"Skydai aukštyn!" - tai yra pirmasis užsakymas, kuris nesibaigiantiame seriale „Žvaigždžių kelias“savo komandai suteikia atšiaurų kapitono Kirko balsą; paklusdamas įsakymui, įgula įjungia jėgos laukus, skirtus erdvėlaiviui „Enterprise“apsaugoti nuo priešo ugnies.
„Star Trek“siužete jėgos laukai yra tokie svarbūs, kad jų būklė gali nulemti mūšio baigtį. Kai tik jėgos lauko energija išeikvojama, o įmonės korpusas pradeda gautis, tuo toliau, tuo labiau gniuždomas; ilgainiui pralaimėjimas tampa neišvengiamas.
- „Salik.biz“
Taigi, kas yra apsauginis jėgos laukas? Mokslinėje fantastikoje tai apgaulingai paprastas dalykas: plona, nematoma, tačiau nepralaidi kliūtis, galinti vienodai lengvai atspindėti lazerio spindulius ir raketas. Iš pirmo žvilgsnio jėgos laukas atrodo toks paprastas, kad jo pagrindu sukurti ir netrukus sukurti kovos skydai atrodo neišvengiami. Taigi jūs tikitės, kad ne šiandien ar rytoj koks nors išradingas išradėjas paskelbs, kad jam pavyko gauti apsauginį jėgos lauką. Tačiau tiesa yra daug sudėtingesnė.
Kaip ir Edisono lemputė, radikaliai pakeitusi šiuolaikinę civilizaciją, jėgos laukas be išimties gali giliai paveikti visus mūsų gyvenimo aspektus. Kariuomenė panaudos jėgos lauką, kad taptų neliečiama, o jo pagrindu sudarytų nepraeinamą skydą nuo priešo raketų ir kulkų. Teoriškai vienu mygtuko paspaudimu būtų galima sukurti tiltus, spalvingus greitkelius ir kelius. Ištisi miestai dykumoje atsidurtų tarsi stebuklingai; viskas juose, iki dangoraižių, būtų pastatyta tik iš jėgos laukų. Jėgos lauko kupolai virš miestų leistų jų gyventojams savavališkai valdyti oro įvykius - audros vėjus, sniego audras, tornadas. Pagal saugų pajėgų lauko baldakimą miestai galėjo būti statomi net vandenynų apačioje. Stiklo, plieno ir betono galima visiškai atsisakyti,pakeičiant visas statybines medžiagas jėgos laukais.
Bet kaip bebūtų keista, jėgos laukas pasirodo esąs vienas iš tų reiškinių, kuriuos atkurti laboratorijoje yra nepaprastai sunku. Kai kurie fizikai net mano, kad nepakeitus jo savybių to padaryti visai nebus įmanoma.
Michaelas Faradėjus
Fizinio lauko samprata kilo iš didžiojo XIX amžiaus britų mokslininko darbų. Michaelas Faradėjus.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Faradėjaus tėvai priklausė darbininkų klasei (jo tėvas buvo kalvis). Jis pats 1800-ųjų pradžioje. buvo knygnešio mokinys ir išaiškino gana apgailėtiną egzistavimą. Tačiau jaunasis Faradėjus sužavėjo neseniai įvykęs milžiniškas mokslo proveržis - dviejų naujų jėgų - elektros ir magneto - paslaptingų savybių atradimas. Jis nekantriai praryjo visą turimą informaciją šiais klausimais ir dalyvavo profesoriaus Humphrey Davy paskaitose iš Karališkojo instituto Londone.
Profesorius Davy vieną kartą rimtai sužeidė akis per nesėkmingą chemijos eksperimentą; reikėjo sekretoriaus, ir jis užėmė Faradėjaus šias pareigas. Palaipsniui jaunuolis pelnė mokslininkų pasitikėjimą Karališkojoje institucijoje ir sugebėjo atlikti svarbius savo eksperimentus, nors jam dažnai tekdavo kęsti atmestiną požiūrį. Metams bėgant, profesorius Davy vis labiau pavydėjo savo talentingo jauno padėjėjo, kuris iš pradžių buvo laikomas kylančia žvaigžde eksperimentiniuose sluoksniuose, ir laikui bėgant užtemdė paties Davy šlovę, sėkmės. Tik po Davy mirties 1829 m. Faradėjus gavo mokslinę laisvę ir padarė visą eilę stulbinamų atradimų. Jų rezultatas buvo elektros generatorių, kurie tiekė energiją ištisiems miestams ir pakeitė pasaulio civilizacijos eigą, sukūrimas.
Svarbiausių Faradėjaus atradimų raktas buvo jėgos arba fiziniai laukai. Jei uždedate geležines drožles virš magneto ir sukraunate, paaiškėja, kad drožlės dera prie modelio, kuris primena voratinklį ir užima visą aplink magneto vietą. „Žiniatinklio gijos“yra Faradėjaus jėgos linijos. Jie aiškiai parodo, kaip elektriniai ir magnetiniai laukai pasiskirsto erdvėje. Pavyzdžiui, jei grafiškai pavaizduosite Žemės magnetinį lauką, pamatysite, kad linijos yra kilusios iš kažkur Šiaurės ašigalio srityje, o tada grįžta ir vėl eina į žemę Pietų ašigalio srityje. Panašiai, jei pavaizduojate žaibo elektrinio lauko jėgos linijas perkūnijos metu, paaiškėja, kad jos suartėja žaibo gale.
Tuščia Faraday vieta nebuvo tuščia; jis buvo užpildytas jėgos linijomis, kurios galėjo priversti tolimus objektus judėti.
(Vargšasis Faradėjaus jaunimas trukdė jam įgyti oficialų išsilavinimą, be to, jis turėjo mažai žinių apie matematiką; dėl to jo užrašų knygelės buvo užpildytos ne lygtimis ir formulėmis, o rankomis nubrėžtomis lauko linijų schemomis. Ironiška, kad būtent jo nebuvimas matematikos paskatino sukurti puikias diagramas. jėgos linijos, kurias šiandien galima pamatyti bet kuriame fizikos vadovėlyje. Fizinis vaizdas moksle dažnai yra svarbesnis nei matematinis aparatas, kuris naudojamas apibūdinti.)
Istorikai pateikė daugybę prielaidų, kas būtent paskatino Faradėjaus fizinių laukų atradimą - vieną iš svarbiausių sąvokų viso pasaulio mokslo istorijoje. Tiesą sakant, visa šiuolaikinė fizika, be išimčių, yra parašyta Faradėjaus laukų kalba. 1831 m. Faradėjus padarė svarbų atradimą fizinių laukų srityje, kuris amžiams pakeitė mūsų civilizaciją. Vieną dieną nešdamas magnetuką - vaiko žaislą - per vielos rėmą, jis pastebėjo, kad rėmelyje susidaro elektros srovė, nors magnetas jo nelietė. Tai reiškė, kad nematomas magneto laukas gali priversti elektronus judėti per atstumą, sukurdamas srovę.
Faradėjaus jėgos laukai, kurie iki šio momento buvo laikomi nenaudingais paveikslėliais, tuščios fantazijos vaisiu, pasirodė esanti tikra materiali jėga, galinti judinti daiktus ir generuoti energiją. Šiandien galime tvirtai pasakyti, kad šviesos šaltinį, kurį naudojate skaitydami šį puslapį, maitina Faradėjaus atradimai elektromagnetizmo srityje. Besisukantis magnetas sukuria lauką, kuris stumia elektronus į laidininką ir priverčia juos judėti, sukurdamas elektros srovę, kuri vėliau gali būti naudojama elektros lemputei maitinti. Elektros generatoriai remiasi šiuo principu ir tiekia energiją viso pasaulio miestams. Pavyzdžiui, iš užtvankos krintantis vandens srautas sukelia turbinos milžiniško magneto sukimąsi; magnetas stumia elektronus viela, sudarydamas elektros srovę; srovė, savo ruožtu,teka aukštos įtampos laidais į mūsų namus.
Kitaip tariant, Michaelio Faradėjaus jėgos laukai yra pačios jėgos, kurios varo šiuolaikinę civilizaciją, visas jos apraiškas - nuo elektrinių lokomotyvų iki naujausių skaičiavimo sistemų, interneto ir kišeninių kompiuterių.
Pusantro šimtmečio Faradėjaus fiziniai laukai įkvėpė tolesnius fizikų tyrimus. Pavyzdžiui, Einšteinas buvo toks stipriai paveiktas, kad savo gravitacijos teoriją suformulavo fizinių laukų kalba. Faradėjaus darbai padarė stiprų įspūdį ir man. Prieš keletą metų sėkmingai suformulavau styginių teoriją pagal Faradėjaus fizinius laukus, taip padėdamas pagrindą stygų lauko teorijai. Fizikoje pasakyti apie žmogų, kuris, jo manymu, galios linijomis reiškia tam asmeniui rimtą komplimentą.
Keturios pagrindinės sąveikos
Vienas didžiausių fizikos laimėjimų per pastaruosius du tūkstantmečius buvo keturių sąveikos rūšių, valdančių Visatą, identifikavimas ir apibrėžimas. Juos visus galima apibūdinti laukų, kuriems mes skolingi Faradėjus, kalba. Deja, tačiau nė viena iš keturių rūšių neturi visų jėgos laukų, aprašytų daugelyje mokslinės fantastikos knygų, savybių. Išvardinkime šias sąveikos rūšis.
1. Gravitacija. Tyli jėga, neleidžianti mūsų kojoms palikti atramos. Tai neleidžia žemei ir žvaigždėms byrėti, padeda išsaugoti Saulės sistemos ir Galaktikos vientisumą. Be gravitacijos, planetos sukimasis mus atstotų nuo žemės ir į kosmosą 1000 mylių per valandą greičiu. Problema ta, kad gravitacijos savybės yra visiškai priešingos fantastinių jėgos laukų savybėms. Gravitacija yra traukos jėga, o ne atstūmimas; jis yra labai silpnas - palyginti, žinoma; jis veikia dideliais astronominiais atstumais. Kitaip tariant, beveik bet kuriame mokslinės fantastikos romane ar filme galima rasti beveik visiškai priešingą plokščią, ploną, nepraeinamą užtvarą. Pavyzdžiui, plunksną į grindis traukia visa planeta - Žemė,bet mes galime lengvai įveikti Žemės sunkumą ir pakelti plunksną vienu pirštu. Vieno iš mūsų pirštų smūgis gali įveikti visos planetos, sveriančios daugiau nei šešis trilijonus kilogramų, sunkumą.
2. Elektromagnetizmas (EM). Galia, kuri apšviečia mūsų miestus. Lazeriai, radijas, televizija, moderni elektronika, kompiuteriai, internetas, elektra, magnetizmas yra visos elektromagnetinės sąveikos pasireiškimo pasekmės. Tai turbūt pati naudingiausia jėga, kurią žmonija sugebėjo panaudoti per savo istoriją. Skirtingai nuo sunkio jėgos, jis gali veikti tiek traukdamas, tiek atstumdamas. Tačiau jis nėra tinkamas jėgos lauko vaidmeniui dėl kelių priežasčių. Pirma, ją galima lengvai neutralizuoti. Pavyzdžiui, plastikas ar bet kokia kita nelaidi medžiaga gali lengvai prasiskverbti pro galingą elektrinį ar magnetinį lauką. Į magnetinį lauką įmestas plastiko gabalas gali laisvai skristi pro jį. Antra, elektromagnetizmas veikia dideliais atstumais, nėra lengva jį sukoncentruoti plokštumoje. EM sąveikos dėsnius apibūdina Džeimso Clerko Maxwello lygtys ir atrodo, kad jėgos laukai nėra šių lygčių sprendimas.
3 ir 4. Stipri ir silpna branduolinė sąveika. Silpna sąveika yra radioaktyvaus skilimo jėga, kuri sušildo Žemės radioaktyvųjį branduolį. Ši galia slypi dėl ugnikalnių išsiveržimų, žemės drebėjimų ir žemyninių plokščių dreifo. Stipri sąveika neleidžia atomų branduoliams byrėti; jis teikia energiją saulei ir žvaigždėms bei yra atsakingas už Visatos apšvietimą. Problema ta, kad branduolinė sąveika veikia tik labai mažais atstumais, daugiausia atominiame branduolyje. Tai taip stipriai susijusi su pačios šerdies savybėmis, kad ją valdyti yra nepaprastai sunku. Šiuo metu mes žinome tik du būdus, kaip paveikti šią sąveiką: galime padalinti subatominę dalelę į dalis greitintuve arba detonuoti atominę bombą.
Nors mokslinės fantastikos apsauginiai laukai nepaklūsta žinomiems fizikos dėsniams, yra spragų, kurios, tikėtina, ateityje leis sukurti jėgos lauką. Pirma, yra galbūt penktasis pamatinės sąveikos tipas, kurio dar niekas negalėjo pamatyti laboratorijoje. Pavyzdžiui, gali paaiškėti, kad ši sąveika veikia tik kelių colių atstumu iki snukio, o ne astronominiais atstumais. (Tiesa, pirmieji bandymai nustatyti penktojo tipo sąveiką davė neigiamų rezultatų.)
Antra, galime gauti plazmą, kad ji imituotų kai kurias jėgos lauko savybes. Plazma yra „ketvirtoji materijos būsena“. Pirmosios trys mums žinomos materijos būsenos yra kietos, skystos ir dujinės; vis dėlto labiausiai paplitusi materijos forma Visatoje yra plazma: dujos, sudarytos iš jonizuotų atomų. Plazmos atomai nėra sujungti vienas su kitu ir neturi elektronų, todėl turi elektros krūvį. Juos galima lengvai valdyti naudojant elektrinius ir magnetinius laukus.
Matoma Visatos materija daugiausia egzistuoja įvairių rūšių plazmos pavidalu; iš jo susidaro saulė, žvaigždės ir tarpžvaigždinės dujos. Įprastame gyvenime beveik niekada nesusiduriame su plazma, nes Žemėje šis reiškinys yra retas; vis dėlto plazmą galima pamatyti. Viskas, ką jums reikia padaryti, tai žaibas, saulė ar plazminio televizoriaus ekranas.
Plazminiai langai
Kaip minėta aukščiau, jei dujos kaitinamos iki pakankamai aukštos temperatūros ir tokiu būdu gaunama plazma, tada naudojant magnetinius ir elektrinius laukus jas bus galima laikyti ir formuoti. Pvz., Plazma gali būti formos kaip lakštas arba lango stiklas. Be to, toks „plazmos langas“gali būti naudojamas kaip pertvara tarp vakuumo ir paprasto oro. Iš esmės tokiu būdu būtų galima išlaikyti orą erdvėlaivio viduje, užkertant kelią jam ištrūkti į kosmosą; plazma šiuo atveju sudaro patogų skaidrų apvalkalą, ribą tarp atviros erdvės ir laivo.
„Star Trek“jėgos laukas iš dalies naudojamas norint izoliuoti skyrių, kuriame yra mažas kosminis šaudmuo ir kur jis prasideda nuo kosmoso. Jei norite sutaupyti pinigų dekoracijoms, tai nėra tik protingas triukas; tokį skaidrų nematomą filmą galima sukurti.
Plazmos langą 1995 m. Išrado fizikas Eddie Gerškovičius Brookhaveno nacionalinėje laboratorijoje (Long Island, Niujorkas). Šis prietaisas buvo sukurtas sprendžiant kitą problemą - metalų suvirinimo naudojant elektronų pluoštą problemą. Suvirintojo acetileno degiklis išlydo metalą karštų dujų srautu, o po to sujungia metalo gabalus. Yra žinoma, kad elektronų pluoštas suvirina metalus greičiau, švariau ir pigiau nei įprasti suvirinimo metodai. Pagrindinė elektronų suvirinimo metodo problema yra ta, kad jis turi būti atliekamas vakuume. Šis reikalavimas yra labai nepatogus, nes reiškia vakuuminės kameros statybą - galbūt viso kambario dydį.
Norėdami išspręsti šią problemą, dr. Gerškovičius išrado plazmos langą. Šis prietaisas yra tik 3 pėdų aukščio ir 1 pėdos skersmens; jis sušildo dujas iki 6500 ° C temperatūros ir taip sukuria plazmą, kuri iškart patenka į elektrinio ir magnetinio lauko spąstus. Plazmos dalelės, kaip ir bet kurių dujų dalelės, daro slėgį, neleidžiantį orui įsipilti ir užpildyti vakuumo kameros. (Kai jis naudojamas plazmos lange, argonas skleidžia melsvą spindesį, kaip ir jėgos laukas „Star Trek“.)
Akivaizdu, kad plazmos langas bus plačiai pritaikytas kosmoso pramonėje ir pramonėje. Net pramonėje mikrotraumuoti ir sausam ofortui dažnai reikia vakuumo, tačiau tai gali būti labai brangu naudoti gamybos procese. Tačiau dabar, išradus plazmos langą, vakuumo palaikymas mygtuko paspaudimu taps lengvas ir nebrangus.
Bet ar plazmos langą galima naudoti kaip nepraeinamą skydą? Ar jis apsaugos nuo patrankos šūvio? Galima įsivaizduoti, kaip ateityje atsiras plazminiai langai, kurių energija ir temperatūra bus daug didesnė, pakankama į juos patenkančių daiktų išgarinti. Bet norint sukurti realistiškesnį jėgos lauką, turintį iš mokslinės fantastikos žinomas savybes, reikės daugiasluoksnio kelių technologijų derinio. Kiekvienas sluoksnis negali būti pakankamai stiprus, kad sustabdytų patrankos sviedinį, tačiau kartu gali pakakti kelių sluoksnių.
Pabandykime įsivaizduoti tokio jėgos lauko struktūrą. Išorinis sluoksnis, pavyzdžiui, perkraunamas plazmos langas, pašildomas iki tokios temperatūros, kad būtų galima garinti metalus. Antrasis sluoksnis gali būti aukštos energijos lazerio pluošto uždanga. Tokia tūkstančius kertančių lazerio pluošto užuolaidų būtų sukurta erdvinė grotelė, kuri šildytų pro ją einančius daiktus ir efektyviai garintų. Daugiau apie lazerius kalbėsime kitame skyriuje.
Be to, už lazerio uždangos galima įsivaizduoti „anglies nanovamzdelių“erdvinę gardelę - mažus atskirų anglies atomų vamzdelius, kurių vienos sienelės yra storos. Taigi vamzdžiai daug kartų tvirtesni už plieninius. Ilgiausias pasaulyje anglies nanovamzdelis šiuo metu yra tik apie 15 mm ilgio, tačiau jau galime numatyti dieną, kai galėsime sukurti savavališko ilgio anglies nanovamzdelius. Tarkime, kad erdvinį tinklą galima pinti iš anglies nanovamzdelių; tokiu atveju gauname ypač tvirtą ekraną, kuris gali atspindėti daugumą objektų. Šis ekranas bus nematomas, nes kiekvieno atskiro nanovamzdelio storis yra panašus į atomo, tačiau anglies nanovamzdelių erdvinis tinklas pralenks visas kitas stiprumo medžiagas.
Taigi, mes turime pagrindo manyti, kad plazmos lango, lazerinės užuolaidos ir anglies nanovamzdelių ekrano derinys gali būti pagrindas beveik nepastebimai nematomai sienai sukurti.
Bet net ir toks daugiasluoksnis skydas nesugebės įrodyti visų savybių, kurias mokslinė fantastika priskiria jėgos laukui. Taigi, jis bus skaidrus, o tai reiškia, kad jis negalės sustabdyti lazerio spindulio. Kovoje su lazerinėmis patrankomis mūsų daugiasluoksniai skydai bus nenaudingi.
Kad sustabdytų lazerio spindulį, skydas, be to, kas paminėta aukščiau, turi turėti ryškų „fotochromatinio“ar kintamo skaidrumo savybes. Šiuo metu gaminant saulės akinius naudojamos tokios charakteristikos medžiagos, kurios, veikiant UV spinduliams, gali tamsėti. Kintamas medžiagos skaidrumas pasiekiamas naudojant molekules, kurios gali egzistuoti bent dviejose būsenose. Vienoje molekulių būsenoje tokia medžiaga yra skaidri. Bet veikiamos UV spinduliuotės, molekulės akimirksniu pasikeičia į kitą būseną ir medžiaga praranda skaidrumą.
Galbūt vieną dieną mes galėsime panaudoti nanotechnologijas, kad gautume tokią pat stiprią medžiagą kaip anglies nanovamzdeliai ir, veikdami lazerio spinduliu, galėtume pakeisti savo optines savybes. Skydas, pagamintas iš tokios medžiagos, galės sustabdyti ne tik dalelių tekėjimą ar patrankos sviedinius, bet ir lazerio smūgį. Tačiau šiuo metu nėra medžiagų, kurių skaidrumas kintamas ir kurios galėtų sustabdyti lazerio spindulį.
Magnetinė levitacija
Mokslinėje fantastikoje jėgos laukai atlieka ne tik atstumą nuo spindulinių ginklų, bet ir atlieka dar vieną funkciją, būtent, jie yra atrama, leidžianti įveikti sunkio jėgą. „Atgal į ateitį“Michaelas Foxas važiuoja ant lentos arba plūduriuojančia lenta; šis dalykas visame kame primena pažįstamą riedlentę, tik ji „važiuoja“oru, virš žemės paviršiaus. Fizikos įstatymai, tokius, kokius juos šiandien žinome, neleidžia įgyvendinti tokio antigravitacinio įtaiso (kaip pamatysime 10 skyriuje). Bet jūs galite įsivaizduoti ateityje kuriant kitus įrenginius - plaukiojančias lentas ir plūduriuojančius automobilius ant magnetinės pagalvėlės; šios mašinos leis mums lengvai pakelti ir laikyti didelius daiktus. Ateityje, jei „kambario temperatūros superlaidumas“taps prieinama realybe,asmuo galės pakelti daiktus į orą naudodamasis magnetinių laukų galimybėmis.
Jei nuolatinio magneto šiaurinį polių nustumime į kito to paties magneto šiaurinį polių, magnetai atstumia vienas kitą. (Jei vieną magnetą apversime ir nunešime jį su savo pietų ašigaliu į kito šiaurinį polių, bus patraukti du magnetai.) Tas pats principas - kad tie patys magnetų poliai atstumtų - gali būti naudojami keliant didžiulius svorius nuo žemės paviršiaus. Keliose šalyse jau statomi techniškai pažangūs magnetinės pakabos traukiniai. Tokie traukiniai nesisukinėja išilgai bėgių, o per juos mažiausiu atstumu; paprasti magnetai sulaiko juos pagal svorį. Atrodo, kad traukiniai plūduriuoja ore ir dėl nulinės trinties gali pasiekti rekordinį greitį.
Pirmoji pasaulyje komercinė automatizuota magnetinės pakabos transporto sistema buvo paleista 1984 m. Britanijos mieste Birmingame. Jis sujungė tarptautinio oro uosto terminalą ir šalia esančią geležinkelio stotį. Magnetinės levitacijos traukiniai taip pat veikia Vokietijoje, Japonijoje ir Korėjoje, nors dauguma jų nėra skirti dideliam greičiui. Šanchajuje pradėjo važiuoti pirmasis greitaeigis komercinės magnetinės levitacijos traukinys; šis traukinys greitkeliu juda greičiu iki 431 km / h. Japoniškas „Maglev“traukinys Jamanashi prefektūroje įsibėgėjo iki 581 km / h greičio - tai yra, jis judėjo daug greičiau nei įprasti traukiniai ant ratų.
Tačiau magnetiniu būdu pakabinami įtaisai yra ypač brangūs. Vienas iš būdų padidinti jų efektyvumą yra superlaidininkų naudojimas, kurie, atvėsę iki beveik absoliučios nulio temperatūros, visiškai praranda savo elektrinę varžą. Superlaidumo fenomeną 1911 metais atrado Heike Kamerling-Onnes. Jo esmė buvo ta, kad kai kurios medžiagos, atvėsusios iki žemesnės nei 20 K (20 ° virš absoliučios nulio) temperatūros, praranda visą elektrinę varžą. Paprastai atvėsus metalui palaipsniui mažėja jo elektrinė varža. {Faktas yra tas, kad atsitiktiniai atomų virpesiai trukdo kryptingai judėti elektronams laidininku. Mažėjant temperatūrai, atsitiktinių svyravimų diapazonas mažėja, o elektra patiria mažesnį pasipriešinimą.) Tačiau Kamerlingas-Onnesas, savo nuostabai, radokad kai kurių medžiagų atsparumas tam tikroje kritinėje temperatūroje smarkiai nukrenta iki nulio.
Fizikai iškart suprato šio rezultato svarbą. Dideli atstumai perdavimo linijose prarandami dideliu kiekiu elektros energijos. Bet jei pasipriešinimą būtų galima pašalinti, elektra galėtų būti perduodama bet kur beveik nieko. Apskritai, uždarame kontūre sužadinta elektros srovė galėtų cirkuliuoti joje be energijos nuostolių milijonus metų. Be to, iš šių nepaprastų srovių nebus sunku sukurti neįtikėtinos galios magnetus. Ir su tokiais magnetais būtų galima be pastangų pakelti didžiulius krovinius.
Nepaisant nuostabių superlaidininkų galimybių, juos naudoti labai sunku. Laikyti didelius magnetus ypač šaltų skysčių rezervuaruose yra labai brangu. Norėdami išlaikyti skysčius šaltai, prireiktų didžiulių šalčio gamyklų, kurios padidintų superlaidžių magnetų kainą iki dangaus aukščio ir padarytų juos nuostolingus.
Bet vieną dieną fizikai gali sukurti medžiagą, kuri išlaikytų superlaidžias savybes net ir kaitinant iki kambario temperatūros. Superlaidumas kambario temperatūroje yra šventasis kietojo kūno fizikų gralis. Tokių medžiagų gamyba greičiausiai yra antrosios pramonės revoliucijos pradžia. Galingi magnetiniai laukai, galintys sulaikyti automobilius ir traukinius, taps tokie pigūs, kad net „sklandantys automobiliai“gali būti ekonomiškai perspektyvūs. Labai įmanoma, kad išradus superlaidintuvus, išlaikančius savo savybes kambario temperatūroje, fantastiškos skraidymo mašinos, kurias matome filmuose „Atgal į ateitį“, „Mažumų ataskaita“ir „Žvaigždžių karai“, taps realybe.
Iš esmės yra visiškai įsivaizduojama, kad žmogus galės užsimauti specialų diržą, pagamintą iš superlaidžių magnetų, kuris leis jam laisvai judėti virš žemės. Turėdamas tokį diržą, žmogus galėtų skristi per orą, kaip antai „Supermenas“. Apskritai, superlaidumas kambario temperatūroje yra toks puikus reiškinys, kad tokių superlaidininkų išradimas ir panaudojimas aprašytas daugelyje mokslinės fantastikos romanų (pavyzdžiui, romanų serijoje apie žiedinį pasaulį, sukurto Larry Niven 1970 m.).
Dešimtmečiais fizikai nesėkmingai ieškojo medžiagų, kurios turėtų superlaidumą kambario temperatūroje. Tai buvo nuobodus, nuobodus procesas - jo ieškojo bandymais ir klaidomis, išbandydamas vieną medžiagą po kitos. Bet 1986 m. Buvo aptikta nauja medžiagų klasė, kuri buvo vadinama „superlaidininkais aukštoje temperatūroje“; šios medžiagos įgijo superlaidumą esant 90 ° C aukštesnei nei absoliučiai nuliui arba 90 K temperatūrai. Šis atradimas tapo tikru sensacija fizikos pasaulyje. Atrodė, kad oro užraktas atsidarė. Mėnesis po mėnesio fizikai varžėsi tarpusavyje dėl naujo superlaidumo pasaulio rekordo nustatymo. Kurį laiką net atrodė, kad superlaidumas kambario temperatūroje išnyks iš mokslinės fantastikos romanų puslapių ir taps realybe. Tačiau po kelerių metų spartios plėtros moksliniai tyrimai aukštų temperatūrų superlaidininkų srityje pradėjo lėtėti.
Šiuo metu pasaulio aukštųjų temperatūrų superlaidininkų rekordas priklauso medžiagai, kuri yra sudėtingas vario, kalcio, bario, talio ir gyvsidabrio oksidas, kuris tampa superlaidus 138 K (-135 ° C) temperatūroje. Ši palyginti aukšta temperatūra vis dar yra labai toli nuo kambario temperatūros. Tačiau tai taip pat svarbus etapas. Azotas tampa skystas esant 77 K, o skystas azotas kainuoja maždaug tiek pat, kiek įprastas pienas. Todėl, norint atšaldyti aukštos temperatūros superlaidininkus, gali būti naudojamas paprastas skystas azotas, jis yra nebrangus. (Žinoma, superlaidininkams, kurie išlieka kambario temperatūroje, visiškai nereikia aušinimo.)
Kitas dalykas yra nemalonus. Šiuo metu nėra teorijos, kuri paaiškintų aukštos temperatūros superlaidininkų savybes. Be to, iniciatyvus fizikas, kuris sugebės paaiškinti, kaip jie dirba, gaus Nobelio premiją. (Žinomuose aukštos temperatūros superlaidintuvuose atomai yra suskirstyti į tiksliai apibrėžtus sluoksnius. Daugelis fizikų teigia, kad būtent keraminės medžiagos sluoksniavimas leidžia elektronams laisvai judėti kiekviename sluoksnyje, taip sukuriant superlaidumą. Bet kaip ir kodėl tai vyksta, vis dar yra paslaptis.)
Žinių trūkumas verčia fizikus ieškoti bandymų ir klaidų naujų aukštų temperatūrų superlaidininkų. Tai reiškia, kad žinomą kambario temperatūros superlaidumą galima atrasti bet kada, rytoj, per metus arba niekada. Niekas nežino, kada bus rasta tokių savybių turinti medžiaga ir ar ji apskritai bus rasta.
Bet jei superlaidininkai aptinkami kambario temperatūroje, jų atradimas gali sukelti didžiulę naujų išradimų ir komercinių pritaikymų bangą. Magnetiniai laukai, milijoną kartų stipresni už žemės magnetinį lauką (kuris yra 0,5 gauss), gali tapti įprasti.
Viena iš visų superlaidininkų būdingų savybių yra vadinama Meissnerio efektu. Jei uždedate magnetą virš superlaidininko, magnetas svyruos ore, tarsi jį palaikytų kokia nors nematoma jėga. [Meissnerio efekto priežastis yra ta, kad magnetas turi savybę sukurti savo „veidrodinį vaizdą“superlaidininko viduje, kad tikrasis magnetas ir jo atspindys pradėtų atstumti vienas kitą. Kitas šio efekto grafinis paaiškinimas yra tas, kad superlaidininkas yra nepralaidus magnetiniam laukui. Tai tarsi išstumia magnetinį lauką. Taigi, jei uždedate magnetą virš superlaidininko, kontakto su superlaidininku metu magneto jėgos linijos bus iškraipytos. Šios jėgos linijos stumia magnetą aukštyn, sukeldamos jo levitaciją.)
Jei žmonija gaus galimybę panaudoti Meissnerio efektą, tuomet galima būtų įsivaizduoti ateities greitkelį tokios specialios keramikos danga. Tada, naudodamiesi magnetais, uždėtais ant mūsų diržo ar automobilio dugno, mes galime stebuklingai užveskite vietą ant kelio ir skubėdami į savo kelionės tikslą be jokios trinties ar energijos praradimo.
Meissnerio efektas veikia tik su magnetinėmis medžiagomis, tokiomis kaip metalai, tačiau superlaidūs magnetai gali būti naudojami ir nemagnetinėms medžiagoms, vadinamoms paramagnetais ar diamagnetais, paleisti. Šios medžiagos savaime nėra magnetinės; jie juos įgyja tik esant išoriniam magnetiniam laukui ir veikiami jo. Paramagnetus traukia išorinis magnetas, diamagnetus atstumia.
Pvz., Vanduo yra diamagnetikas. Kadangi visi gyvi daiktai yra pagaminti iš vandens, jie taip pat gali judėti veikdami galingą magnetinį lauką. Lauke, kurio magnetinė indukcija yra apie 15 T (30 000 kartų galingesnė už Žemės magnetinį lauką), mokslininkams jau pavyko pritraukti mažus gyvūnus, tokius kaip varles, levitacijos. Bet jei superlaidumas kambario temperatūroje taps realybe, bus galima pakelti į orą didelius nemagnetinius objektus, pasinaudojant jų diamagnetinėmis savybėmis.
Pabaigoje pažymime, kad jėgos laukai tokia forma, kokia jie paprastai aprašomi fantastinėje literatūroje, nesutinka su keturių pagrindinių mūsų Visatos sąveikų aprašymu. Bet galima manyti, kad žmogus sugebės imituoti daugelį šių išgalvotų laukų savybių naudodamas daugiasluoksnius skydus, įskaitant plazminius langus, lazerio užuolaidas, anglies nanovamzdelius ir kintamo skaidrumo medžiagas. Tačiau iš tikrųjų tokį skydą galima sukurti tik po kelių dešimtmečių ar net per šimtmetį. Ir jei bus atrastas superlaidumas kambario temperatūroje, žmonija turės galimybę naudoti galingus magnetinius laukus; galbūt su jų pagalba bus galima pakelti automobilius ir traukinius į orą, kaip matome mokslinės fantastikos filmuose.
Atsižvelgdamas į visa tai, aš priskirčiau jėgos laukus I kategorijos negalimumui, tai yra, apibrėžčiau juos kaip kažką neįmanomą šiuolaikinėms technologijoms, tačiau pritaikytą modifikuota forma maždaug per artimiausią šimtmetį.