Primii pași pentru descoperirea superconductivității

Articolul a fost scris special pentru aniversarea a 250 de ani de la DESCOPERIREa mercurului înghețat.

eu

Academia de Științe din Sankt Petersburg, deschisă în 1725. tocmai trebuia să devină în același timp un lider în studiul fizicii frigului. „Natura localității noastre este surprinzător de favorabilă pentru efectuarea de experimente cu frigul”, a scris G.V. Kraft, unul dintre primii profesori din Petersburg. Cu toate acestea, el a avertizat imediat că în natura frigului există multe necunoscute. „Până acum, calitățile menționate mai sus sunt învăluite într-un astfel de întuneric încât le-a fost nevoie de câțiva ani pentru a ilumina și, probabil, a fost nevoie de un întreg secol de viață, și nu numai unul, ci multe daruri insightful.” Avea dreptate. [1]

Academiile din Anglia, Italia, Franța, Germania, Olanda și chiar Suedia se află într-o zonă cu climă blândă. Tehnologic, este mai ușor să obțineți temperaturi ridicate pentru nevoile experimentale decât frigul. Chiar și în antichitate, omul ar putea primi temperaturi ridicate suficiente pentru topirea minereurilor de fier. Dar înainte de a învăța să lichefieze gazele, scăderea a fost foarte problematică. Abia în 1665 fizicianul Boyle a fost capabil să reducă temperatura soluției apoase cu doar câteva grade. El a obținut acest lucru dizolvând amoniacul în apă.

Și de ce atunci oamenii au avut nevoie de temperaturi scăzute? În primul rând, oamenii de știință trebuie să calibreze termometrele utilizate pentru măsurători meteorologice, unde există temperaturi până acum necunoscute pentru cronometrele vechi. Producătorii de termometre au început să selecteze astfel de substanțe și solvenți care să scadă cât mai mult temperatura soluțiilor. O astfel de compoziție a fost inventată de maestrul olandez de instrumente științifice D. Fahrenheit. El a recomandat utilizarea gheții zdrobite la care se va adăuga acid azotic concentrat. În Rusia, o astfel de compoziție a început să fie numită materie curioasă.

Iarna anilor 1759-1760 din Sankt Petersburg s-a dovedit a fi foarte înghețată. Deja pe 14 decembrie, „s-a întâmplat o răceală extremă, care nu se mai observase niciodată la Academie.” În această zi, academicianul Joseph Adam Brown, în scopuri pur științifice, și-a pus întrebarea „Cât de mult poate fi înmulțit această răceală naturală prin artă”. În acest scop, a folosit compoziția olandezului, deși în loc de gheață zdrobită, a folosit zăpadă de stradă, cu o temperatură ambientală. A așezat zăpada într-un vas de sticlă, a turnat puțin acid azotic și a introdus un termometru cu mercur în această materie nobilă. După ceva timp, a scos termometrul și „a descoperit cu bucurie că acesta nu a fost deteriorat, dar mercurul era încă”. [2]

La ce s-a bucurat Brown? Că termometrul nu a decongelat? Nu, a început să bănuiască că mercurul era înghețat în tubul termometrului. Și a fost o senzație! Nici un singur tratat științific din toate timpurile și popoarele nu a raportat că mercurul poate fi solid. Iată ce, de exemplu, poate fi citit într-un manual al acelei vremuri pentru minerii de minereu: „Acest mineral nu este diferit de aspectul metalelor topite, dar ele îngheață în astfel de căldură, din care multe lucruri iau foc, iar mercurul nu poate îngheța în gerul cel mai sever” . Rețineți că autorul manualului, MV Lomonosov, nici măcar nu consideră că mercurul este metal. [3]

Pagina de titlu a unei tipăriri a unui raport al academicianului I.A. Brown în cadrul unei reuniuni publice a Academiei de Științe din Sankt Petersburg

Convingerea oamenilor de știință din acea perioadă în acest postulat a fost atât de mare încât, pe 18 noiembrie 1734, când ecvestrul cazaci Salomatov, observator la o stație meteo din Tomsk, a raportat înghețarea mercurului în barometrul său pentru academicii Gmelin și Miller, pur și simplu nu au crezut acest lucru. Aveau suspiciunea că un cazac fără experiență pur și simplu a vărsat mercur, pentru că „nu l-a scos cu atenție și nu l-a scuturat, altfel nu s-a putut întâmpla, deoarece, deși înghețurile erau incomparabil mai severe, mercurul nu a înghețat.” Oamenii de știință erau atât de siguri de inocența lor, încât în ​​loc de a se vărsa, încă șase bobine de mercur au fost trimise în cazac. Dintre academicieni, amintiți-vă numele Miller, o vom întâlni în continuare. [4]

Dar înapoi la experimentele din Sankt Petersburg. Deci, a scris Brown mai târziu, „eram„ sigur că mercurul din termometru a devenit solid și nemișcat de frig și, prin urmare, a înghețat ”. A fost atât de neașteptat încât a decis să raporteze imediat vestea colegilor săi. Oamenii de știință adunați în grabă au decis că, atunci când se efectuează experimente repetate, este necesar să se spargă termometrul și să se verifice vizual fața însoțită. În acest scop, la atelierul academiei a fost comandat un lot nou de termometre.

Au putut începe experimentele doar pe 25 decembrie, „pentru că numărul necesar de termometre a fost curând imposibil de făcut.” Pe lângă Brown, academicii M.V. Lomonosov, F.U.T. Epinus, I.E. Zeiger și farmacistul I.G. Model au început experimentele. Fiecare dintre participanți, repetând trucurile lui Brown, au primit de la termometrele rupte coloane de mercur solid sub formă de sârmă, „ca argintul” și un „glonț” de mercur la capătul său. Firele au fost ușor îndoite, iar „glonțul” a fost ușor aplatizat de loviturile fundului toporului, deoarece „avea duritatea plumbului sau a stanului”. Zeiger a spus mai târziu că părea că o aude sunând. Toate proprietățile metalului erau evidente, de aceea mercurul era un metal, iar prioritatea descoperirii acestui fapt aparține Rusiei.

Experimentele de la Sankt Petersburg au făcut senzație în lumea științifică. Ziarele și corespondența privată a oamenilor de știință erau cu mult înaintea rapoartelor oficiale ale Academiei și, prin urmare, s-au făcut distorsiuni grave, în special cu privire la rolul personajelor principale. Numele descoperitorului nu a fost numit corect, ceea ce a dus la un mare scandal în Academie. La inițiativa lui Lomonosov, Oficiul a organizat o anchetă specială. Ei au găsit vinovatul - a fost academicianul Miller, care „i-a scris lui Leipzig în numele Academiei și fără cunoștința ei, presupus că începutul acestui experiment a venit de la profesorii Zeiger și Epinus, iar Brown, se presupunea că a fost nevoit să găsească un bob de perlă ca un cocoș”. În acest sens, Miller a fost puternic criticat de colegi la o ședință a Oficiului. Cazul pentru știință este aproape tipic. [5]

A urmat răspunsurile altor oameni de știință. „Descoperirea profesorului Brown de cea mai mare importanță”, a scris Leonard Euler, „și mi-a oferit o plăcere deosebită deoarece am crezut întotdeauna că căldura este adevărata cauză a stării lichide a mercurului.”

Rezultatele experimentelor de iarnă de la Cancelaria Academiei au fost recunoscute atât de important încât rezultatele lor au fost hotărâte să fie publicate în ședința publică a Academiei cu ocazia celebrării solemne a numitei împărătești Elisabeta Petrovna. Rapoartele de deschidere au fost instruite de personajele principale ale deschiderii: I.A. Brown în germană și M.V. Lomonosov în rusă. Primul raport a fost numit „Pe frigul uimitor, arta produsă”, al doilea - „Motivarea durității și lichidului corpurilor”. Textele rapoartelor s-au decis a fi emise în ștampilări separate, care au fost apoi tipărite în valoare de 412 de exemplare fiecare și care pot fi găsite acum în principalele biblioteci ale țării.

Meritele lui Brown în istoria fizicii sunt acum venerate de descendenți. Dar care a fost meritul lui Lomonosov nu este cunoscut nici compatrioților, nici oamenilor de știință străini. Și este ceva de citit. Dar, înainte de a vorbi despre acest lucru, vom face o altă trecere în revistă a descoperirilor oamenilor de știință ruși făcute în 1763: „Cea mai remarcabilă dintre toate descoperirile din ultimii trei ani este stabilirea faptului că topirea mercurului.” [6]. Aceste cuvinte aparțin unuia dintre fondatorii științei electricității, marele american B. Franklin. Principala sa lucrare, „Experimente și observații ale electricității”, a fost bine cunoscută oamenilor de știință ruși, citate în repetate rânduri de G.V. Rikhman și M.V. Lomonosov în scrierile lor.

III

Opera lui Franklin este o colecție de scrisori adresate altor savanți. Aici, sunt descrise succesiv experimentele efectuate de autor în Lumea Nouă și construcțiile teoretice ale autorului. El a fost unul dintre primii care au început să folosească pe scară largă acum cunoscutul conductor electrician, introdus de savantul englez T. Desagulier. Într-una din aceste scrisori, 1751.puteți citi următoarele: singura diferență între conductori și non-conductori este „doar că unii dintre ei conduc substanță electrică, în timp ce alții nu”. Și mai departe: „Doar metalele și apa sunt conductoare ideale. Alte corpuri se efectuează numai în măsura în care conțin impurități de metale și apă. " [7]

Mai târziu, o notă de subsol la această scrisoare, publicată în eseul lui Franklin, arată că această regulă nu este întotdeauna respectată și autorul citează cazul în care omul de știință englez „Wilson a descoperit că ceara și rășina topitoare dobândesc capacitatea de a conduce”. Cu toate acestea, Franklin însuși a dat peste un fapt ciudat: „O bucată de gheață uscată sau un icicle într-un circuit electric previne șocurile, ceea ce nu se putea aștepta, deoarece apa o transferă perfect.” Aici vorbim despre șocul electric de la experimentator atunci când o bancă Leiden încărcată este descărcată prin ea. Gheața s-a comportat într-un lanț ca un izolator. [7, p. 37.]

Acum suntem conștienți de faptul că metalele au conductivitate electronică, alte substanțe - ionice, care depinde foarte mult de temperatura lor.

Deci, poate, în acest mod de a testa mercur? La urma urmei, dacă mercurul înghețat va conduce electricitate, atunci este cu siguranță metal. Numai Marele Om de Știință putea să-și pună o asemenea întrebare. Și încă nu știm dacă avea să afle doar această întrebare, dar o astfel de experiență a fost făcută de marele nostru compatriot M.V. Lomonosov. O scurtă descriere a acestui experiment poate fi găsită în volumul al treilea al lucrărilor sale complete. Un desen al acestui experiment este dat și acolo. Trebuie să spun că figura nu prezintă o mașină electrică și un indicator electric (electrometru), dar prezența lor este implicată de text. [8. p.407]

Desenele proprii ale lui Lomonosov pentru experimentele cu congelarea mercurului. Figura 5 prezintă o bilă de mercur înghețat și gradul său de deformare după forjare. Figura 6 arată experiența conductivității electrice a mercurului și a unui fir de fier fierbinte. 7 prezintă un tub înghețat al unui termometru cu mercur. Apar bule de aer.

Un tub de sticlă în formă de U cu mercur a fost aruncat într-un vas de sticlă cu material de îngheț, în care s-au înghețat fire de fier pe ambele părți. Un fir era în contact cu conductorul unei mașini electrice, celălalt cu un electroscop. Când generatorul a început să genereze energie electrică, electrometrul și-a arătat imediat prezența pe un fir situat după mercur înghețat. Mercurul lichid și înghețat s-a dovedit a fi conductor, la fel ca toate metalele cunoscute la acea vreme. Ultimul punct în dovada că mercurul este un metal a fost pus tocmai de M.V. Lomonosov. Data exactă a acestui eveniment nu este cunoscută, dar a fost în ianuarie 1760. Notăm încă o subtilitate a experimentului. În secțiunea circuitului electric dintre mercur solid și electrometru, experimentatorul luminează cu lumânări firul de fier roșu-fierbinte. Concluzia este fără echivoc: „Forța electrică acționează prin mercur congelat și prin fier fierbinte.”

Iar această concluzie a fost nouă pentru știința din acea vreme. În acest moment știința mondială a început să înțeleagă dependența conductivității electrice a tuturor corpurilor de temperatura lor. În 1762 Franklin va descrie experiența lui Charles Cavendish (tatăl cunoscutului Henry Cavendish), care a realizat un studiu asupra conductivității electrice a sticlei în funcție de temperatura acestuia. S-a dovedit că un pahar obișnuit destul de puternic încălzit devine conductor. Era mult mai ușor să organizezi această experiență decât Lomonosovsky. La urma urmei, a fost mult mai ușor să încălziți un tub de sticlă cu electrozi lipiți în sticlă decât să înghețați mercurul. Dar această experiență, Franklin, numind-o „foarte ingenioasă”, adaugă: „Rămâne doar să dorim acestui nobil filozof să informeze umanitatea mai mult despre experiențele sale.” Desigur, experimentul lui Lomonosov privind conductivitatea electrică a mercurului congelat a fost repetat în repetate rânduri de alții, dar mai târziu, deoarece în țările occidentale, experimentele asupra congelării mercurului au putut fi efectuate abia după zeci de ani. [7. p.206]

Senzația despre deschiderea de la Sankt Petersburg a scăzut curând, nimeni nu a putut repeta experimentele în căutarea fierbinte, iar rezultatele experimentului electric au fost uitate multă vreme nu numai în Occident, ci și în Rusia.Aparent Lomonosov a pregătit o descriere completă a acestui experiment pentru „Teoria electricității, menționată matematic”, pe care a lucrat-o încă din 1756, dar a rămas incompletă. După evenimentele descrise de marele om de știință din 1762 și 1763, el „a adus aproape în mormânt” boala și a trăit abia până în 1765. În plus, problemele majore la academie nu au oferit timp lucrărilor creative din ultimii ani de viață. Desigur, opera sa a rămas tipărită în valoare de 412 de exemplare. Din păcate, i s-a întâmplat o poveste nevrednică de știință.

În „Istoria Academiei Imperiale de Științe”, scrisă de academicianul P.P. Pekarsky în 1873. Puteți citi următoarele. „Această lucrare a academicianului nostru a suferit o soartă ciudată - a fost uitată să fie inclusă în cele mai obișnuite ediții ale lucrărilor culese, așa că a fost apoi tipărită o singură dată în ediția din 1778 și care este acum o raritate bibliografică. Nu este surprinzător faptul că „Raționamentul” lui Lomonosov în ceea ce privește duritatea și fluidul corporal nu se regăsește în nicio recenzie a savanților de mai târziu. ” [8], [9]. (Italic B.Kh. nostru)

Într-adevăr, soarta este mai mult decât ciudată. Având în vedere că M.V. Lomonosov avea mulți dușmani, se poate presupune că ciudățenia era deliberată. Printre cei mai răi dușmani ai săi, enciclopedia Brockhaus și Efron figurează și pe deja cunoscutul academician G.F. Miller, care a servit în perioada 1757-1765 ca secretar permanent al Academiei din Sankt Petersburg. Ne amintim că nu a răspuns la mesajul despre înghețarea mercurului în 1734, apoi dă informații incorecte în străinătate, pentru care a avut mari probleme. Se poate presupune că, din motive necunoscute pentru noi, el a fost cel care a putut face această lucrare să nu atragă atenția editorilor. La urma urmei, a păstrat corespondența între academie și procesul-verbal al tuturor ședințelor, și arhivele lor și pentru a îndeplini fapta nu i-ar fi provocat dificultăți. Mai mult, aceeași enciclopedie scrie despre Miller ca și cum „nu s-a dovedit întotdeauna a fi impecabil în relațiile sale cu membrii săi”.

Academicianul V.I. Vernadsky, care îl descrie pe Miller, scrie că „nu a fost creatorul noului în gândirea teoretică și științifică, precum Euler sau Lomonosov, dar ca ei, el a fost imbufnat de o înțelegere profundă a metodei științifice, el a stăpânit-o în mod expert.” Poate că a fost doar o invidie de talent și aceasta este doar ghicirea noastră. Dar ceea ce s-a întâmplat s-a întâmplat. [10]

IV

Necazurile acestei opere a lui Lomonosov nu se termină aici. În perioada 1768 - 1900, au fost publicate șapte ediții ale lucrărilor sale colectate, iar această lucrare nu a fost inclusă în niciuna dintre ele. Numai în al cincilea volum al publicației academice din 1902. această lucrare a unui om de știință a văzut lumina. Cu toate acestea, textul a fost tipărit doar în rusă și desenele și desenele nu au fost reproduse, fără de care textul „Raționamentului” era de neînțeles. Așadar, una dintre cele mai interesante lucrări ale sale a scăpat din vedere cercetătorilor lucrărilor lui Lomonosov.

Începând cu 1940, Academia de Științe a URSS începe să publice colecțiile Lomonosov, care conțin materiale și articole nou găsite despre activitățile sale științifice. În unele, se înțeleg și experimentele criogenice ale lui Brown și Lomonosov. Nu există informații noi despre experiența electrică în ele. [11, 12] În cele din urmă, la cea de-a 250-a aniversare de la nașterea fizicienilor ruși (aveau aceeași vârstă) a lui M.V. În această experiență nu se menționează deloc. Dar se pune întrebarea în mod inexorabil, ce obiective și-a pus cercetătorul însuși, începând experimente electrice criogenice. Există ceva care să găsești pe tema care ne interesează? [13]

Cu siguranță a fost ceva în arhivele omului de știință. Dar această arhivă „la cea mai înaltă comandă” a fost sigilată de contele G. Orlov și a ordonat el însuși să fie sortat. Nu se știe unde și unde, dar descoperirile sunt destul de posibile.Există puțini oameni de știință ruși a căror activitate ar fi urmărită de istorici ai științei la fel de pe scară largă și persistentă precum Lomonosov și toate lucrările sale au fost revizuite și revizuite, și nu prea există speranțe de a găsi ceva nou. Dar cel care caută găsește.

Se știe că MV Lomonosov a tradus în limba rusă primul manual de text pentru universitatea „Fizica experimentală lupiană”. A fost publicat în 1746. și a fost obligat să o reimprimi - „de vânzare totul este în pierdere”. În martie 1760 S-a decis publicarea acesteia prin a doua gravare. Lomonosov a înțeles că între ediții manualul a fost destul de depășit. Manualul era urgent, dar nu mai era timp. Prin urmare, s-a decis efectuarea de completări la textul existent. Potrivit autorului „completărilor”, acestea ar trebui „să explice acțiunile și schimbările care depind de cele mai subtile particule insensibile, de componentele corpului”. Sub aceste particule, cititorul modern poate înțelege atomii și moleculele și chiar electronii, dar toate acestea ar trebui să reflecte sistemul de opinii al lui Lomonosov asupra fizicii fenomenelor.

Faptul că lucrările la raportul de la Academie și redactarea „Adăugărilor” au fost paralele în același timp este demonstrat de calendar. Data lecturii raportului este 6 septembrie 1760, iar textul „Adaosurilor” a fost semnat de Lomonosov la 15 septembrie a aceluiași an. [14]

Acum oferim viziunile fizice ale vremii în general asupra energiei electrice: „Substanța electrică este formată din particule extrem de mici, deoarece este capabilă să pătrundă materia obișnuită, chiar și cele mai dense metale, cu multă ușurință și libertate.” [7, p.53] Faptul că energia electrică se mișcă cu o viteză extrem de mare a fost bine cunoscută imediat după invenția cutiei Leiden, adică lui Franklin.

Acum a venit momentul să citez din „Adaosurile” lui Lomonosov, legate fără îndoială de experimentele de iarnă din ianuarie 1760. Le evidențiem în mod special cu caractere aldine.

„Experimentele electrice recent descoperite arată că materia străină, care se deplasează cu viteză mare în fântânile corpurilor reci, nu le aprinde”adică nu se încălzește. Nu există mister aici, este clar și clar materie străină Este o substanță electrică, iar corpurile reci sunt mercur congelat. Amintiți-vă că Lomonosov a fost un susținător al teoriei cinetice a căldurii și acolo puteți citi asta "Mișcarea particulelor, corpurile constitutive există o cauză de căldură". [5, p. 436].

Asta a fost găsit. Dar merită mult. Acum este clar că experimentatorul, ca susținător al teoriei cinetice a căldurii, se aștepta la o creștere a temperaturii mercurului. Datorită faptului că nu putea avea termometre pentru astfel de temperaturi, se pare că aștepta topirea mercurului. Acest lucru nu s-a întâmplat. De aici această concluzie.

Trebuie spus că știința din acea vreme nu avea habar despre mișcarea încărcărilor electrice (curent electric). Lomonosov consideră că în timpul funcționării unei mașini electrice, substanța electrică se mișcă tot timpul prin mercur. Nu a fost. Prin mercurul înghețat, era necesară doar o cantitate mică de energie electrică pentru a încărca firul care ieșea din mercur. Altfel, concluzia lui Lomonosov ar însemna că mercurul înghețat are o supraconductivitate.

Superconductivitatea mercurului la temperaturi mult mai scăzute decât cea găsită de Lomonosov în 1911. Profesor Leiden Kamerling-Onnes. Acest lucru s-a întâmplat la 150 de ani de la experimentele din Sankt Petersburg și a produs aceeași senzație ca și atunci în lumea științifică. Premiul Nobel a încununat pe bună dreptate munca savantului olandez și a conturat dezvoltarea fizicii în anii următori. Dar calea către o astfel de descoperire a început în Rusia și aproape nimeni nu își amintește acest lucru.

V

Anul acesta marchează 250 de ani de experimente de înghețare a mercurului. Nu numai că acest eveniment ne cere să fim atenți la acest fapt. În 2011 se împlinesc trei sute de ani de la nașterea marelui om de știință rus. Aniversarea lui Lomonosov va fi cu siguranță sărbătorită de comunitatea științifică și aceasta este contribuția noastră la acest eveniment.Cu toate acestea, aș dori să notez un astfel de fapt inestetic în țara noastră, ca o neglijare a oamenilor de știință. Aproape toată lumea îl cunoaște pe descoperitorul arcului electric, fizicianul rus V.V. Petrov. Dar nu toată lumea știe ce a devenit cunoscut despre această descoperire în patria lor după aproape o sută de ani, și apoi din întâmplare. Aflăm și despre acest experiment al lui Lomonosov, doar într-un sfert de mileniu!

Aș dori să dau un exemplu de Anglie veche și bună. Acolo în 1700. un anumit Zid, frecând o bucată de chihlimbar, a descoperit că scânteia care decurge din aceasta îi amintește de fulgere. A fost un amator absolut în electricitate și nu și-a putut repeta experiența în prezența oamenilor de știință, dar în manualele despre istoria fizicii electricității și a protecției împotriva trăsnetului, el este mereu amintit nu numai de britanici.

Se știe că lucrările lui Lomonosov aproape că nu au afectat dezvoltarea științei mondiale, deoarece nu și-a creat propria școală. Dar aceasta nu este vina, ci problema lui Lomonosov. Printre motivele de aici se află atenția la științele domestice. Și ea merită! Iată, de exemplu, astfel de cuvinte despre marele om de știință rus au fost citate de V.I. Vernadsky: „În ideile și domeniile activității sale, întâlnim extrem de des și extrem de multe predicții, predicții, în fața cărora mintea noastră se oprește în gândire și uimire, de până acum nu suntem obișnuiți să tratăm datele istoriei științei în modul în care gestionăm alte fenomene și fapte. " Găsirea noastră confirmă doar aceste cuvinte. [10, p. 323]

Trebuie să spun că o blestemă mistică atârna mereu peste descrierea acestei experiențe a lui Lomonosov. Încercările noastre de a raporta către redacția revistelor despre descoperirea noastră istorică nu au găsit nici măcar un răspuns politicos, de exemplu, astfel încât portofoliul editorial să fie plin etc. Doar revista „Electricitate” a recomandat să transmită articolul către un jurnal fizic. Menționăm, de asemenea, un caz curios când redactorul departamentului rus al uneia dintre revistele de științe populare despre viața științei, când a fost întrebat dacă a primit un astfel de text, a răspuns pur și simplu că e-mailul lor a fost spart în aceste zile. Aparent, ea crede că numai Papuanii trăiesc în afara Șoselei de centură din Moscova.

Nimeni nu ne va respecta dacă nu ne respectăm pe noi înșine.