"Vairogi uz augšu!" - šis ir pirmais pasūtījums, kas nebeidzamajā seriālā “Star Trek” savai ekipāžai piešķir skarbu balsi kapteinim Kirkam; Paklausot rīkojumu, apkalpe ieslēdz spēka laukus, kas paredzēti, lai aizsargātu kosmosa kuģi "Enterprise" no ienaidnieka uguns.
Star Trek sižetā spēka lauki ir tik svarīgi, ka to stāvoklis var labi noteikt kaujas iznākumu. Tiklīdz spēka lauka enerģija ir izsmelta un uzņēmuma korpuss sāk saņemt sitienus, jo tālāk, jo vairāk drupināšanas; galu galā sakāve kļūst neizbēgama.
Kas ir aizsargājoša spēka lauks? Zinātniskajā fantastikā tā ir maldinoši vienkārša lieta: plāna, neredzama, bet necaurlaidīga barjera, kas vienlīdz viegli spēj atspoguļot lāzera starus un raķetes. No pirmā acu uzmetiena spēka lauks šķiet tik vienkāršs, ka uz tā balstīto kaujas vairogu izveide - un drīz vien - šķiet neizbēgama. Jūs domājat, ka ne šodien, ne rīt kāds uzņēmīgs izgudrotājs paziņos, ka viņam ir izdevies iegūt aizsargājoša spēka lauku. Bet patiesība ir daudz sarežģītāka.
Tāpat kā Edisona spuldze, kas radikāli mainīja mūsdienu civilizāciju, spēka lauks bez izņēmuma var dziļi ietekmēt visus mūsu dzīves aspektus. Militāristi izmantotu spēka lauku, lai kļūtu neievainojami, uz tā pamata izveidojot necaurlaidīgu vairogu no ienaidnieka raķetēm un lodes. Teorētiski ar pogas pieskārienu varētu izveidot tiltus, krāšņas šosejas un ceļus. Visas pilsētas varētu parādīties tuksnesī it kā ar maģiju; viss tajos, līdz pat debesskrāpjiem, tiktu būvēts tikai no spēka laukiem. Spēka lauka kupoli virs pilsētām ļautu to iedzīvotājiem patvaļīgi kontrolēt laika apstākļus - vētru vēju, sniega vētru, viesuļvētru. Zem droša spēka lauka nojumes pilsētas varēja būvēt pat okeānu apakšā. No stikla, tērauda un betona varētu pilnībā atteikties,visu celtniecības materiālu aizstāšana ar spēka laukiem.
Bet dīvainā kārtā spēka lauks izrādās viena no tām parādībām, kuras ir ārkārtīgi grūti reproducēt laboratorijā. Daži fiziķi pat uzskata, ka to nemainīs vispār, nemainot tā īpašības.
Maikls Faraday
Fiziskā lauka jēdziens cēlies no lielā 19. gadsimta britu zinātnieka darbiem. Maikls Faraday.
Reklāmas video:
Faraday vecāki piederēja strādnieku šķirai (viņa tēvs bija kalējs). Viņš pats 1800. gadu sākumā. bija grāmatspraukstes māceklis un parādīja diezgan nožēlojamu eksistenci. Bet jauno Faraday fascinēja nesenais milzīgais sasniegums zinātnē - divu jaunu spēku - elektrības un magnētisma - noslēpumaino īpašību atklāšana. Viņš ar nepacietību apņēma visu viņam pieejamo informāciju par šiem jautājumiem un apmeklēja Londonas Karaliskā institūta profesora Humphrey Davy lekcijas.
Profesors Deivids neveiksmīga ķīmiskā eksperimenta laikā nopietni ievainoja acis; bija vajadzīgs sekretārs, un viņš ieņēma Faraday šajā amatā. Pamazām jauneklis ieguva zinātnieku uzticību Karaliskajai institūcijai un varēja veikt pats svarīgus eksperimentus, kaut arī viņam bieži nācās paciest noraidošu attieksmi. Gadu gaitā profesors Deivijs arvien greizsirdīgāks kļuva par sava talantīgā jaunā palīga panākumiem, kuru sākotnēji eksperimentālajās aprindās uzskatīja par uzlecošu zvaigzni un laika gaitā aizēnoja paša Deivija slavu. Tikai pēc Deivisa nāves 1829. gadā Faraday saņēma zinātnisku brīvību un veica virkni satriecošu atklājumu. Viņu rezultāts bija tādu elektrisko ģeneratoru izveidošana, kas piegādāja enerģiju veselām pilsētām un mainīja pasaules civilizācijas gaitu.
Faradejas lielāko atklājumu atslēga bija spēka jeb fiziskie lauki. Ja jūs novietojat dzelzs šķēres virs magnēta un to sakrata, izrādās, ka zāģu skaidas iekļaujas rakstā, kas atgādina zirnekļtīklu un aizņem visu vietu ap magnētu. "Tīkla pavedieni" ir Faraday spēka līnijas. Tie skaidri parāda, kā elektriskie un magnētiskie lauki tiek izplatīti telpā. Piemēram, ja jūs grafiski attēlojat Zemes magnētisko lauku, jūs redzēsit, ka līnijas rodas kaut kur Ziemeļpola apgabalā, un pēc tam atgriežas un atkal nonāk zemē Dienvidpola apgabalā. Tāpat, ja pērkona negaisa laikā attēlo zibens elektriskā lauka spēka līnijas, izrādās, ka tās saplūst zibens galā.
Tukšā vieta Faraday nebija tukša; to piepildīja spēka līnijas, kas varēja attālinātus objektus likt kustēties.
(Faraday nabadzīgā jaunatne neļāva viņam iegūt formālu izglītību, un viņam praktiski nebija zināšanu par matemātiku; rezultātā piezīmju grāmatiņas nebija piepildītas ar vienādojumiem un formulām, bet ar roku zīmētām lauka līniju diagrammām. Ironiski, ka tieši matemātiskās izglītības trūkums lika viņam izveidot lieliskas diagrammas. spēka līnijas, kuras mūsdienās var redzēt jebkurā fizikas mācību grāmatā. Fiziskais attēls zinātnē bieži ir daudz svarīgāks nekā matemātiskais aparāts, ko izmanto tā aprakstīšanai.)
Vēsturnieki ir izvirzījuši daudzus pieņēmumus par to, kas tieši noveda Faraday uz fizisko lauku atklāšanu - vienu no vissvarīgākajiem jēdzieniem visas pasaules zinātnes vēsturē. Faktiski visa mūsdienu fizika bez izņēmumiem ir uzrakstīta Faraday lauku valodā. 1831. gadā Faraday veica galveno atklājumu fizisko lauku jomā, kas uz visiem laikiem mainīja mūsu civilizāciju. Kādu dienu, pārnēsājot magnētu - bērna rotaļlietu - virs stieples rāmja, viņš pamanīja, ka rāmī tiek ģenerēta elektriskā strāva, kaut arī magnēts to neaiztika. Tas nozīmēja, ka magnēta neredzamais lauks var likt elektroniem pārvietoties no attāluma, radot strāvu.
Faraday spēka lauki, kas līdz šim brīdim tika uzskatīti par bezjēdzīgiem attēliem, kas ir dīkstāves fantāzijas auglis, izrādījās reāls materiālais spēks, kas spēj kustināt objektus un radīt enerģiju. Šodien mēs varam droši teikt, ka gaismas avotu, kuru izmantojat, lai lasītu šo lapu, darbina Faraday atklājumi elektromagnētikā. Vēršanās magnēts rada lauku, kas nospiež elektronus vadītājā un liek tiem kustēties, radot elektrisko strāvu, kuru pēc tam var izmantot, lai darbinātu spuldzi. Elektroenerģijas ģeneratori ir balstīti uz šo principu, nodrošinot enerģiju pilsētām visā pasaulē. Piemēram, ūdens straume, kas krīt no aizsprosta, liek griezties milzīgam turbīnas magnētam; magnēts nospiež elektronus vadā, veidojot elektrisko strāvu; strāva, savukārt,caur augstsprieguma vadiem plūst uz mūsu mājām.
Citiem vārdiem sakot, Maikla Faradeja spēka lauki ir tie paši spēki, kas virza mūsdienu civilizāciju, visas tās izpausmes - no elektriskām lokomotīvēm līdz jaunākajām skaitļošanas sistēmām, internetu un kabatas datoriem.
Pusotra gadsimta laikā Faraday fizikālie lauki ir iedvesmojuši turpmākus fiziķu pētījumus. Piemēram, Einšteinu ietekmēja tik spēcīgi, ka viņš formulēja savu smaguma teoriju fizisko lauku valodā. Faraday darbi atstāja spēcīgu iespaidu arī uz mani. Pirms vairākiem gadiem es veiksmīgi noformulēju stīgu teoriju Faraday fizisko lauku izteiksmē, tādējādi liekot pamatus stīgu lauka teorijai. Fizikā pateikt par kādu, ko viņš domā, izmantojot spēka līnijas, ir dot šai personai nopietnu komplimentu.
Četras pamata mijiedarbības
Viens no lielākajiem fizikas sasniegumiem pēdējos divos gadu tūkstošos ir četru veidu mijiedarbību identificēšana un definēšana, kas valda Visumā. Tos visus var aprakstīt to lauku valodā, kuriem Faraday esam parādā. Diemžēl tomēr nevienai no četrām sugām nav pilnīgas spēka īpašību, kas aprakstītas lielākajā daļā zinātniskās fantastikas grāmatu. Uzskaitīsim šos mijiedarbības veidus.
1. Smagums. Klusais spēks, kas neļauj mūsu kājām pamest atbalstu. Tas neļauj sagrūst Zemei un zvaigznēm, palīdz saglabāt Saules sistēmas un Galaktikas integritāti. Bez gravitācijas planētas vērpšana mūs izspiestu no Zemes un kosmosā 1000 jūdzes stundā. Problēma ir tā, ka gravitācijas īpašības ir tieši pretējas fantastisko spēka lauku īpašībām. Smagums ir pievilcības, nevis atgrūšanas spēks; tas ir ārkārtīgi vājš - relatīvi, protams; tas darbojas milzīgos, astronomiskos attālumos. Citiem vārdiem sakot, tas ir gandrīz tieši pretējs plakanai, plānai, necaurlaidīgai barjerai, ko var atrast gandrīz jebkurā zinātniskās fantastikas romānā vai filmā. Piemēram, spalvu līdz grīdai piesaista visa planēta - Zeme,bet mēs viegli varam pārvarēt Zemes gravitāciju un pacelt spalvu ar vienu pirkstu. Viena mūsu pirksta trieciens var pārvarēt visas planētas, kas sver vairāk nekā sešus triljonus kilogramus, smagumu.
2. Elektromagnētisms (EM). Spēks, kas apgaismo mūsu pilsētas. Lāzeri, radio, televīzija, mūsdienu elektronika, datori, internets, elektrība, magnētisms ir visas elektromagnētiskās mijiedarbības izpausmes sekas. Tas, iespējams, ir visnoderīgākais spēks, ko cilvēcei ir izdevies izmantot visā tās vēsturē. Atšķirībā no smaguma, tas var darboties gan pievilcībai, gan atgrūšanai. Tomēr tas nav piemērots spēka lauka lomai vairāku iemeslu dēļ. Pirmkārt, to var viegli neitralizēt. Piemēram, plastmasa vai jebkurš cits nevadošs materiāls var viegli iekļūt spēcīgā elektriskajā vai magnētiskajā laukā. Plastmasas gabals, kas izmests magnētiskajā laukā, brīvi lidos tieši caur to. Otrkārt, elektromagnētisms iedarbojas lielos attālumos, to nav viegli koncentrēt plaknē. EM mijiedarbības likumus apraksta Džeimsa Klerka Maksvela vienādojumi, un šķiet, ka spēka lauki nav šo vienādojumu risinājums.
3 un 4. Spēcīga un vāja kodolieroču mijiedarbība. Vāja mijiedarbība ir radioaktīvās sabrukšanas spēks, tas, kas uzsilda Zemes radioaktīvo kodolu. Šī jauda ir saistīta ar vulkānu izvirdumiem, zemestrīcēm un kontinentālo plašu dreifēšanu. Spēcīga mijiedarbība neļauj atomu kodoliem sagrūt; tas nodrošina enerģiju saulei un zvaigznēm un ir atbildīgs par Visuma apgaismošanu. Problēma ir tā, ka kodolenerģijas mijiedarbība darbojas tikai ļoti mazos attālumos, galvenokārt atoma kodolā. Tas ir tik cieši saistīts ar paša serdeņa īpašībām, ka to ir ārkārtīgi grūti kontrolēt. Pašlaik mēs zinām tikai divus veidus, kā ietekmēt šo mijiedarbību: mēs varam sadalīt subatomiskas daļiņas gabalos paātrinātājā vai detonēt atombumbu.
Kaut arī zinātniskās fantastikas aizsardzības lauki nepakļaujas zināmajiem fizikas likumiem, pastāv nepilnības, kas, iespējams, nākotnē ļaus radīt spēka lauku. Pirmkārt, iespējams, ir piektais fundamentālās mijiedarbības veids, kuru laboratorijā vēl neviens nav varējis redzēt. Var izrādīties, ka, piemēram, šī mijiedarbība darbojas tikai dažu collu attālumā no pēdas, nevis astronomiskos attālumos. (Tiesa, pirmie mēģinājumi atklāt piekto mijiedarbības veidu deva negatīvus rezultātus.)
Otrkārt, mēs varam iegūt plazmu, lai imitētu dažas spēka lauka īpašības. Plazma ir "ceturtais matērijas stāvoklis". Pirmie trīs mums pazīstamie matērijas stāvokļi ir cietie, šķidrā un gāzveida; tomēr visbiežākais vielas veids Visumā ir plazma: gāze, kas sastāv no jonizētiem atomiem. Atomi plazmā nav savienoti viens ar otru un tiem nav elektronu, un tāpēc tiem ir elektriskais lādiņš. Tos var viegli kontrolēt, izmantojot elektriskos un magnētiskos laukus.
Visuma redzamā viela lielākoties pastāv dažāda veida plazmas veidā; no tā veidojas saule, zvaigznes un starpzvaigžņu gāze. Parastā dzīvē mēs gandrīz nekad nesaskaramies ar plazmu, jo uz Zemes šī parādība ir reti sastopama; tomēr plazmu var redzēt. Viss, kas jums jādara, ir apskatīt zibens, sauli vai plazmas televizora ekrānu.
Plazmas logi
Kā minēts iepriekš, ja gāze tiek uzkarsēta līdz pietiekami augstai temperatūrai un tādējādi tiek iegūta plazma, tad, izmantojot magnētisko un elektrisko lauku, to būs iespējams noturēt un veidot. Piemēram, plazmu var veidot kā loksni vai loga stiklu. Turklāt šādu "plazmas logu" var izmantot kā starpsienu starp vakuumu un parasto gaisu. Principā šādā veidā būtu iespējams uzturēt gaisu kosmosa kuģa iekšienē, neļaujot tam izkļūt kosmosā; plazma šajā gadījumā veido ērtu caurspīdīgu apvalku, robežu starp atklāto telpu un kuģi.
Programmā Star Trek spēka lauks daļēji tiek izmantots, lai izolētu nodalījumu, kur atrodas mazais kosmosa atspole un no kurienes tas sākas no kosmosa. Un tas nav tikai gudrs triks, kā ietaupīt naudu uz rotājumiem; šādu caurspīdīgu neredzamu filmu var izveidot.
Plazmas logu 1995. gadā izgudroja fiziķis Edijs Gerškovičs Brukhāvenas Nacionālajā laboratorijā (Longailenda, Ņujorka). Šī ierīce tika izstrādāta citas problēmas risināšanas procesā - metālu metināšanas problēma, izmantojot elektronu staru. Metinātāja acetilēna deglis izkausē metālu ar karstas gāzes plūsmu un pēc tam savieno metāla gabalus. Ir zināms, ka elektronu stars var metināt metālus ātrāk, tīrāk un lētāk nekā parastās metināšanas metodes. Galvenā elektronu metināšanas metodes problēma ir tā, ka tā jāveic vakuumā. Šī prasība ir ļoti neērta, jo tā nozīmē vakuuma kameras uzbūvi - iespējams, visas telpas lielumu.
Lai atrisinātu šo problēmu, ārsts Gerškovičs izgudroja plazmas logu. Šī ierīce ir tikai 3 pēdas augsta un 1 pēdas diametrā; tas uzsilda gāzi līdz 6500 ° C temperatūrai un tādējādi izveido plazmu, kas nekavējoties nonāk elektriskā un magnētiskā lauka slazdā. Plazmas daļiņas, tāpat kā jebkuras gāzes daļiņas, rada spiedienu, kas neļauj gaisam iekļūt un piepildīt vakuuma kameru. (Lietojot plazmas logā, argons izstaro zilganu mirdzumu, tāpat kā spēka lauks Star Trek.)
Plazmas logs acīmredzami tiks plaši pielietots kosmosa rūpniecībā un rūpniecībā. Pat rūpniecībā mikromašīnai un sausai kodināšanai bieži nepieciešams vakuums, taču ražošanas procesā to izmantošana var būt ļoti dārga. Bet tagad, izgudrojot plazmas logu, vakuuma turēšana ar pogas nospiešanu kļūs vienkārša un lēta.
Bet vai plazmas logu var izmantot kā necaurlaidīgu vairogu? Vai tas aizsargās pret lielgabala šāvienu? Var iedomāties, kā nākotnē parādīsies plazmas logi ar daudz augstāku enerģiju un temperatūru, kas ir pietiekams, lai iztvaikotu tajā iekritušos priekšmetus. Bet, lai izveidotu reālistiskāku spēku ar zinātniskās fantastikas pazīmēm, būs nepieciešama vairāku tehnoloģiju daudzslāņu kombinācija. Katrs slānis pats par sevi nevar būt pietiekami stiprs, lai apturētu lielgabala lobīti, taču kopā pietiek ar vairākiem slāņiem.
Mēģināsim iedomāties šāda spēka lauka struktūru. Ārējais slānis, piemēram, plazmas logs ar uzlādi, tiek uzkarsēts līdz temperatūrai, kas ir pietiekama metālu iztvaikošanai. Otrais slānis varētu būt augstas enerģijas lāzera staru aizkars. Šāds tūkstošiem krustojošu lāzera staru aizkars radītu telpisku režģi, kas sildītu objektus, kas tam iet cauri, un tos efektīvi iztvaicētu. Vairāk par lāzeriem runāsim nākamajā nodaļā.
Turklāt aiz lāzera aizkara var iedomāties "oglekļa nanocauruļu" telpisko režģi - sīkas caurules, kas sastāv no atsevišķiem oglekļa atomiem un kuru sienas ir vienas atomu biezas. Tādējādi caurules ir daudz reizes spēcīgākas nekā tērauds. Pasaulē garākā oglekļa nanocaurule šobrīd ir tikai aptuveni 15 mm gara, taču mēs jau varam paredzēt dienu, kad varēsim izveidot patvaļīga oglekļa nanocaurules. Pieņemsim, ka telpisko tīklu var aust no oglekļa nanocaurulēm; šajā gadījumā mēs iegūstam īpaši izturīgu ekrānu, kas var atspoguļot lielāko daļu objektu. Šis ekrāns būs neredzams, jo katras atsevišķas nanocaurules biezums ir salīdzināms ar atomu, bet oglekļa nanocauruļu telpiskais tīkls pārsniegs jebkuru citu stiprības materiālu.
Tātad, mums ir iemesls uzskatīt, ka plazmas loga, lāzera aizkara un oglekļa nanocauruļu ekrāna kombinācija var kalpot par pamatu gandrīz neredzamas neredzamas sienas izveidošanai.
Bet pat šāds daudzslāņu vairogs neizdosies pierādīt visas īpašības, kuras zinātniskā fantastika piešķir spēka laukam. Tātad, tas būs caurspīdīgs, kas nozīmē, ka tas nevarēs apturēt lāzera staru. Cīņā ar lāzera lielgabaliem mūsu daudzslāņu vairogi būs bezjēdzīgi.
Lai apturētu lāzera staru, vairogam papildus iepriekšminētajam jābūt izteikti izteiktai "fotohromatiskajai" vai mainīgas caurspīdīguma īpašībai. Pašlaik saulesbriļļu ražošanā tiek izmantoti materiāli ar šādām īpašībām, kas var kļūt tumšāki, ja tiek pakļauti UV starojumam. Materiāla mainīga caurspīdība tiek panākta, izmantojot molekulas, kuras var pastāvēt vismaz divos stāvokļos. Vienā molekulu stāvoklī šāds materiāls ir caurspīdīgs. Bet UV starojuma ietekmē molekulas uzreiz mainās citā stāvoklī un materiāls zaudē caurspīdīgumu.
Varbūt kādu dienu mēs varēsim izmantot nanotehnoloģiju, lai iegūtu tādu vielu kā oglekļa nanocaurules un lāzera stara ietekmē var mainīt tās optiskās īpašības. Vairogs, kas izgatavots no šādas vielas, spēs apturēt ne tikai daļiņu plūsmu vai lielgabala čaulas, bet arī lāzera sitienu. Tomēr šobrīd nav tādu materiālu ar mainīgu caurspīdīgumu, kas var apturēt lāzera staru.
Magnētiskā levitācija
Zinātniskajā fantastikā spēka lauki papildus rentgenstaru ieroču triecieniem atdarina arī citu funkciju, proti, tie kalpo kā balsts, kas ļauj pārvarēt gravitācijas spēku. Atpakaļ uz nākotni Maikls Fokss brauc ar gaisa spilvenu vai peldošu dēli; šī lieta it visā atgādina pazīstamu skrituļdēli, tikai tā "brauc" pa gaisu, virs zemes virsmas. Fizikas likumi, kā mēs tos šodien pazīstam, neļauj ieviest šādu pretgravitācijas ierīci (kā mēs to redzēsim 10. nodaļā). Bet jūs varat iedomāties nākotnē izveidot citas ierīces - peldošus dēļus un peldošas automašīnas uz magnētiska spilvena; šīs mašīnas ļaus mums viegli pacelt un noturēt lielus priekšmetus. Nākotnē, ja "istabas temperatūras supravadītspēja" kļūs par pieejamu realitāti,cilvēks varēs pacelt objektus gaisā, izmantojot magnētisko lauku iespējas.
Ja mēs atnesam pastāvīgā magnēta ziemeļpolu uz tā paša magnēta otra ziemeļpolu, magnēti atgrūž viens otru. (Ja mēs pagriežam vienu no magnātiem un novirzīsim to ar tā dienvidu polu uz otra ziemeļpola, tiks piesaistīti divi magnēti.) Tas pats princips - lai tie paši magnētu stabi atgrūstos, var tikt izmantoti, lai paceltu no zemes milzīgus svarus. Vairākās valstīs jau tiek būvēti tehnoloģiski uzlaboti magnētiskās piekares vilcieni. Šādi vilcieni nepārvietojas gar sliedēm, bet pāri tiem minimālā attālumā; parastie magnēti tos notur svarā. Liekas, ka vilcieni peld gaisā un, pateicoties nulles berzei, var sasniegt rekordlielu ātrumu.
Pasaulē pirmā komerciālā automatizētā transporta sistēma uz magnētiskās balstiekārtas tika uzsākta 1984. gadā Lielbritānijas pilsētā Birmingemā. Tas savienoja starptautiskās lidostas termināli un tuvējo dzelzceļa staciju. Magnētiskās levitācijas vilcieni darbojas arī Vācijā, Japānā un Korejā, lai gan vairums nav paredzēti lieliem ātrumiem. Pirmais ātrgaitas komerciālās magnētiskās levitācijas vilciens ir sācis kursēt sliežu ceļa posmā Šanhajā; šis vilciens pārvietojas pa šoseju ar ātrumu līdz 431 km / h. Japānas maglev vilciens Jamanaši prefektūrā paātrinājās līdz ātrumam 581 km / h - tas ir, tas pārvietojās daudz ātrāk nekā parastie vilcieni uz riteņiem.
Bet magnētiski apturētās ierīces ir ārkārtīgi dārgas. Viens no veidiem, kā palielināt to efektivitāti, ir supravadītāju izmantošana, kas, atdzesējot līdz temperatūrai, kas ir tuvu absolūtajam nullei, pilnībā zaudē elektrisko pretestību. Supravadītspējas fenomenu 1911. gadā atklāja Heike Kamerling-Onnes. Tās būtība bija tāda, ka dažas vielas, atdzesētas līdz temperatūrai zem 20 K (20 ° virs absolūtās nulles), zaudē visu elektrisko pretestību. Parasti, atdzesējot metālu, tā elektriskā pretestība pakāpeniski samazinās. {Fakts ir tāds, ka izlases atomu vibrācijas traucē elektronu virziena maiņu vadītājā. Temperatūrai pazeminoties, izlases veida svārstību diapazons samazinās, un elektrībai ir mazāka pretestība.) Bet Kamerlings-Onnes, pēc savas izbrīnas, atrada.ka dažu materiālu pretestība noteiktā kritiskā temperatūrā strauji pazeminās līdz nullei.
Fiziķi nekavējoties saprata šī rezultāta nozīmi. Pārvades līnijās lielos attālumos tiek zaudēts ievērojams daudzums elektrības. Bet, ja pretestību varētu novērst, elektrību gandrīz neko nevar nodot jebkur. Kopumā slēgtā ķēdē ierosināta elektriskā strāva varētu cirkulēt tajā bez enerģijas zudumiem miljoniem gadu. Turklāt no šīm ārkārtas straumēm nebūtu grūti radīt neticamas jaudas magnētus. Un ar šādiem magnētiem bez pūlēm būtu iespējams pacelt milzīgas kravas.
Neskatoties uz supervadītāju brīnišķīgajām iespējām, to izmantošana ir ļoti grūta. Īpaši aukstu šķidrumu tvertnēs ir ļoti dārgi turēt lielus magnētus. Lai šķidrumi būtu auksti, būtu vajadzīgas milzīgas aukstuma rūpnīcas, kas palielinātu supervadošo magnētu izmaksas līdz augstiem debesīm un padarītu tos nerentablus.
Bet kādu dienu fiziķi var radīt vielu, kas saglabā supravadošas īpašības pat tad, ja to karsē līdz istabas temperatūrai. Supravadītspēja istabas temperatūrā ir cietvielu fiziķu svētais grāls. Šādu vielu ražošana, visticamāk, ir otrās rūpniecības revolūcijas sākums. Spēcīgi magnētiskie lauki, kas var turēt apturētās automašīnas un vilcienus, kļūs tik lēti, ka pat “slīdēšanas automašīnas” var būt ekonomiski izdevīgas. Ļoti iespējams, ka, izgudrojot supravadītājus, kas saglabā savas īpašības istabas temperatūrā, fantastiskās lidojošās mašīnas, kuras mēs redzam filmās “Atpakaļ nākotnē”, “Minoritāšu ziņojums” un “Zvaigžņu kari”, kļūs par realitāti.
Principā ir diezgan iedomājams, ka cilvēks varēs uzvilkt īpašu jostu, kas izgatavota no supravadošiem magnētiem, kas ļaus viņam brīvi levitēt virs zemes. Ar šādu jostu varēja lidot pa gaisu, piemēram, Supermens. Kopumā istabas temperatūras supravadītspēja ir tik ievērojama parādība, ka šādu supravadītāju izgudrošana un izmantošana ir aprakstīta daudzos zinātniskās fantastikas romānos (piemēram, romānu sērijās par Gredzenpasauli, ko Lerijs Nīvens izveidoja 1970. gadā).
Gadu desmitiem fiziķi neveiksmīgi meklēja vielas, kurām būtu supravadītspēja istabas temperatūrā. Tas bija nogurdinošs, garlaicīgs process - meklējot to ar izmēģinājumu un kļūdu, pārbaudot vienu materiālu pēc otra. Bet 1986. gadā tika atklāta jauna vielu klase, ko sauca par "augstas temperatūras supravadītājiem"; šīs vielas ieguva supravadītspēju temperatūrā 90 ° virs absolūtās nulles vai 90 K. Šis atklājums kļuva par īstu sensāciju fizikas pasaulē. Šķita, ka gaisa atslēga ir atvērusies. Mēnesi pēc mēneša fiziķi sacentās savā starpā, lai uzstādītu jaunu pasaules supravadītspējas rekordu. Kādu laiku pat šķita, ka supravadītspēja istabas temperatūrā drīz pazūd no zinātniskās fantastikas romānu lapām un kļūst par realitāti. Bet pēc vairāku gadu straujas attīstības pētījumi augstas temperatūras supravadītāju jomā sāka palēnināties.
Pašlaik pasaules rekords augstas temperatūras supravadītājiem pieder šai vielai, kas ir komplekss vara, kalcija, bārija, tallija un dzīvsudraba oksīds, kas kļūst par supravadītspējīgu 138 K (-135 ° C) temperatūrā. Šī samērā augstā temperatūra joprojām ir ļoti tālu no istabas temperatūras. Bet tas ir arī svarīgs pavērsiens. Slāpeklis kļūst šķidrs 77 K temperatūrā, un šķidrais slāpeklis maksā apmēram tikpat, cik parasts piens. Tāpēc augstas temperatūras supravadītāju dzesēšanai var izmantot parasto šķidro slāpekli, tas ir lēts. (Protams, supravadītājiem, kas paliek istabas temperatūrā, dzesēšana vispār nav nepieciešama.)
Vēl viena lieta ir nepatīkama. Pašlaik nav teorijas, kas izskaidrotu augstas temperatūras supravadītāju īpašības. Turklāt uzņēmīgs fiziķis, kurš varēs izskaidrot, kā viņi strādā, saņems Nobela prēmiju. (Plaši pazīstamajos augstas temperatūras supravadītājos atomi tiek sakārtoti precīzi noteiktos slāņos. Daudzi fiziķi norāda, ka tieši keramikas materiāla slāņošana ļauj elektroniem brīvi pārvietoties katrā slānī, tādējādi radot supravadītspēju. Bet kā un kāpēc tas notiek, joprojām ir noslēpums.)
Zināšanu trūkums liek fiziķiem meklēt jaunus augstas temperatūras supervadītājus vecmodīgā veidā, izmantojot izmēģinājumu un kļūdu. Tas nozīmē, ka bēdīgi slaveno istabas temperatūras supravadītspēju var atklāt jebkurā laikā, rīt, gada laikā vai vispār nekad. Neviens nezina, kad tiks atrasta viela ar šādām īpašībām un vai tā vispār tiks atrasta.
Bet, ja supravadītāji tiek atklāti istabas temperatūrā, to atklāšana, iespējams, izraisīs milzīgu jaunu izgudrojumu un komerciālu pielietojumu vilni. Magnētiskie lauki, kas ir miljons reizes spēcīgāki par zemes magnētisko lauku (kas ir 0,5 gauss), var kļūt par parastu.
Vienu no īpašībām, kas piemīt visiem supravadītājiem, sauc par Meissnera efektu. Novietojot magnētu virs supravadītāja, magnēts lidinās gaisā, it kā to atbalstītu kāds neredzams spēks. [Meisnera efekta iemesls ir tāds, ka magnētam ir īpašība radīt savu "spoguļattēlu" supravadītāja iekšpusē, lai īstais magnēts un tā atspulgs sāk atgrūst viens otru. Vēl viens šī efekta grafiskais izskaidrojums ir tāds, ka supravadītājs nav caurlaidīgs pret magnētisko lauku. Tas veida izspiež magnētisko lauku. Tāpēc, ja jūs novietojat magnētu virs supravadītāja, saskaroties ar supravadītāju, magnēta spēka līnijas tiks izkropļotas. Šīs spēka līnijas virzīs magnētu uz augšu, izraisot tā kustību.)
Ja cilvēce iegūst iespēju izmantot Meisnera efektu, tad nākotnes šoseju var iedomāties ar šādas īpašas keramikas pārklājumu. Pēc tam ar magnētu palīdzību, kas novietoti uz mūsu jostas vai automašīnas apakšā, mēs varam maģiski lidināties virs ceļa un bez steigas un enerģijas zaudēšanas skriet uz savu galamērķi.
Meisnera efekts darbojas tikai ar magnētiskiem materiāliem, piemēram, metāliem, bet supravadošos magnētus var izmantot arī tādu nemagnētisku materiālu novirzīšanai, kas pazīstami kā paramagneti vai diamagneti. Šīs vielas pašas par sevi nav magnētiskas; viņi tos iegūst tikai ārēja magnētiskā lauka klātbūtnē un ietekmē. Paramagneti tiek piesaistīti ar ārēju magnētu, diamagneti tiek atgrūsti.
Piemēram, ūdens ir diamagnētisks. Tā kā visas dzīvās lietas ir izgatavotas no ūdens, arī tās var izkustēties jaudīga magnētiskā lauka klātbūtnē. Laukā, kura magnētiskā indukcija ir aptuveni 15 T (30 000 reizes jaudīgāka nekā Zemes magnētiskais lauks), zinātniekiem jau ir izdevies panākt mazu dzīvnieku, piemēram, varžu, pārvietošanos. Bet, ja supravadītspēja istabas temperatūrā kļūst par realitāti, lielus nemagnētiskus priekšmetus būs iespējams pacelt gaisā, izmantojot to diamagnētiskās īpašības.
Noslēgumā mēs atzīmējam, ka spēka lauki tādā formā, kādā tie parasti tiek aprakstīti fantastiskā literatūrā, nepiekrīt mūsu Visuma četru pamata mijiedarbību aprakstiem. Bet var pieņemt, ka cilvēks spēs atdarināt daudzas šo izdomāto lauku īpašības, izmantojot daudzslāņu vairogus, ieskaitot plazmas logus, lāzera aizkarus, oglekļa nanocaurules un vielas ar mainīgu caurspīdīgumu. Bet patiesībā šādu vairogu var izstrādāt tikai dažās desmitgadēs vai pat gadsimtā. Un, ja tiek atklāta supravadītspēja istabas temperatūrā, cilvēcei būs iespēja izmantot jaudīgus magnētiskos laukus; iespējams, ar viņu palīdzību būs iespējams pacelt gaisā automašīnas un vilcienus, kā mēs redzam zinātniskās fantastikas filmās.
Ņemot to visu vērā, es spēka laukus klasificētu kā neiespējamības I klasi, tas ir, definētu tos kā kaut ko mūsdienu tehnoloģijām neiespējamu, bet aptuveni līdz nākamajam gadsimtam ieviestu modificētā formā.