Квант. Путеводитель для запутавшихся

Однажды, ближе к концу моего пребывания в университете, я обсуждал кое-что со своим коллегой Грегерсом Хансеном у него в кабинете. Грегерс – один из ведущих ядерных физиков, он родился в Дании, но живет и работает в США. Он был одним из первооткрывателей нейтронного облака, которое я описал в Главе 3. Я заметил, как мерцает экран его монитора, и он объяснил, что ему пришлось «размагнитить» его, чтобы нейтрализовать лишние магнитные поля. Для удобства проведения этой процедуры на мониторе даже была специальная кнопка. Я спросил, зачем это необходимо, и он ответил, что всему виной проводящиеся на циклотроне испытания. Увидев, что это мне ни о чем не сказало, он пояснил, что проблема возникает из-за магнитного поля большего из двух сверхпроводящих магнитов, которые были включены в тот день. Когда я признался, что никогда его не видел, он не поверил своим ушам. «То есть ты шесть недель просидел в несчастных десяти метрах от самого мощного циклотронного магнита в мире[68] и даже не заметил этого?» На следующий день – в последний день моей командировки – он провел мне экскурсию по лаборатории. Само собой, за стеной моего офиса и несколькими метрами сдерживающего радиацию экрана, находился гигантский магнит – он был таким огромным, что нам пришлось подняться по проложенной вокруг него лестнице, чтобы попасть на вершину. После этого мне повезло провести некоторое время в лаборатории TRIUMF в Ванкувере, где находится крупнейший в мире циклотронный магнит, по мощности, однако, уступающий магниту Университета штата Мичиган.

Интересно, как именно работают такие магниты, поскольку они находят применение другому чисто квантовому эффекту – сверхпроводимости.

Непрерывное электричество

Причина, по которой все проводники демонстрируют электрическое сопротивление, заключается в том, что проводящие электроны постоянно натыкаются на вибрирующие атомы металла. Эти вибрации усиливаются при нагревании металла, тем самым увеличивая сопротивление. Конечно же, охлаждая металл, мы понижаем атомные вибрации, а следовательно, и сопротивление. Но в 1911 году был открыт очень неожиданный эффект.

При охлаждении ртути до температуры ниже 4,2 Кельвина[69] ее электрическое сопротивление вдруг падает до нуля, и она становится сверхпроводником. Теперь мы знаем, что это характерно для многих металлов и металлических сплавов при охлаждении ниже их критической температуры, которая обычно бывает на несколько градусов выше абсолютного ноля. Это означает, что идущий сквозь сверхпроводник ток никогда не уменьшается и не требует постоянного источника напряжения. Хотя мы не можем утверждать наверняка, что сопротивление сверхпроводника равняется именно нулю, оно настолько близко к нулю, что уже не представляет проблемы.

Истоки этого эффекта лежат в квантовой механике. В 1957 году трое ученых – Джон Бардин, уже становившийся лауреатом Нобелевской премии за свой вклад в изобретение транзистора, Леон Купер и Роберт Шриффер – объяснили механизм его работы и получили Нобелевскую премию за это открытие. При определенной температуре электроны со сходными волновыми функциями стремятся к объединению в названные в честь одного из их первооткрывателей «куперовские пары», что объясняется очень слабой силой притяжения. Чтобы понять это, нужно посмотреть, как присутствие каждого электрона влияет на окружающую среду. (Не буду перегружать вас техническими деталями.)

Каждая куперовская пара затем начинает вести себя как единичный бозон (два фермиона вместе всегда составляют бозон)[70]. Само собой, вам простительно думать, что электроны в этих куперовских парах движутся исключительно вместе, как сиамские близнецы. В конце концов, если они формируют бозон, он явно должен представлять собой нечто вроде новой «частицы». Однако не стоит забывать уроки квантовой физики. Двум электронам необязательно находиться в непосредственной близости друг к другу. В действительности расстояние между членами такой пары в тысячу раз больше среднего расстояния между двумя любыми отдельными электронами в материале! Мы считаем куперовскую пару запутанным состоянием, описываемым одной волновой функцией. Ее поведение в качестве единого бозона объясняется нелокальной связью электронов. Два электрона куперовской пары находятся в постоянном взаимодействии, как подростки, которые стоят в разных концах школьной площадки и болтают друг с другом по мобильным телефонам, что не является квантовым эффектом, но точно весьма странно!

Наконец, электрического сопротивления нет, поскольку для его наличия одному из двух электронов нужно столкнуться с атомом и отскочить от него с достаточной силой, чтобы разбить пару. Следовательно, такое рассеяние должно быть весьма сильным. При очень низких температурах связь куперовских пар достаточно сильна, чтобы выдержать слабое атомное рассеяние, поэтому электроны пары просто не сталкиваются с атомами и электрического сопротивления не возникает.