреаты Ленинской и Государственной премий, пятикратные кавалеры орденов Ленина и других отечественных и зарубежных наград, дважды Герои Социалистического Труда.
Многие выпускники школ, успешно сдавшие ЕГЭ, при поступлении в вузы на вопрос «Кто изобрел лазеры?» отвечают: «Лазер». Про мазеры после этого у них не спрашивают. А ведь квантовый генератор – из разряда изобретений, что и космическая ракета или радио.
Н.Г. Басов, Ч. Таунс и А.М. Прохоров
Между тремя шедеврами русской культуры: Шуховской башней, романом «Гиперболоид инженера Гарина» и «мазером – лазером» прослеживается прямая связь. Гиперболоид В.Г. Шухова (башня на Шаболовке) настолько потряс воображение А.Н. Толстого, что герой его романа назвал свое изобретение также «гиперболоидом». А за ним и весь читающий народ дал квантовому генератору такое же имя – «гиперболоид Гарина». Да и научное сообщество было с ним солидарно: «Игольчатые пучки атомных радиостанций представляют собой своеобразную реализацию идей “гиперболоида инженера Гарина”» (академик Л.А. Арцимович).
Мазер – это квантовый генератор, излучающий когерентные (согласованные) радиоволны, аббревиатура фразы «microwave amplification by stimulated emission of radiation» («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), предложенной в 1954 г. американцем Ч. Таунсом. Лазер соответственно – «light amplification by stimulated emission of radiation», означающей «усиление света в результате вынужденного излучения».
В основе работы лазера лежит принцип индуцированного излучения, изучением которого в начале XX в. занимался А. Эйнштейн. Высказав гипотезу о том, что энергия света состоит из квантов, которые испускаются атомами и атомными системами при их переходах из одного энергетического состояния в другое, ученый показал, что можно согласовать вспышки излучения отдельных атомов, воздействуя на них внешним электромагнитным излучением, которое может сопровождаться при этом ослепительно яркой вспышкой монохроматического (то есть одной длины волны) света.
В 1920 г. немецкий физик О. Штерн ввел в экспериментальную физику метод молекулярных пучков. Тогда же были разработаны теоретические представления о процессах излучения и поглощения света.
В 1939 г. советский ученый В.А. Фабрикант развил понятие вынужденного излучения, чем заложил фундамент для создания лазера. Во время Второй мировой войны в связи с проблемами радиолокации развилась техника сверхвысоких радиочастот. Объединение научных идей с широким использованием волн сверхвысокочастотного диапазона привело к построению теории излучения и поглощения света, созданию первого лазера и к основанию квантовой электроники как новой физической науки.