Если бы сверхпроводимость (СП) была открыта сейчас, то в неё не поверила бы не только комиссия РАН по борьбе со лженаукой и научное сообщество, но и простые обыватели: «напился, старик, так иди похмелись, и неча рассказывать байки». Как это так, телега едет без лошади? Каждый школьный учитель знает: 2-й закон термодинамики – это святое.
Когда в 1911 году Хейке Камерлинг Оннес открыл сверхпроводимость, борьба со лженаукой столь активно ещё не велась (видимо, всё же было меньше мошенников) и учёный мир, при всём своём удивлении, согласился с существованием этого явления.
А как же объяснили теоретики того времени этот феномен? Объяснения, наверно, были, но не дошли до нашего времени (во всяком случае, в широкоизвестных учебниках об этом не написано).
В настоящее время считается, что СП может быть объяснена только в рамках квантовой механики (КМ). Впервые такое объяснение было дано советскими учёными Ландау и Гинзбургом, но учёный мир счёл эти объяснения недостаточными и нобелевскую премию получили американцы Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ (Бардина — Купера — Шриффера), являются так называемые куперовские пары электронов. По мысли Купера связанные электронные пары имеют целочисленный спин, к ним может быть применена статистика Бозе, и физика сверхпроводимости может быть объяснена по аналогии со сверхтекучестью гелия.
Для простого обывателя из этого объяснения ясно только одно: непонятное явление заменили ещё более непонятным.
В куперовские пары по теории БКШ могут связаться только два электрона, имеющие противоположные импульсы и спины, т.е. ЭТА ПАРА ИМЕЕТ СУММАРНЫЙ ИМПУЛЬС, РАВНЫЙ НУЛЮ. Обыватель, знакомый с физикой 8-го класса, конечно, спросит: КАК ПРИ ЭТОМ ВОЗНИКАЕТ НАПРАВЛЕННЫЙ ТОК? Ему объяснят: не твоё собачье дело!
Советские тоталитарные учебники всё же мягче относились к учащимся. В учебнике В. Г. Левича: Курс теоретической физики, Т. 1, 1969 года находим интересный рисунок 77:
На рисунке изображёна зависимость энергии бозона (надо понимать – и куперовской пары) от его импульса (ось абсцисс).
Из графика видно, что энергия E частиц (бозонов) при низких температурах имеет локальный минимум при импульсе p, не равном 0. Дальше все просто: и атомам гелия и куперовским парам при получении импульса энергетически выгодно не останавливаться, а двигаться с этим импульсом практически неограниченное время.
Просто, оно, конечно, просто, но опять непонятно – какими все же реальными силами вызвано появление этого минимума? Для классической физики, на первый взгляд, это кажется полным нонсенсом: как это так – энергия при большой скорости меньше, чем при малой? На самом деле и в классической физике известны взаимодействия, зависящие от скорости движения, подобные которым как раз и ответственны за появление упомянутого минимума. Самое, пожалуй, известное – это взаимодействие токов, открытое А.М.Ампером в 1820 г. Поскольку ток – это движение зарядов, то, согласно закону Ампера, одноименные заряды при движении в одну сторону притягиваются друг к другу, и совместное движение становится энергетически выгодным, если кулоновское отталкивание ослаблено какими-то факторами.
Вот здесь обычный гражданин может с облегчением вздохнуть: ну, наконец, хоть что-то начинает увязываться!
Посмотрим теперь внимательней на приведенный выше рисунок (77).
Импульс там приведен в экзотических единицах p/h, где h – постоянная Планка, h = 6.63*10^-27 эрг*сек. Переведём эту экзотику во что-нибудь более наглядное., Масса электрона (мы не учитываем твердотельные поправки, они в данном случае не принципиальны) равна me = 9.1*10^-28 г.
Подставляя величины находим, что минимум энергии при 2*10^8 см^-1 соответствует скорости пары Vп = 7.5*10^8 см/сек = 7500 км/сек.
Конечно, 7.5 тыс. км для теоретика вовсе не крюк, но эта величина удивительно близка к истинной скорости (не дрейфа) электрона на поверхности Ферми.
Таким образом, в куперовском объяснении что-то не так, тем более высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), открытая в 1986 году, не хочет ложиться в рамки этой теории.
Любопытно в этой связи примечание на стр. 344 2-го тома книги Н. Ашкрофта и Н. Мермина Физика твердого тела, перевод, М, 1979 г. По свидетельству авторов, Ампер практически за сто лет до открытия сверхпроводимости настаивал на существовании бездиссипативных токов! Т.е., в западных учебниках, в общем-то, не сильно молились на БКШ и до открытия ВТСП.
Н.Ашкрофт и Н. Мермин сравнивают сверхпроводник с огромной молекулой, в которой бездиссипативно движутся электроны. Если проанализировать механику этого процесса, то в главном она похожа на движение электрона в атоме: и там и здесь минимум энергии образуется именно при движении, хотя бы и виртуальном (как известно, кинетическая энергия электрона в основном состоянии атома водорода численно равна его полной энергии, взятой со знаком плюс). Кстати, в биофизике существуют многоатомные молекулы, которые являются маленькими сверхпроводниками.
Но вернёмся к вопросу соответствия СП 2-му закону термодинамики (ВЗТ). Рассмотрим возникающий сразу, но стыдливо замалчиваемый вопрос – как соотносится сверхпроводимость с классическими формулировками 2-го закона термодинамики, требующими рассеяние любого макроскопического движения и превращение его в тепловое? Причем исследователи настаивают: “Здесь важно понять, что электросопротивление не становится “очень малым” или “близким к нулю”, а исчезает полностью”, см “Википедию”. Т.е., рассматриваемое явление находится на пределе или даже за пределами действия упомянутых формулировок. Так на пределе, или за пределами? Если вернуться к рисунку, то можно утверждать, что на спадающей части кривой E(p) мы имеем дело с явлением, находящимся за пределами действия классических формулировок 2-го закона термодинамики. Мы не обсуждаем здесь вопрос об использовании этого факта в энергетических преобразователях, хотя, если учесть феноменальную изобретательность современных технологов, такое использование не исключается.
Интересно в связи с этим мнение Алексея Никулова в работе «Почему второе начало термодинамики нарушается в квантовых системах» http://chronos.msu.ru›old/RREPORTS/nikulov_pochemu/…
Алексей Никулов – известный физик, сотрудник Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов.
В этой работе он показывает, что при определённых условиях сверхпроводящие контуры могут служить так называемыми «вечными двигателями 2-го рода» - ВД2.
Я не собираюсь анализировать работу Никулова, при желании Вы можете посмотреть её по ссылке. Он пишет, что отрицание ВД2 ненаучно, основано на вере.
Вопросы, связанные со 2-м законом термодинамики Вы можете посмотреть тапкже в теме «Непотенциальые взаимодействия» https://dzen.ru/a/ZYj-CL_25nM2dZtG?share_to=link
Понять физику без учёта непотенциальных взаимодействий – всё равно, что понять стереометрию без учёта 3-го измерения, социум без учёта наличия разума и интересов людей, полёт птиц без учёта крыльев.
Кажущиеся столь различными проблемы квантовой механики, теории относительности, 2-го закона термодинамики решаются одним способом – учётом непотенциальных взаимодействий.