Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 13)

Все перемешалось в энергетическом мире. Диэлектрики и полупроводники обнаружили сверхпроводящие свойства. Полуметаллы (есть и такие) объявили себя диэлектриками, на пять порядков (в сто тысяч раз) увеличив сопротивление, металлы делались диэлектриками, а диэлектрики металлами. И, наконец, ученые создали магнитным полем новое состояние вещества, принципиально новую разновидность твердого тела. Существуют теперь проводники, полупроводники, диэлектрики и «бесщелевые» тела, в которых нет запретных энергетических зон. Границы зоны проводимости и валентной зоны сблизились до предела. Для твердых тел такого типа все новое: и электрические, и магнитные, и оптические свойства.

Пока тут не все ясно и понятно. Например, пока нет объяснения переходу полуметаллов под давлением в диэлектрическое состояние, хотя по логике они должны были стать металлами.

Я уже говорил об экспериментальных заботах, вставших перед учеными Казани и Харькова. Физикам МГУ пришлось не легче. Они преодолели массу трудностей, проявив при этом не только трезвый расчет и предельную изобретательность. Главным было филигранное «рукоделие», присущее лишь истинным экспериментаторам.

Четким определением мастерства физиков служит указание, что именно они сделали первыми, где и как определили своих современников. Исходя из этого критерия, следует сказать: магнитное поле в миллион эрстед впервые получено в сравнительно большом объеме на Ленинских горах в МГУ. Расширение воды при замерзании тоже не новость. Природа уже миллионы лет пользуется подобным приемом для разрушения горных пород. Однако система передачи развивающегося при замерзании воды гигантского давления на специальную алмазную камеру с образцами твердых тел, подвергающихся сжатию, создана здесь впервые.

Таким образом, эксперименты всех трех лабораторий, где ученые занялись «крушением устоев», были разнообразны и представляли собой три ипостаси современной физической лаборатории — внушительное оборудование, элегантный опыт и победу изделий «рук своих».

Столь же многогранны практические аспекты этих интересных работ.

Физики Казани развили и умножили методики нового метода исследования вещества — акустической спектроскопии. Акустический резонанс позволил им добраться до самых слабых излучателей радиоактивности, которые раньше оставались невидимками. Теперь можно наблюдать отдельные излучающие ядра. Таково исследовательское направление работ казанских физиков.

Их достижения породили также новую семью лазеров. С помощью своеобразной упряжки из электромагнитного и акустического импульса атомы переходят в них на высший энергетический уровень, с которого начинается направленное лазерное излучение.

И, наконец, ученые Казани открыли «акустическое эхо», которое получается взаимодействием электромагнитных и акустических колебаний — синтез, до той поры науке и технике неизвестный. Таким образом, электромагнитные ухабы, возникающие на пути звуковой волны в твердом теле, не только повод для исследования различных его свойств, но, может быть, и метод усиления колебаний.

Харьковские физики создали технологические методики обработки металлов при сверхнизких температурах, когда, например, резко повышается жаропрочность, хотя само по себе сочетание «холода» и «жары» выглядит весьма странно.

На очереди скачки пластичности, которые дают активный импульс теории и богатую возможность для технического воплощения.

Работы московских «криогенщиков» тоже обещают многое. В лаборатории профессора Брандта получены результаты, которые вносят существенный вклад в разработку устройств, основанных на регистрации лучей невидимой части спектра.

Когда-то радиоэлектроника начинала с электронных ламп. Сотни вольт напряжения требовалось, чтобы заработали приемные и передающие устройства. Появление полупроводников снизило этот параметр. Транзисторные приемники потребляют всего несколько вольт. Теперь радиоэлектроника получила новый импульс. Электрическое питание бесщелевых устройств сократится в сто с лишним раз.

Таким образом сделает первые шаги милливольтовая радиоэлектроника, которая будет работать с очень малым потреблением электроэнергии, так как резко возрастет КПД установок.

Материалы для новых технологических схем готовятся, поскольку инженеры научились изготовлять различные твердые сплавы, где энергетическая щель падает до нуля. Причем уже не нужны те экстремальные условия, что когда-то в муках создавали физики МГУ. Но без их работы новая радиоэлектроника не могла бы выйти «из пеленок». В числе других научных коллективов ученые кафедры низких температур физического факультета старейшего университета страны вызвали к жизни этот интереснейший и многообещающий раздел техники.

Так оригинальные явления, исследованные советскими учеными и характеризующие потрясения основ классического взгляда на твердое тело, четко определились в трех направлениях современной техники.

Новые методы изучения вещества и его структуры появились в результате экспериментальной деятельности ученых Казани. Технологи страны пользуются выводами и рекомендациями харьковских специалистов криогенной техники, а московские исследователи ближайших окрестностей абсолютного нуля дали импульс к созданию принципиально новых технических устройств, которые, быть может, коренным образом преобразуют радиоэлектронику.

ПОГРУЖЕНИЕ В НЕЛИНЕЙНОСТЬ

Некогда атом считался неделимым, а взаимопревращения элементов — невозможными. Атом расщепили, элементы стали получать искусственно. Однако преобразовывать монохроматические лучи физики не умели. Теперь пришла пора оптических триумфов. Нелинейная оптика сумела преодолеть барьер природы, и ученые немедленно передали эстафету технике, которая, как это уже было с ядерной энергией и ядерной «алхимией», тут же воспользовалась трудами физиков.

Таков стремительный темп развития новой науки, олицетворяющей наш бурный двадцатый век.

Наше время характеризует нелинейность, его знамение — экспонента — кривая, стремительно уходящая вверх, все более отдаляясь от скромной прямой линии линейного закона...

Кому из нас в детстве не приходилось встречаться с арифметической задачей, где надо определить стоимость четырех тетрадей, исходя из цены двух таких же. При всей незамысловатости выкладки она отражает фундаментальный и чрезвычайно распространенный случай зависимости между величинами, выражаемой на графике прямой линией. Линейность — прямая пропорциональность, самая простая, пожалуй, и логичная из всех возможных видов взаимосвязи причины и следствия.

Как приятно математику оперировать линейными уравнениями, где фигурируют лишь первые степени неизвестных величин, а с этих уравнений, собственно говоря, и начиналась математика; как приятно химику, биологу, физику свести сложные взаимосвязи природы к простейшим линейным.

Долгое время казалось, что природа пошла в этом смысле навстречу ученым, продемонстрировав своеобразную «любовь к простоте». Линейны законы Ньютона, на которых зиждется вся механика, утверждающая, что ускорение, получаемое телом, прямо пропорционально силе, на него действующей. Фундамент науки об электрических явлениях — закон Ома — облечен в ту же удобную и универсально понятную форму: сила тока прямым образом зависит от поданного напряжения. Привычная, понятная, математически элегантная линейность — торжество здравого смысла.

В магнетизме царствует закон Био и Савара, согласно которому напряженность магнитного поля линейно связана с силой тока. Великое детище Фарадея — закон электромагнитной индукции — увязывает жесткими рамками прямой пропорциональности ток, рождаемый в генераторе, и скорость вращения рамки в магнитном поле.

Оплотом линейности всегда были акустика и оптика.

Долог путь светового луча, испущенного атомами далекого от нас Солнца, тысячи километров покрывает радиосигнал, посланный в эфир радиостанцией, да и обычные звуки порой проходят изрядные расстояния, прежде чем достигнут наших ушей.

Может измениться мощность звука или света, но не частота колебаний, которая определяет сущность сигнала— «цвет» светового луча или высоту тона звука. В этом и заключается линейность. Среда пропускает свет и звук, не касаясь их основной характеристики. Форма сигнала остается незыблемой, не искажается. Если нам крикнули «Вася!», то вы услышите именно «Вася!». В «Колю» эти звуки никоим образом не превратятся. Может быть, громкий крик упадет до чуть слышного шепота, но, приняв сигнал, мы обнаружим его в той же девственной неприкосновенности, каким он родился. И красный луч всегда останется красным, какие бы приключения он ни испытал на своем пути.

Кроме того, световые лучи не смешиваются. В этом их тоже ограничивает линейность акустики и оптики. Каждый сигнал остается незыблемым — такова основа принципа суперпозиции, свято охраняющего наш мир, который иначе превратился бы в какофонию звуков и буйство световых потоков, где ни один человек не смог бы разобраться.

Таким образом, в физике недавнего времени торжествовала линейность, любые законы и соотношения выражались линейными уравнениями или легко приводились к ним, а сама зависимость между величинами являла собой прямую пропорциональность.