"Tarcze do góry!" - to pierwsze zlecenie, które w niekończącym się serialu „Star Trek” daje swojej załodze szorstki głos kapitana Kirka; posłuszna rozkazowi załoga włącza pola siłowe przeznaczone do ochrony statku kosmicznego „Enterprise” przed ogniem wroga.
W fabule Star Trek pola siłowe są tak ważne, że ich stan może równie dobrze przesądzić o wyniku bitwy. Gdy tylko energia pola siłowego zostanie wyczerpana, a kadłub Enterprise zacznie otrzymywać ciosy, im dalej, tym bardziej miażdżący; ostatecznie porażka staje się nieunikniona.
Więc czym jest ochronne pole siłowe? W science fiction jest to pozornie prosta rzecz: cienka, niewidzialna, ale nieprzenikniona bariera, która z równą łatwością odbija promienie laserowe i pociski. Na pierwszy rzut oka pole siłowe wydaje się tak proste, że stworzenie - i wkrótce - bazujących na nim tarcz bojowych wydaje się nieuniknione. Spodziewasz się więc, że nie dziś ani jutro jakiś przedsiębiorczy wynalazca ogłosi, że udało mu się uzyskać ochronne pole siłowe. Ale prawda jest znacznie bardziej skomplikowana.
Podobnie jak żarówka Edisona, która radykalnie zmieniła współczesną cywilizację, pole siłowe może głęboko wpływać na wszystkie aspekty naszego życia bez wyjątku. Wojsko wykorzystałoby pole siłowe, aby stać się niewrażliwym, tworząc na jego podstawie nieprzeniknioną tarczę przed pociskami i kulami wroga. Teoretycznie można było tworzyć mosty, wspaniałe autostrady i drogi za naciśnięciem jednego przycisku. Całe miasta wyrastałyby na pustyni jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki; wszystko w nich, aż do drapaczy chmur, byłoby zbudowane wyłącznie z pól siłowych. Kopuły pól siłowych nad miastami pozwoliłyby ich mieszkańcom na dowolne kontrolowanie zjawisk pogodowych - wiatrów sztormowych, śnieżyc, tornad. Pod bezpiecznym baldachimem pola siłowego można było budować miasta nawet na dnie oceanów. Szkło, stal i beton można by całkowicie porzucić,zastąpienie wszystkich materiałów budowlanych polami siłowymi.
Ale, co dziwne, pole siłowe okazuje się jednym z tych zjawisk, które są niezwykle trudne do odtworzenia w laboratorium. Niektórzy fizycy uważają nawet, że nie da się tego w ogóle zrobić bez zmiany jego właściwości.
Michael Faraday
Pojęcie pola fizycznego wywodzi się z prac wielkiego brytyjskiego naukowca z XIX wieku. Michael Faraday.
Film promocyjny:
Rodzice Faradaya należeli do klasy robotniczej (jego ojciec był kowalem). On sam na początku XIX wieku. był uczniem introligatora i prowadził dość nieszczęśliwe życie. Ale młody Faraday był zafascynowany niedawnym gigantycznym przełomem w nauce - odkryciem tajemniczych właściwości dwóch nowych sił, elektryczności i magnetyzmu. Chętnie zjadał wszystkie dostępne mu informacje w tych sprawach i uczęszczał na wykłady profesora Humphreya Davy'ego z Royal Institute w Londynie.
Profesor Davy kiedyś poważnie zranił oczy podczas nieudanego eksperymentu chemicznego; potrzebował sekretarza i zabrał Faradaya na to stanowisko. Stopniowo młody człowiek zdobył zaufanie naukowców z Royal Institution i był w stanie przeprowadzić własne ważne eksperymenty, choć często musiał znosić lekceważącą postawę. Z biegiem lat profesor Davy stawał się coraz bardziej zazdrosny o sukcesy swojego utalentowanego młodego asystenta, który początkowo był uważany za wschodzącą gwiazdę w kręgach eksperymentalnych, az czasem przyćmił chwałę samego Davy'ego. Dopiero po śmierci Davy'ego w 1829 roku Faraday uzyskał wolność naukową i dokonał całej serii zaskakujących odkryć. Ich wynikiem było stworzenie generatorów elektrycznych, które dostarczały energię do całych miast i zmieniły bieg cywilizacji światowej.
Kluczem do największych odkryć Faradaya było pole siłowe lub fizyczne. Jeśli na magnes umieścisz opiłki żelaza i potrząśniesz nim, okaże się, że trociny układają się we wzór przypominający pajęczynę i zajmują całą przestrzeń wokół magnesu. „Wątki sieci” to linie sił Faradaya. Wyraźnie pokazują, jak rozkładają się pola elektryczne i magnetyczne w przestrzeni. Na przykład, jeśli graficznie przedstawisz pole magnetyczne Ziemi, zobaczysz, że linie pochodzą z jakiegoś regionu bieguna północnego, a następnie powracają i ponownie wchodzą w ziemię w regionie bieguna południowego. Podobnie, jeśli przedstawisz linie sił pola elektrycznego pioruna podczas burzy, okaże się, że zbiegają się one na końcu błyskawicy.
Pusta przestrzeń dla Faradaya wcale nie była pusta; był wypełniony liniami siły, które mogły wprawiać odległe obiekty w ruch.
(Biedna młodość Faradaya uniemożliwiła mu zdobycie formalnej edukacji, a on miał niewielką wiedzę z matematyki; w rezultacie jego zeszyty były wypełnione nie równaniami i wzorami, ale ręcznie rysowanymi wykresami linii pola. Jak na ironię, to jego brak wykształcenia matematycznego sprawił, że opracował wspaniałe diagramy linie sił, które dziś można zobaczyć w każdym podręczniku fizyki. W nauce często ważniejszy jest fizyczny obraz niż aparat matematyczny, który jest używany do jego opisu).
Historycy wysuwali wiele założeń na temat tego, co dokładnie doprowadziło Faradaya do odkrycia pól fizycznych - jednego z najważniejszych pojęć w historii całej światowej nauki. W rzeczywistości cała współczesna fizyka, bez wyjątku, jest napisana w języku pól Faradaya. W 1831 roku Faraday dokonał kluczowego odkrycia w dziedzinie pól fizycznych, które na zawsze zmieniło naszą cywilizację. Pewnego dnia, trzymając magnes - zabawkę dziecka - nad drucianą ramą, zauważył, że w ramie generowany jest prąd elektryczny, chociaż magnes jej nie dotykał. Oznaczało to, że niewidzialne pole magnesu mogło powodować przemieszczanie się elektronów na odległość, tworząc prąd.
Pola sił Faradaya, które do tej pory uważano za bezużyteczne obrazy, owoce bezczynnej fantazji, okazały się prawdziwą siłą materialną zdolną do poruszania obiektów i generowania energii. Dziś możemy z całą pewnością stwierdzić, że źródło światła, którego używasz do czytania tej strony, jest zasilane przez odkrycia Faradaya w dziedzinie elektromagnetyzmu. Wirujący magnes tworzy pole, które popycha elektrony w przewodniku i wprawia je w ruch, tworząc prąd elektryczny, który może być następnie użyty do zasilania żarówki. Na tej zasadzie działają generatory prądu, które dostarczają energię do miast na całym świecie. Na przykład strumień wody spadający z tamy powoduje wirowanie gigantycznego magnesu w turbinie; magnes popycha elektrony w przewodzie, tworząc prąd elektryczny; prąd z koleiprzepływa przez przewody wysokiego napięcia do naszych domów.
Innymi słowy, pola sił Michaela Faradaya to te same siły, które napędzają współczesną cywilizację, wszystkie jej przejawy - od lokomotyw elektrycznych po najnowsze systemy komputerowe, Internet i komputery kieszonkowe.
Przez półtora wieku pola fizyczne Faradaya inspirowały dalsze badania fizyków. Na przykład Einstein był pod tak silnym wpływem, że sformułował swoją teorię grawitacji w języku pól fizycznych. Prace Faradaya również wywarły na mnie duże wrażenie. Kilka lat temu z powodzeniem sformułowałem teorię strun w odniesieniu do pól fizycznych Faradaya, kładąc tym samym podwaliny pod teorię pola strun. W fizyce powiedzenie o kimś, kogo myśli za pomocą linii siły, jest poważnym komplementem.
Cztery podstawowe interakcje
Jednym z największych osiągnięć fizyki ostatnich dwóch tysiącleci było zidentyfikowanie i zdefiniowanie czterech typów interakcji rządzących wszechświatem. Wszystkie można opisać w języku dziedzin, którym zawdzięczamy Faradaya. Niestety jednak żaden z czterech gatunków nie ma pełnych właściwości pól sił opisanych w większości książek science fiction. Wymieńmy te rodzaje interakcji.
1. Grawitacja. Cicha moc, która powstrzymuje nasze stopy przed opuszczeniem podpory. Nie pozwala na rozpad Ziemi i gwiazd, pomaga zachować integralność Układu Słonecznego i Galaktyki. Bez grawitacji obrót planety wyrzuciłby nas z Ziemi w kosmos z prędkością 1000 mil na godzinę. Problem polega na tym, że właściwości grawitacji są dokładnie odwrotne do właściwości fantastycznych pól sił. Grawitacja to siła przyciągania, a nie odpychania; jest niezwykle słaby - oczywiście stosunkowo; działa na olbrzymich, astronomicznych odległościach. Innymi słowy, jest to prawie dokładne przeciwieństwo płaskiej, cienkiej, nieprzeniknionej bariery, którą można znaleźć w prawie każdej powieści science fiction lub filmie. Na przykład piórko na podłogę przyciąga cała planeta - Ziemia,ale możemy łatwo pokonać grawitację Ziemi i jednym palcem unieść pióro. Uderzenie jednego z naszych palców może pokonać grawitację całej planety, która waży ponad sześć bilionów kilogramów.
2. Elektromagnetyzm (EM). Moc, która oświetla nasze miasta. Lasery, radio, telewizja, nowoczesna elektronika, komputery, Internet, elektryczność, magnetyzm to konsekwencje przejawów oddziaływania elektromagnetycznego. Jest to prawdopodobnie najbardziej użyteczna siła, jaką ludzkość zdołała okiełznać w swojej historii. W przeciwieństwie do grawitacji może działać zarówno na przyciąganie, jak i odpychanie. Jednak z kilku powodów nie nadaje się do roli pola siłowego. Po pierwsze, można go łatwo zneutralizować. Na przykład plastik lub inny nieprzewodzący materiał może z łatwością przeniknąć przez silne pole elektryczne lub magnetyczne. Kawałek plastiku wrzucony w pole magnetyczne będzie przez nie swobodnie przelatywał. Po drugie, elektromagnetyzm działa na duże odległości, nie jest łatwo skoncentrować go w płaszczyźnie. Prawa oddziaływania EM są opisane równaniami Jamesa Clerka Maxwella i wydaje się, że pola sił nie są rozwiązaniem tych równań.
3 i 4. Silne i słabe oddziaływania jądrowe. Słabe oddziaływanie to siła rozpadu radioaktywnego, tego, który podgrzewa radioaktywne jądro Ziemi. Ta moc stoi za erupcjami wulkanów, trzęsieniami ziemi i dryfem płyt kontynentalnych. Silne oddziaływanie nie pozwala na rozpad jąder atomów; dostarcza energii słońcu i gwiazdom oraz odpowiada za oświetlenie wszechświata. Problem polega na tym, że oddziaływanie jądrowe działa tylko na bardzo małe odległości, głównie w jądrze atomowym. Jest tak silnie związany z właściwościami samego rdzenia, że niezwykle trudno go kontrolować. Obecnie znamy tylko dwa sposoby wpływania na tę interakcję: możemy rozbić cząstkę subatomową na kawałki w akceleratorze lub zdetonować bombę atomową.
Chociaż pola ochronne science fiction nie są zgodne ze znanymi prawami fizyki, istnieją luki, które prawdopodobnie umożliwią utworzenie pola siłowego w przyszłości. Po pierwsze, istnieje prawdopodobnie piąty rodzaj fundamentalnej interakcji, której nikt jeszcze nie był w stanie zobaczyć w laboratorium. Może się na przykład okazać, że ta interakcja działa tylko na odległości od kilku cali do stopy - a nie na odległościach astronomicznych. (To prawda, że pierwsze próby wykrycia piątego rodzaju interakcji dały negatywne wyniki).
Po drugie, być może uda nam się zmusić plazmę do naśladowania niektórych właściwości pola siłowego. Plazma to „czwarty stan skupienia”. Pierwsze trzy, znane nam, stany skupienia są stałe, ciekłe i gazowe; niemniej jednak najpowszechniejszą formą materii we wszechświecie jest plazma: gaz złożony z zjonizowanych atomów. Atomy w plazmie nie są ze sobą połączone i są pozbawione elektronów, a zatem mają ładunek elektryczny. Można nimi łatwo sterować za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych.
Widzialna materia wszechświata istnieje w większości w postaci różnych rodzajów plazmy; powstaje z niego słońce, gwiazdy i gaz międzygwiazdowy. W zwykłym życiu prawie nigdy nie spotykamy plazmy, ponieważ na Ziemi zjawisko to jest rzadkie; niemniej jednak plazmę można zobaczyć. Wystarczy spojrzeć na błyskawicę, słońce lub telewizor plazmowy.
Okna plazmowe
Jak wspomniano powyżej, jeśli gaz zostanie podgrzany do wystarczająco wysokiej temperatury, a tym samym uzyskana zostanie plazma, wówczas za pomocą pól magnetycznych i elektrycznych będzie można go utrzymać i kształtować. Na przykład plazma może mieć kształt tafli lub szyby okiennej. Ponadto takie „okno plazmowe” może służyć jako przegrody między próżnią a zwykłym powietrzem. W zasadzie w ten sposób byłoby możliwe zatrzymanie powietrza wewnątrz statku kosmicznego, zapobiegając jego ucieczce w kosmos; plazma w tym przypadku tworzy wygodną przezroczystą powłokę, granicę między otwartą przestrzenią a statkiem.
W Star Trek pole siłowe jest częściowo wykorzystywane do izolowania przedziału, w którym znajduje się mały prom kosmiczny i skąd startuje z kosmosu. I to nie jest tylko sprytny sposób na zaoszczędzenie pieniędzy na dekoracjach; taki przezroczysty niewidoczny film można stworzyć.
Okno plazmowe zostało wynalezione w 1995 roku przez fizyka Eddiego Gershkovicha z Brookhaven National Laboratory (Long Island, Nowy Jork). Urządzenie to zostało opracowane w trakcie rozwiązywania innego problemu - problemu spawania metali za pomocą wiązki elektronów. Palnik acetylenowy spawacza topi metal strumieniem gorącego gazu, a następnie łączy ze sobą kawałki metalu. Wiadomo, że wiązka elektronów jest w stanie spawać metale szybciej, czyściej i taniej niż konwencjonalne metody spawania. Głównym problemem związanym z metodą spawania elektronowego jest to, że należy ją wykonywać w próżni. To wymaganie jest bardzo niewygodne, ponieważ oznacza zbudowanie komory próżniowej - być może wielkości całego pomieszczenia.
Aby rozwiązać ten problem, dr Gershkovich wynalazł okno plazmowe. To urządzenie ma tylko 3 stopy wysokości i 1 stopę średnicy; podgrzewa gaz do temperatury 6500 ° C, tworząc w ten sposób plazmę, która natychmiast wpada w pułapkę pól elektrycznych i magnetycznych. Cząsteczki plazmy, podobnie jak cząsteczki dowolnego gazu, wywierają ciśnienie, które zapobiega przedostawaniu się powietrza i wypełnianiu komory próżniowej. (W oknie plazmowym argon emituje niebieskawą poświatę, podobnie jak pole siłowe w Star Trek.)
Okno plazmowe z pewnością znajdzie szerokie zastosowanie w przemyśle kosmicznym i przemyśle. Nawet w przemyśle mikroobróbka i wytrawianie na sucho często wymagają próżni, ale może być bardzo kosztowne w procesie produkcyjnym. Ale teraz, dzięki wynalezieniu okna plazmowego, trzymanie próżni za naciśnięciem przycisku stanie się łatwe i niedrogie.
Ale czy okno plazmowe może służyć jako nieprzenikniona tarcza? Czy ochroni przed strzałem z armaty? Można sobie wyobrazić pojawienie się w przyszłości okien plazmowych o znacznie większej energii i temperaturze, wystarczającej do odparowania wpadających do nich przedmiotów. Aby jednak stworzyć bardziej realistyczne pole siłowe o cechach znanych z science fiction, konieczne będzie wielowarstwowe połączenie kilku technologii. Każda warstwa może sama w sobie nie być wystarczająco mocna, aby zatrzymać kulę armatnią, ale razem kilka warstw może wystarczyć.
Spróbujmy wyobrazić sobie strukturę takiego pola siłowego. Warstwa zewnętrzna, taka jak okno doładowania plazmowego, nagrzała się do temperatury wystarczającej do odparowania metali. Drugą warstwą mogłaby być kurtyna wysokoenergetycznych wiązek laserowych. Taka kurtyna złożona z tysięcy przecinających się wiązek laserowych utworzyłaby przestrzenną siatkę, która ogrzewałaby przechodzące przez nią obiekty i skutecznie je odparowywała. Porozmawiamy więcej o laserach w następnym rozdziale.
Dalej, za kurtyną lasera, można wyobrazić sobie przestrzenną siatkę „nanorurek węglowych” - maleńkich rur, składających się z pojedynczych atomów węgla, o ścianach grubości jednego atomu. Dlatego rury są wielokrotnie mocniejsze niż stal. Najdłuższa na świecie nanorurka węglowa ma obecnie zaledwie około 15 mm długości, ale już możemy przewidzieć dzień, w którym będziemy mogli stworzyć nanorurki węglowe o dowolnej długości. Załóżmy, że przestrzenną sieć można utkać z nanorurek węglowych; w tym przypadku otrzymujemy niezwykle wytrzymały ekran, który może odbijać większość obiektów. Ekran ten będzie niewidoczny, ponieważ grubość każdej nanorurki jest porównywalna z atomem, ale przestrzenna sieć nanorurek węglowych przewyższy wytrzymałość każdego innego materiału.
Mamy więc powód, by przypuszczać, że połączenie okna plazmowego, kurtyny laserowej i ekranu z nanorurek węglowych może służyć jako podstawa do stworzenia niemal nieprzeniknionej niewidzialnej ściany.
Ale nawet taka wielowarstwowa tarcza nie będzie w stanie zademonstrować wszystkich właściwości, które science fiction przypisuje polu siłowemu. Będzie więc przezroczysty, co oznacza, że nie będzie w stanie zatrzymać wiązki lasera. W walce z działami laserowymi nasze wielowarstwowe tarcze będą bezużyteczne.
Aby zatrzymać wiązkę lasera, tarcza musi, oprócz powyższego, mieć silnie zaznaczoną właściwość „fotochromatyczną”, czyli zmienną przezroczystość. Obecnie do produkcji okularów przeciwsłonecznych używa się materiałów o takich właściwościach, które mogą ciemnieć pod wpływem promieniowania UV. Zmienną przezroczystość materiału uzyskuje się dzięki zastosowaniu cząsteczek, które mogą istnieć w co najmniej dwóch stanach. W jednym stanie cząsteczek taki materiał jest przezroczysty. Ale pod wpływem promieniowania UV cząsteczki natychmiast zmieniają się w inny stan, a materiał traci przezroczystość.
Być może pewnego dnia będziemy w stanie wykorzystać nanotechnologię do uzyskania substancji, która jest tak silna jak nanorurki węglowe i może zmieniać swoje właściwości optyczne pod wpływem wiązki laserowej. Tarcza wykonana z takiej substancji będzie w stanie zatrzymać nie tylko przepływy cząstek czy pociski dział, ale także uderzenie lasera. Obecnie jednak nie ma materiałów o zmiennej przezroczystości, które mogłyby zatrzymać wiązkę lasera.
Lewitacja magnetyczna
W science fiction pola siłowe pełnią inną funkcję oprócz odpierania trafień z broni promieniowej, a mianowicie służą jako wsparcie, które pozwala pokonać siłę grawitacji. W Powrót do przyszłości Michael Fox jeździ na deskorolce lub pływającej desce; ta rzecz we wszystkim przypomina znajomą deskorolkę, tyle że „jeździ” w powietrzu, nad powierzchnią ziemi. Prawa fizyki, jakie znamy dzisiaj, nie pozwalają na wdrożenie takiego urządzenia antygrawitacyjnego (jak zobaczymy w rozdziale 10). Ale możesz sobie wyobrazić w przyszłości tworzenie innych urządzeń - pływających desek i pływających samochodów na poduszce magnetycznej; maszyny te pozwolą nam z łatwością podnosić i trzymać duże przedmioty. W przyszłości, jeśli „nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej” stanie się przystępną cenowo rzeczywistością,osoba będzie w stanie podnosić przedmioty w powietrze, korzystając z możliwości pól magnetycznych.
Jeśli doprowadzimy biegun północny magnesu trwałego do bieguna północnego innego tego samego magnesu, magnesy będą się odpychać. (Jeśli obrócimy jeden z magnesów i przeniesiemy go biegunem południowym do bieguna północnego drugiego, przyciągną dwa magnesy). Ta sama zasada - odpychanie tych samych biegunów magnesów - może być użyta do podnoszenia dużych ciężarów z ziemi. W kilku krajach budowane są już technicznie zaawansowane pociągi z zawieszeniem magnetycznym. Takie pociągi nie jeżdżą po torach, ale nad nimi w minimalnej odległości; zwykłe magnesy utrzymują je na wadze. Pociągi wydają się unosić w powietrzu i mogą osiągać rekordowe prędkości dzięki zerowemu tarciu.
Pierwszy na świecie komercyjny zautomatyzowany system transportowy na zawieszeniu magnetycznym został uruchomiony w 1984 roku w brytyjskim mieście Birmingham. Połączył terminal międzynarodowego lotniska i pobliski dworzec kolejowy. Pociągi z lewitacją magnetyczną jeżdżą również w Niemczech, Japonii i Korei, chociaż większość z nich nie jest przeznaczona do dużych prędkości. Pierwszy szybki komercyjny pociąg z lewitacją magnetyczną zaczął jeździć po części toru w Szanghaju; pociąg porusza się po autostradzie z prędkością do 431 km / h. Japoński pociąg maglev w prefekturze Yamanashi przyspieszył do prędkości 581 km / h - to znaczy poruszał się znacznie szybciej niż konwencjonalne pociągi na kołach.
Ale urządzenia z zawieszeniem magnetycznym są niezwykle drogie. Jednym ze sposobów na zwiększenie ich sprawności jest zastosowanie nadprzewodników, które schłodzone do temperatur bliskich zeru absolutnemu całkowicie tracą opór elektryczny. Zjawisko nadprzewodnictwa zostało odkryte w 1911 roku przez Heike Kamerling-Onnes. Jego istotą było to, że niektóre substancje po schłodzeniu do temperatury poniżej 20 K (20 ° powyżej zera absolutnego) tracą cały opór elektryczny. Z reguły po schłodzeniu metalu jego opór elektryczny stopniowo maleje. {Faktem jest, że przypadkowe drgania atomów zakłócają kierunkowy ruch elektronów w przewodniku. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się zakres przypadkowych wahań, a elektryczność doświadcza mniejszego oporu.) Ale Kamerling-Onnes, ku swojemu zdumieniu, stwierdziłże opór niektórych materiałów w określonej krytycznej temperaturze gwałtownie spada do zera.
Fizycy od razu zrozumieli znaczenie tego wyniku. W liniach przesyłowych na duże odległości tracone są znaczne ilości energii elektrycznej. Ale gdyby udało się wyeliminować opór, elektryczność mogłaby być przenoszona w dowolne miejsce prawie za darmo. Generalnie prąd elektryczny wzbudzony w obwodzie zamkniętym mógłby w nim krążyć bez strat energii przez miliony lat. Co więcej, z tych niezwykłych prądów nie byłoby trudno stworzyć magnesy o niesamowitej mocy. A za pomocą takich magnesów można by bez wysiłku podnosić ogromne ładunki.
Pomimo wspaniałych możliwości nadprzewodników, ich użycie jest bardzo trudne. Utrzymywanie dużych magnesów w zbiornikach z ekstremalnie zimnymi płynami jest bardzo kosztowne. Utrzymywanie płynów w niskiej temperaturze wymagałoby ogromnych fabryk zimna, które podniosłyby koszt magnesów nadprzewodzących do niebotycznych wysokości i uczyniłyby je nierentownymi.
Ale pewnego dnia fizycy mogą stworzyć substancję, która zachowuje właściwości nadprzewodzące nawet po podgrzaniu do temperatury pokojowej. Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej to święty Graal fizyków ciała stałego. Produkcja takich substancji prawdopodobnie będzie początkiem drugiej rewolucji przemysłowej. Silne pola magnetyczne, które mogą utrzymywać zawieszone samochody i pociągi, staną się tak tanie, że nawet „szybowce” będą ekonomicznie opłacalne. Jest bardzo możliwe, że wraz z wynalezieniem nadprzewodników, które zachowują swoje właściwości w temperaturze pokojowej, fantastyczne maszyny latające, które widzimy w filmach „Powrót do przyszłości”, „Raport mniejszości” i „Gwiezdne wojny” staną się rzeczywistością.
W zasadzie można sobie wyobrazić, że dana osoba będzie mogła założyć specjalny pas wykonany z magnesów nadprzewodzących, który pozwoli mu swobodnie lewitować nad ziemią. Z takim pasem można było latać w powietrzu, jak Superman. Ogólnie rzecz biorąc, nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest tak niezwykłym zjawiskiem, że wynalezienie i zastosowanie takich nadprzewodników jest opisane w wielu powieściach science fiction (takich jak seria powieści o Pierścieniu, stworzona przez Larry'ego Niven w 1970 r.).
Fizycy od dziesięcioleci bezskutecznie szukali substancji, które w temperaturze pokojowej wykazywałyby nadprzewodnictwo. To był żmudny, nudny proces - szukanie go metodą prób i błędów, testowanie jednego materiału po drugim. Jednak w 1986 roku odkryto nową klasę substancji, które nazwano „nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi”; substancje te uzyskały nadprzewodnictwo w temperaturach rzędu 90 ° powyżej zera absolutnego, czyli 90 K. To odkrycie stało się prawdziwą sensacją w świecie fizyki. Wydawało się, że śluza się otworzyła. Miesiąc po miesiącu fizycy rywalizowali ze sobą o ustanowienie nowego rekordu świata w dziedzinie nadprzewodnictwa. Przez chwilę wydawało się nawet, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej zniknie z kart powieści science fiction i stanie się rzeczywistością. Jednak po kilku latach szybkiego rozwoju, badania w dziedzinie nadprzewodników wysokotemperaturowych zaczęły zwalniać.
Obecnie rekord świata w dziedzinie nadprzewodników wysokotemperaturowych należy do substancji będącej złożonym tlenkiem miedzi, wapnia, baru, talu i rtęci, który w temperaturze 138 K (-135 ° C) staje się nadprzewodnikiem. Ta stosunkowo wysoka temperatura jest nadal bardzo daleka od temperatury pokojowej. Ale to także ważny kamień milowy. Azot staje się płynny przy 77 K, a ciekły azot kosztuje mniej więcej tyle samo, co zwykłe mleko. Dlatego do chłodzenia nadprzewodników wysokotemperaturowych można użyć zwykłego ciekłego azotu, jest to niedrogie. (Oczywiście nadprzewodniki, które pozostają w temperaturze pokojowej, w ogóle nie wymagają chłodzenia).
Kolejna rzecz jest nieprzyjemna. Obecnie nie ma teorii, która wyjaśniałaby właściwości nadprzewodników wysokotemperaturowych. Ponadto przedsiębiorczy fizyk, który będzie potrafił wyjaśnić, jak one działają, otrzyma Nagrodę Nobla. (W znanych nadprzewodnikach wysokotemperaturowych atomy są zorganizowane w odrębne warstwy. Wielu fizyków sugeruje, że to nawarstwianie materiału ceramicznego pozwala elektronom na swobodne poruszanie się w każdej warstwie, tworząc w ten sposób nadprzewodnictwo. Ale jak i dlaczego tak się dzieje, pozostaje tajemnicą.)
Brak wiedzy zmusza fizyków do poszukiwania nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych w staroświecki sposób, metodą prób i błędów. Oznacza to, że notoryczne nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej można odkryć w dowolnym momencie, jutro, za rok lub w ogóle. Nikt nie wie, kiedy zostanie znaleziona substancja o takich właściwościach i czy w ogóle się znajdzie.
Ale jeśli nadprzewodniki zostaną odkryte w temperaturze pokojowej, ich odkrycie może wywołać ogromną falę nowych wynalazków i zastosowań komercyjnych. Pola magnetyczne milion razy silniejsze niż ziemskie (które wynosi 0,5 gausa) mogą stać się powszechne.
Jedną z właściwości właściwych wszystkim nadprzewodnikom jest zjawisko Meissnera. Jeśli umieścisz magnes nad nadprzewodnikiem, będzie on unosił się w powietrzu, jakby był wspierany przez niewidzialną siłę. [Przyczyną efektu Meissnera jest to, że magnes ma właściwość tworzenia własnego „lustrzanego odbicia” wewnątrz nadprzewodnika, tak że prawdziwy magnes i jego odbicie zaczynają się odpychać. Innym graficznym wyjaśnieniem tego efektu jest to, że nadprzewodnik jest nieprzepuszczalny dla pola magnetycznego. To jakby wypycha pole magnetyczne. Dlatego, jeśli umieścisz magnes nad nadprzewodnikiem, linie siły magnesu zostaną zniekształcone po zetknięciu z nadprzewodnikiem. Te linie siły popchną magnes w górę, powodując jego lewitację).
Jeśli ludzkość otrzyma możliwość wykorzystania efektu Meissnera, można sobie wyobrazić autostradę przyszłości pokrytą tak specjalną ceramiką. Następnie za pomocą magnesów umieszczonych na naszym pasku lub na dnie samochodu możemy w magiczny sposób unosić się nad drogą i pędzić do celu bez tarcia i utraty energii.
Efekt Meissnera działa tylko z materiałami magnetycznymi, takimi jak metale, ale magnesy nadprzewodzące mogą być również używane do lewitacji materiałów niemagnetycznych zwanych paramagnetykami lub diamagnesami. Substancje te same w sobie nie są magnetyczne; zdobywają je tylko w obecności i pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Paramagnesy są przyciągane przez magnes zewnętrzny, diamagnesy są odpychane.
Na przykład woda jest diamagnetykiem. Ponieważ wszystkie żywe istoty są zbudowane z wody, one również mogą lewitować w obecności silnego pola magnetycznego. W polu o indukcji magnetycznej około 15 T (30 000 razy silniejszej niż pole magnetyczne Ziemi) naukowcom udało się już zmusić małe zwierzęta, takie jak żaby, do lewitacji. Ale jeśli nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej stanie się rzeczywistością, możliwe będzie uniesienie w powietrze dużych niemagnetycznych obiektów, wykorzystując ich właściwości diamagnetyczne.
Podsumowując, zauważamy, że pola sił w postaci, w jakiej zazwyczaj opisuje je literatura science fiction, nie zgadzają się z opisem czterech fundamentalnych interakcji w naszym Wszechświecie. Można jednak założyć, że człowiek będzie w stanie naśladować wiele właściwości tych fikcyjnych pól za pomocą wielowarstwowych osłon, w tym okien plazmowych, kurtyn laserowych, nanorurek węglowych i substancji o zmiennej przezroczystości. Ale w rzeczywistości taką tarczę można opracować dopiero za kilka dziesięcioleci, a nawet za sto lat. A jeśli odkryje się nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, ludzkość będzie miała możliwość wykorzystania potężnych pól magnetycznych; być może z ich pomocą uda się podnieść w powietrze samochody i pociągi, jak to widzimy w filmach science fiction.
Biorąc to wszystko pod uwagę, zaklasyfikowałbym pola sił do I klasy niemożliwości, to znaczy zdefiniowałbym je jako coś niemożliwego dla dzisiejszych technologii, ale zaimplementowanych w zmodyfikowanej formie w ciągu najbliższego stulecia.