Вблизи абсолютного нуля - Смагин Борис Иванович (бесплатные онлайн книги читаем полные .txt) 📗
Ученые изучают тут поведение различных веществ в необычных условиях сверххолода. Ведь еще не все изучено, еще не все ученые поняли.
Вот, например, металлы. Раньше считали, что сверхпроводимость наступает отнюдь не у всех, что это удел избранных.
А вдруг оказалось, что очень чистые металлы, раньше никакими странностями не отличавшиеся, тоже становятся сверхпроводниками. Надо только как следует очистить их от примесей.
В криостатах залит жидкий гелий. Но температуры, при которой он появляется — конденсируется, исследователям мало. Поэтому с жидким гелием производят различные манипуляции, чтобы температура упала еще ниже. Один градус, десятые, даже сотые доли градуса Кельвина — вот с каким «холодом» имеют дело ученые.
Жидкий гелий производят тут же, на месте. И жидкий азот в институте также готовят сами.
Две фабрики жидких газов расположены рядом. Азот появляется, как обычно, в ректификационной колонне. А жидкий гелий получают из привозного газа. Большие газовые баллоны, затем компрессоры, и газ под давлением попадает в турбодетандер.
Сорок литров жидкого гелия в час — продукция этого «завода».
Жидкого азота нужно, конечно, больше. Чтобы сохранить подольше температуру гелия, надо оградить его жидким газом. Вообще говоря, можно использовать водород. Но мы знаем про коварство этого вещества. Водород легко взрывается. Работа с жидким водородом требует различных предосторожностей.
Другое дело — жидкий азот. Вот он покоится в большом металлическом дьюаре. Правда, с виду и азот ведет себя беспокойно: кипит на воздухе. Небольшие струйки пара вырываются наружу. Но это никого не пугает.
Выплеснем из дьюара немного жидкости. Смешные шарики покатились по полу. И через секунду испарились. Жидким азотом брызнем на руку. Ничего страшного не произойдет! Мимолетный небольшой ожог, как будто легонько прошлись по руке крапивой.
От тепла человеческого тела жидкий азот мгновенно вскипает. И серьезных неприятностей причинить не может. Правда, особенно зевать не надо. Все-таки температура почти что минус 200 градусов!
Криостаты, в которых ученые добиваются встречи с абсолютным нулем, на вид довольно простые. В большом дьюаре — жидкий азот. Внутри его дьюар меньшего размера. В нем — жидкий гелий. От этого дьюара тянутся трубы насосов. Если откачивать жидкий гелий, можно еще сильнее понизить температуру. Ведь и в этом случае самые быстрые молекулы улетучатся. Значит, жидкость станет еще холоднее. Так и добираются ученые до десятых долей градуса. То есть к самому-самому абсолютному нулю.
На одной из установок нас встретил твердый гелий.
У атомов гелия также есть две разновидности — два изотопа. Они называются гелий-3 и гелий-4 (Не-3 и Не-4). Цифры 3 и 4 означают, что атом гелия в три или четыре раза тяжелее атома самого легкого элемента — водорода. Гелий-3 начали изучать совсем недавно. Толком узнали его лишь за последние десять лет. Он оказался куда «покладистее» обычного изотопа — гелия-4. Например, легко замерзает, превращается в твердое тело. Сверхтекучести в нем нет. Кроме того, этот редкий изотоп отличается еще рядом особенных свойств. Вот почему ученые рьяно взялись за изучение именно гелия-3.
В окуляры зрительной трубы видна небольшая трубочка. Там две линии перехода. Две потому, что внизу расположен гелий-4, а сверху него немного жидкого гелия-3. Они замерзают при разных температурах.
Температура понижается. И вот жидкость мутнеет. Это кристаллики твердого гелия заполнили трубку. Температура поднялась, снова перед глазами жидкость.
Как-то странно себя чувствуешь, когда вот тут, рядом с тобой, расположены такие сказочно низкие температуры. А представьте себе, что этот холод вдруг выскочит из своего помещения, из криостата, и ринется в комнату. Даже страшно подумать! Мигом все бы обледенело. Ни одного живого существа не осталось бы вокруг!
Когда-то давно ученые стремились получить очень низкие температуры, добраться до них. Теперь это не проблема. Теперь они хорошо умеют это делать. И уже используют сверххолод для того, чтобы получше изучить строение вещества. Ведь в сверххолоде и разыгрываются странные процессы и некоторые свойства веществ проявляются особенно ярко.
Скорости движения молекул малы, и самые сокровенные действия их становятся открытиями. Тут изучают и электрические свойства вещества, и магнитные. Добираются даже до атомных ядер. С ними тоже происходят различные интересные превращения, когда вещество попадает в непосредственную близость к абсолютному нулю. И каждый раз ученые обнаруживают еще что-то интересное, что-то полезное. Сверххолод уже принес людям очень много добра. В его присутствии осуществляются порой самые смелые фантазии. Взять хотя бы эту.
Сверххолод и тепловой луч
Сверххолод и сверхжара. Температура, при которой замерзает все живое и почти все неживое. И вдруг из этих чертогов Снежной Королевы летит тонкий луч, для которого нет никаких преград, луч, сжигающий все на своем пути.
Помните, в замечательной повести Алексея Толстого два человека рассматривают металлическую доску, на которой прожжены слова: «Инженер Гарин… проба»…
Гиперболоид инженера Гарина? Да, это сделал инженер Гарин — изобретатель, решивший стать Владыкой Мира.
Прибор, о котором мы расскажем, в принципе другой. Но внешне они похожи. Гиперболоид, придуманный писателем Алексеем Толстым, и лазер, рожденный советскими учеными Басовым и Прохоровым, получившими недавно за эту работу звание лауреатов Ленинской премии. Скоро подобные «гиперболоиды» пойдут на заводы, займут место на космических кораблях и далеких маяках межпланетных и межзвездных трасс. Многие из них наденут на себя чехол из сверххолода.
Десять лет тому назад ученым стало ясно, что этот аппарат совсем не выдумка досужего ума. Его можно и нужно сделать. Только, разумеется, совсем не для того, чтобы уничтожать, сжигать, душить. Созидательный труд — вот чем займутся световые лучи. Луч лазера уже сейчас обрабатывает металлы и самые твердые материалы: режет, сваривает, сверлит тончайшие отверстия. В будущем световой луч, собранный в тонкий пучок, полетит на миллиарды километров не ослабевая, придет к месту назначения таким же, каким и вышел. Космическая связь, связь на Земле, может быть, передача на расстоянии энергии — без проводов, без потерь!
Как же это все происходит? И при чем здесь абсолютный нуль?
С первых страниц этой книги мы уже не раз говорили, что Природа наполнила все тела энергией. Но сделала это весьма осторожно. Запасов энергии у тела хоть отбавляй. А вот отдать ее оно может далеко не всегда. Кладовых вокруг нас много. Но вот попробуйте открыть их. Замки — невероятно хитрые, ключи потеряны, у дверей поставлены могучие часовые.
Но человек и умнее и сильнее этих стражей. Так постепенно открываются заветные двери, освобождается веками скрытая энергия.
Сначала люди научились получать энергию, сжигая горючие вещества. При этом мы пользуемся лишь крошечной частицей энергии, скрытой в них. Затем добрались до энергии атомной, термоядерной. А на очереди еще много других «отсеков» кладовой энергии, заполненных еще богаче, еще больше.
И молекулы и атомы обмениваются энергией, передают ее только определенными порциями — квантами. Мы помним, что это один из главных законов «странного» микромира — мира мельчайших частичек. Молекулы как бы напоминают сосуд с черточками на стенках. Можно доливать сосуд только до определенной черты. Мало нальешь — он запросит еще, много нальешь — как только представится возможность, сосуд избавится от лишнего. «Содержимое» сосуда — это энергия. Ученые говорят так: каждой черточке соответствует определенный запас энергии молекулы. Молекула может переходить из одного состояния в другое. В этом случае она или отдает энергию или получает ее. Иногда эта энергия может излучаться в виде квантов, например, всем известного тепла. Именно так Солнце обогревает Землю. А иногда молекулы могут отдавать энергию радиоволнами.
