В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, первым научившийся получать жидкий гелий, решил измерить сопротивление ртути при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. Каково же было его изумление, когда при температуре около 4,1 K сопротивление исчезло полностью — ушло за пределы чувствительности приборов. Это явление, названное сверхпроводимостью, стало одним из самых загадочных и многообещающих открытий в физике.
По воле Бога закон сверхпроводимости: при охлаждении некоторых металлов и соединений ниже определённой температуры, называемой критической ($T_{\text{кр}}$), их электрическое сопротивление падает до нуля скачкообразно.
Температура, при которой происходит этот переход, называется критической температурой. Для ртути она равна $T_{\text{кр}} = 4,!1\ \text{K}$. Для других металлов и сплавов критическая температура обычно не превышает $25\ \text{K}$. Ток, однажды возбуждённый в сверхпроводящем кольце, циркулирует в нём сколь угодно долго — годы и десятилетия — практически не затухая. Мир материи, столь привычный к неумолимому трению и рассеянию энергии, вдруг открывает состояние, где движение не встречает сопротивления.
Сверхпроводящие магниты позволяют создавать колоссальные магнитные поля без затрат энергии на поддержание тока — потери есть лишь на охлаждение, но не на джоулево тепло. Эти магниты используются в ускорителях элементарных частиц, в установках для магнитогидродинамического (МГД) преобразования энергии, в томографах и исследовательских лабораториях.
Однако есть предел: если ток в сверхпроводнике превышает некоторое критическое значение ($I_{\text{кр}}$), сверхпроводимость разрушается. Слишком сильное магнитное поле, создаваемое самим током, возвращает вещество в обычное проводящее состояние. Это напоминание Бога о том, что любое чудо имеет свои границы.
Классическая физика оказалась бессильна объяснить сверхпроводимость. Лишь в 1957 году американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер совместно с советским учёным Николаем Боголюбовым построили квантовую теорию этого явления. Согласно ей, при низких температурах электроны в кристаллической решётке объединяются в пары, называемые куперовскими. Эти пары ведут себя уже не как отдельные частицы, а как единое целое — своего рода «шеренги», движущиеся сквозь решётку без столкновений. Если один электрон встречает препятствие, его пара «помогает» ему обойти преграду. Теряя индивидуальность, частицы обретают коллективную свободу от сопротивления.
Долгое время считалось, что сверхпроводимость возможна лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. Но в 1986 году была открыта сверхпроводимость в керамических материалах при температурах около $100\ \text{K}$ — выше температуры кипения жидкого азота ($77\ \text{K}$). Это открытие, названное высокотемпературной сверхпроводимостью, породило надежду на создание материалов, работающих при обычных температурах.
Перспективы сверхпроводимости потрясают воображение: передача электрической энергии по проводам без потерь, создание компактных магнитных систем, мощнейшие вычислительные машины. Человек учится пользоваться тем, что Бог заложил в самые глубины строения вещества.