Первые шаги к открытию сверхпроводимости

Статья написана специально к 250-летию ОТКРЫТИЯ замерзания ртути.

I

Петербургская Академия наук, открытая в 1725г. просто обязана была стать в это же время лидером в области изучения физики холода. ”Природа нашей местности удивительно благоприятствует постановке опытов с холодом”, – писал один из первых петербургских профессоров Г.В.Крафт. Однако, он тут же предупреждал, что в природе холода много неизвестного. “До сих пор означенные качества окутаны таким мраком, что для освещения их потребен не срок в несколько лет, а пожалуй нужен целый жизненный век, и притом не одного лишь, но многих проницательных дарований”. Он оказался прав. [ 1.]

Академии Англии, Италии, Франции, Германии, Голландии и даже Швеции лежали в полосе мягкого климата. Технологически же проще получать для экспериментальных нужд высокие температуры, чем холод. Еще в древности человек мог получать высокие температуры, достаточные для выплавки железных руд. Но до того как научился сжижать газы, получение низких было весьма проблематично. Лишь в 1665г. физику Бойлю удалось снижение температуры водного раствора всего-навсего на несколько градусов. Он добился этого, растворяя нашатырь в воде.

А для чего человеку тогда были нужны низкие температуры? В первую очередь ученым для градуировки термометров, применявшихся для метеорологических измерений, где встречаются температуры доселе неизвестные старожилам. Именно изготовители термометров и начали подбирать такие вещества и растворители, которые бы понижали максимально температуру растворов. Таков состав придумал голландский мастер научных приборов Д.Фаренгейт. Он рекомендовал для этой цели использовать толченый лёд, в который добавлялась бы концентрированная азотная кислота. В России такой состав стали называть знобительной материей.

Зима 1759-1760гг в Петербурге выдалась весьма студеной. Уже 14 декабря “чрезвычайная случилась стужа, которой прежде сего никогда в Академии не примечали”. В этот день академик Иосиф Адам Браун с чисто научными целями задался выяснением вопроса “Сколько сию естественную стужу искусством умножить можно”. Для этой цели он использовал состав голландца, правда вместо колотого льда он применил уличный снег, с температурой окружающей среды. Снег он поместил в стеклянный сосуд, влил немного азотной кислоты и вставил в эту знобительную материю ртутный термометр. Через некоторое время он термометр вынул и “c радостью обнаружил, что он не поврежден, а ртуть неподвижною стояла”. [ 2 ]

Чему же радовался Браун? Тому, что термометр не разморозился? Нет, он просто начал подозревать, что в трубке термометра замерзла ртуть. А это была сенсация! Ни в одном ученом трактате всех времен и народов не сообщалось, что ртуть может быть твердой. Вот что, например, можно прочитать в учебнике того времени для рудознатцев: “Сей минерал по виду ничем не отличается от растопленных металлов, однако они в такую жару застывают, от которой многие вещи загораются, а ртуть и в самый жестокий мороз застынуть не может”. Отметим, что автор учебника, М.В.Ломоносов, ртуть даже не считает металлом. [ 3 ]

Титульный лист распечатки доклада академика И.А.Брауна на публичном собрании Петербургской академии наук

Убеждение ученых того времени в этот постулат было настолько велико, что 18 ноября 1734г., когда наблюдатель метеостанции в Томске конный казак Саломатов сообщил о факте замерзания ртути в его барометре академикам Гмелину и Миллеру, то они этому просто не поверили. У них появилось подозрение, что неопытный казак просто разлил ртуть, ибо “из места не бережно вынимал и тряс, а иначе сего сделаться не может, потому что, хотя и несравненно жесточайше сих морозы были, ртуть не смерзается”. Ученые были настолько уверены в своей правоте, что вместо якобы разлитой выслали казаку еще шесть золотников ртути. Из академиков запомним фамилию Миллер, она нам еще будет встречаться. [ 4 ]

Но вернемся к петербургским опытам. Итак, – писал позже Браун, – я “был уверен, что ртуть в термометре твердою и неподвижною от стужи стала и, следовательно, замерзла”. Настолько было всё это неожиданно, что он решает немедленно сообщить новость своим коллегам. Наскоро собравшиеся ученые решили, что при проведении повторных опытов необходимо разбить термометр и визуально убедиться в свершившемся факте. Для этой цели в мастерской академии заказали новую партию термометров.

Приступить к экспериментам смогли лишь 25 декабря, “ибо нужного числа термометров скоро было сделать невозможно”. К опытам приступили помимо Брауна академики М.В.Ломоносов, Ф.У.Т.Эпинус, И.Э.Цейгер и аптекарь И.Г.Модель. Каждый из участников, повторяя приемы Брауна, получил из разбитых термометров столбики твердой ртути в виде проволоки, “наподобие серебряной”, и ртутной “пулей” на ее конце. Проволочки легко гнулись, а “пуля” легко расплющивалась ударами обуха топора, потому что “имела твердость свинца или олова”. Цейгер позже сообщил, что он вроде бы слышал её звон. Все свойства металла были налицо, следовательно ртуть была металлом, а приоритет открытия этого факта принадлежит России.

Опыты в Петербурге произвели сенсацию в ученом мире. Газеты и частная переписка ученых намного опередили официальные сообщения из Академии и поэтому были допущены серьезные искажения особенно о роли главных действующих лиц. Имя первооткрывателя было названо неправильно, что и привело к большому скандалу в Академии. По инициативе Ломоносова было организовано специальное расследование Канцелярией. Нашли виновного – это был академик Миллер, который “писал в Лейпциг от имени Академии и без её ведома, якобы начало сего опыта произошло от профессоров Цейгера и Эпинуса, и Брауну, якобы по случаю пришлось, как петуху сыскать жемчужное зерно”. За это Миллер был подвергнут резкой критике коллег на заседании Канцелярии. Случай для науки почти типичный. [ 5 ]

Последовали и отклики других ученых. “Открытие профессора Брауна величайшей важности, – писал Леонард Эйлер, – и оно доставило мне особое удовольствие поскольку я всегда считал, что теплота есть истинная причина жидкого состояния ртути”.

Результаты зимних опытов Канцелярией академии были признаны настолько важными, что их результаты решено было обнародовать в публичном собрании Академии на торжественном праздновании тезоименитства императрицы Елизаветы Петровны. Доклады об открытии поручено было сделать главным действующим лицам открытия: И.А.Брауну на немецком и М.В.Ломоносову на русском языках. Первый доклад назывался “Об удивительной стуже, искусством произведенной”, второй – “Рассуждение о твердости и жидкости тел”. Тексты докладов постановили издать отдельными тиснениями, которые потом были напечатаны в количестве 412 экземпляров каждый и их можно сейчас найти в главных библиотеках страны.

Заслуги Брауна в истории физики теперь почитаются потомками. Но в чём же была заслуга Ломоносова не известно ни соотечественникам, ни зарубежным ученым. А почитать есть за что. Но, прежде чем мы расскажем об этом, приведем еще один отзыв об открытии русских ученых, сделанный еще в 1763 году: “Наиболее замечательным из всех открытий за последние три года является установление факта плавления ртути”. [ 6 ]. Эти слова принадлежат одному из основоположников науки об электричестве великому американцу Б.Франклину. Его главный труд “Опыты и наблюдения над электричеством” был хорошо известен русским ученым, неоднократно цитируемый Г.В.Рихманом и М.В.Ломоносовым в их сочинениях.

III

Работа Франклина представляет собой собрание его писем, адресованных другим ученым. Здесь последовательно описываются эксперименты, проведенные автором в Новом Свете, и теоретические построения автора. Он одним из первых начал широко применять привычный теперь электрикам термин проводник, введенным английским ученым Т.Дезагюлье. В одном из таких писем 1751г. можно прочесть следующее: единственное отличие проводников от непроводников “состоит только в том, что некоторые из них проводят электрическую субстанцию, а другие нет”. И далее: “Идеальными проводниками являются только металлы и вода. Прочие тела проводят лишь постольку поскольку в них имеются примеси металлов и воды”. [ 7 ]

Позже к этому письму, напечатанному в сборнике сочинений Франклина была сделана сноска, что это правило не всегда соблюдается и автор приводит случай, когда английский ученый “Уильсон открыл, что воск и смола по расплавлении приобретают способность проводить”. Впрочем, Франклин и сам раньше сталкивался со странным фактом: “Сухой кусочек льда или ледяная сосулька в электрической цепи предотвращает удар, чего нельзя было ожидать, так как вода отлично передает его”. Здесь речь идет о шоковом электрическом ударе экспериментатора при разряде через него заряженной лейденской банки. Лёд вёл себя в цепи, как изолятор. [ 7, c.37.]

Сейчас мы прекрасно понимаем, что металлы обладают электронной проводимостью, прочие вещества – ионной, которая очень сильно зависит от их температуры.

Так может быть таким способом проверить ртуть? Ведь, если замерзшая ртуть будет проводить электричество, то она точно является металлом. Такой вопрос мог себе задать только Большой ученый. И нам до сих пор не известно только ли этот вопрос собирался выяснять он, но такой опыт произвел наш великий соотечественник М.В.Ломоносов. Краткое описание этого эксперимента можно найти в третьем томе Полного собрания его сочинений. Там же приведен рисунок этого опыта. Надо сказать, что на рисунке не изображены электрическая машина и электрический указатель (электрометр), но их присутствие подразумевается текстом. [ 8. c.407 ]

Собственноручные рисунки Ломоносова к опытам по замерзанию ртути. На фиг.5 демонстрируется шарик замерзшей ртути и степени его деформации после проковки.. Фиг.6 показывает опыт по электропроводности ртути и раскаленной железной проволоки. Фиг.7 демонстрирует замерзшую трубку ртутного термометра. Видны появившиеся воздушные пузырьки.

В стеклянный сосуд с морозящей материей опущена U-образная стеклянная трубка со ртутью, в которую вмораживались с двух сторон железные проволочки. Одна проволочка контактировала с кондуктором электрической машины, другая – с электроскопом. Когда электрогенератор начинал вырабатывать электричество, то электрометр тут же показывал его наличие на проволочке, находящейся после замерзшей ртути. Жидкая и замерзшая ртуть оказались токопроводнми, как и все известные в то время металлы. Последняя точка в доказательство того, что ртуть является металлом, была поставлена именно М.В.Ломоносовым. Точная дата этого события неизвестна, но это было в январе 1760 года. Отметим еще одну тонкость эксперимента. На участке электрической цепи между твердой ртутью и электрометром экспериментатор свечками накаливает докрасна железную проволочку. Вывод однозначен: “Электрическая сила действует сквозь замороженную ртуть и сквозь раскаленное железо”.

И этот вывод для науки того времени был новым. Именно в это время мировая наука начинает понимать зависимость электропроводности всех тел от их температуры. В 1762г. Франклин опишет опыт Чарльза Кавендиша (отца всем известного Генри Кавендиша), который провел исследование по электропроводности стекла в зависимости от его температуры. Оказалось, что достаточно сильно нагретое обычное стекло становится токопроводным. Этот опыт организовать было намного проще, чем Ломоносовский. Ведь нагреть стеклянную трубку с впаянными в стекло электродами было гораздо проще, чем замораживать ртуть. Но этот опыт Франклин, называя “очень остроумным” добавляет: “Остается только пожелать, чтобы этот благородный философ побольше сообщал человечеству о своих опытах.” Конечно, опыт Ломоносова по электропроводности замерзшей ртути неоднократно повторялся другими, но позже, так как в западных странах опыты по замораживанию ртути смогли провести только через десятилетия. [ 7. c.206 ]

Сенсация по поводу открытия в Петербурге скоро стихла, повторить опыты по горячим следам никто не мог и результаты электрического эксперимента были надолго забыты не только на Западе, но и в России. Полное описание этого опыта Ломоносов по-видимому готовил для своей “Теории электричества, изложенной математически”, над которой работал с 1756г, но оставшейся незавершенной. После описываемых событий великого ученого в 1762 и 1763гг “едва не свели в могилу” болезни, да и прожил он всего до 1765г. К тому же крупные неприятности в академии не давали времени для творческой работы в последние годы жизни. Конечно, оставалась напечатанной его работа в количестве 412 экземпляров. Увы, с ней приключилась недостойная науки история.

В “Истории Императорской Академии наук”, написанной академиком П.П.Пекарским в 1873г. можно прочесть следующее. “Это произведение нашего академика постигла странная участь – его забыли внесть в наиболее распространенные издания собраний сочинений, так что оно было потом перепечатано только один раз в издании 1778 года и которое ныне составляет библиографическую редкость. Не удивительно, что о «Рассуждении» Ломоносова касательно твердости и жидкости тел не встречается ни в одном отзыве позднейших ученых”. [ 8 ], [ 9 ]. (Курсив наш Б.Х.)

Действительно участь более, чем странная. Если учесть, что М.В.Ломоносов имел много врагов можно предположить, что странность была преднамеренной. Среди злейших его врагов энциклопедия Брокгауз и Ефрон числит и нам уже знакомого академика Г.Ф.Миллера, в период с 1757 по 1765гг несшего службу в качестве непременного секретаря Петербургской академии. Мы помним, что он не реагировал на сообщение о замерзание ртути в 1734г, потом дает за границу неверные сведения, за что имел большие неприятности. Можно предположить, что по неизвестным нам причинам именно он мог сделать так, чтобы эта работа не попалась на глаза издателям. Ведь он вел переписку академии и протоколы всех заседаний, и их архивы и осуществить содеянное не вызвало бы у него трудности. Тем более, что та же энциклопедия пишет о Миллере будто он “не всегда оказывался безупречным в своих отношениях с сочленами”.

Академик В.И.Вернадский, характеризуя Миллера пишет, что он “не был творцом нового в теоретической и научной мысли, подобно Эйлеру или Ломоносову, но подобно им, он был проникнут глубоким пониманием научного метода, владел им мастерски”. Возможно, это была просто зависть к таланту и это только наше предположение. Но случилось то, что случилось.[ 10 ]

IV

На этом злоключения этой работы Ломоносова не заканчиваются. В период с 1768 по 1900гг вышло семь изданий собраний его сочинений и ни в одно эта работа не попала. Лишь в пятый том академического издания в 1902г. этот труд ученого увидел свет. Однако текст был напечатан только на русском языке и не были воспроизведены чертежи и рисунки, без которых текст “Рассуждения” был непонятен. Так из поля зрения исследователей творчества Ломоносова выпала одна из интереснейших его работ.

C 1940 года Академия наук СССР начинает издавать Ломоносовские сборники, в которых помещаются вновь найденные материалы и статьи о его научной деятельности. В некоторых разбираются и криогенные опыты Брауна и Ломоносова. Никаких новых сведений об электрическом опыте в них нет. [11, 12] Наконец, к 250-летию со дня рождения русских физиков (они были одногодки) М.В.Ломоносова и Г.В.Рихмана вышла книга А.А.Алексеева “Возникновение науки об электричестве в России”. В ней этот опыт вообще не упоминается. Но неумолимо возникает вопрос, какие же цели ставил перед собой исследователь, начиная криогенные электрические опыты. Можно ли хоть что-нибудь найти по интересующему нас вопросу? [ 13 ]

Наверняка что-то было в архивах ученого. Но этот архив «по высочайшему повелению” опечатал граф Г.Орлов и сам распоряжался его сортировкой. Что и куда попало малоизвестно, но находки вполне возможны. Остальные документы можно найти в 11 -томном Полном собрании сочинений ученого. Мало найдется русских ученых, творчеством которых занимались бы историки науки так широко и настойчиво, как Ломоносовым и все работы его рассмотрены и пересмотрены и было мало надежд найти что-то новое. Но находит тот, кто ищет.

Известно, что М.В.Ломоносов перевел на русский язык первый учебник для университета “Вольфианскую экспериментальную физику”. Она была издана в 1746г. и потребовалось ее переиздание – “за продажею вся в расходе”. В марте 1760г. было решено издать ее вторым тиснением. Ломоносов понимал, что за время между изданиями учебник изрядно устарел. Учебник требовался срочно, а времени было мало. Поэтому было решено к существующему тексту сделать прибавления. По мнению автора “прибавлений” они должны были “изъяснять действия и перемены, зависящие от тончайших нечувствительных частиц, тела составляющих”. Под этими частицами современный читатель может разуметь и атомы, и молекулы, и даже электроны, но все вместе это должно было отражать систему взглядов Ломоносова на физику явлений.

О том, что работа над докладом в Академии и написание “Прибавлений“ шла параллельно без сомнений доказывает календарь. Дата прочтения доклада – 6 сентября 1760г, а текст “Прибавлений“ подписан Ломоносовым 15 сентября того же года. [ 14 ]

Теперь приведем физические взгляды того времени на электричество вообще: “Электрическая субстанция состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой“. [ 7, c.53 ] О том, что электричество движется с чрезвычайно большой скоростью было хорошо известно сразу после изобретения лейденской банки, т.е. до Франклина.

Теперь наступило время привести цитаты из “Прибавлений“ Ломоносова, несомненно относящиеся к зимним опытам января 1760г. Мы специально выделяем их полужирным шрифтом.

«Вновь найденные электрические опыты показывают, что посторонняя материя, двигаясь великою скоростию в скважинах тел холодных, их не разжигает» , то есть не нагревает. Тут никакой нет загадки, четко и ясно, что посторонняя материя – это электрическая субстанция, а холодные тела – это замерзшая ртуть . Напомним, что Ломоносов был сторонник кинетической теории тепла и там же можно прочесть, что «движение частиц, тела составляющих есть теплоты причина» . [ 5, c.436 ].

Вот и всё, что далось найти. Но и это многого стоит. Теперь понятно, что экспериментатор, как сторонник кинетической теории тепла, ожидал повышения температуры ртути. В связи с тем, что у него не могло быть термометров для таких температур, он, видимо ждал расплавления ртути. Этого не произошло. Отсюда такой вывод.

Следует сказать, что наука того времени не имела представления о движении электрических зарядов (электрическом токе). Ломоносов считает, что при работе электрической машины через ртуть всё время движется электрическая субстанция. Этого не было. Через замерзшую ртуть прошло только маленькое количество электричества, необходимое для зарядки выходящей из ртути проволочки. Иначе вывод Ломоносова означал бы, что замерзшая ртуть обладает сверхпроводимостью.

Сверхпроводимость ртути при температурах гораздо более низких, чем у Ломоносова обнаружил в 1911г. лейденский профессор Камерлинг-Оннес. Это произошло через 150 лет после экспериментов в Петербурге и произвело такую же как тогда сенсацию в ученом мире. Нобелевская премия справедливо увенчала труды голландского ученого и наметила пути развития физики на ближайшие годы. Но путь к такому открытию начинался в России, а об этом почти никто не помнит.

V

В этом году исполняется 250 лет опытам по замораживанию ртути. Не только это событие требует от нас внимания к этому факту. В 2011 году исполняется трехсотлетняя годовщина со дня рождения великого русского ученого. Юбилей Ломоносова обязательно будет отмечаться научной общественностью и это наш вклад в это событие. Тем не менее хочется отметить такой неприглядный факт у нас в стране, как пренебрежительное отношение к нашим же ученым. Почти всем известен первооткрыватель электрической дуги русский физик В.В.Петров. Но не все знают, что стало известно об этом открытии на родине почти через сто лет и то случайно. Про этот эксперимент Ломоносова мы тоже узнаём, всего-навсего через четверть тысячелетия!

Хочется привести в пример старую и добрую Англию. Там в 1700г. некий Уолл, натирая кусочек янтаря, обнаружил, что искра, возникающая при этом, напоминает ему молнию. Он был абсолютным дилетантом в электричестве и не смог повторить свой опыт в присутствии ученых, но в учебниках истории физики электричества и грозозащиты его всегда вспоминают и не только англичане.

Известно, что труды Ломоносова почти не повлияли на развитие мировой науки, ибо он не создал своей школы. Но не вина в этом, а беда Ломоносова. В числе причин здесь и внимание к отечественной науке. А она того заслуживает! Вот, например, такие слова о великом русском ученом привел В.И.Вернадский: “В его идеях и направлениях его работ мы встречаем чрезвычайно часто и чрезвычайно много предугадываний, предвидений, перед которыми останавливается в раздумье и изумлении наш ум, так как до сих пор мы не привыкли обращаться с данными истории науки так, как обращаемся с другими явлениями и фактами”. Наша находка лишь подтверждает эти слова. [ 10, c.323 ]

Нужно сказать, что над описанием этого опыта Ломоносова всегда висело какое-то мистическое проклятье. Наши попытки сообщения в редакции журналов о своей исторической находке не находили даже вежливого ответа, например, такого, что портфель редакции переполнен и т.д. Лишь журнал «Электричество» посоветовал переслать статью в физический журнал. Еще упомянем о курьезном случае, когда редактор русского отдела одного из научно-популярных журналов о жизни науки на вопрос получала ли она такой текст, простодушно ответила, что в эти дни у них была поломана электронная почта. Видимо она считает, что за пределами Московской кольцевой дороги живут одни папуасы.

Никто не будет уважать нас, если мы не будем уважать себя сами.

Приводим подробнейшую библиографию:

1.Г.В.Крафт. Различные опыты с теплом и холодом. В кн: Г.В.Рихман. Труды по физике. М., АН СССР, 1956, с.61,62.

2 И.А.Браун. Об удивительной стуже искусством произведенной. Спб, 1760.

3.М.В.Ломоносов. Первые основания металлургии или рудных дел. В книге: Ломоносов ПСС, т.5. АН СССР, М-Л, 1954, с.412-413.

4.В.И.Тихомиров. История открытия замерзания ртути // «Климат и погода», № 1-52, 1934, с.14-19.

5. М.В.Ломоносов. ПСС т.3., АН СССР, М-Л, 1952, с.568.

6. М.И.Радовский. Вениамин Франклин и его связи с Россией. АН СССР, М-Л, 1958, с.41.

7. В.Франклин. Опыты и наблюдения над электричеством. М., АН СССР, 1956, с.89.

8. М.В.Ломоносов. Рассуждение о твердости и жидкости тел. В кн: ПСС, т.3. М-Л, 1952, с.377-409.

9. То же, с.561-562.

10. В.И.Вернадский. Труды по истории науки в России. М., Наука.1988, с.223.

11. В.Я.Билык. Исследования Ломоносовым и Брауном явлений при затвердевании ртути. Ломоносов. Сб. статей и материалов, т.3 М-Л, АН СССР, Наука, 1983, с.53-65.

12. Т.Н.Кладо. Иосиф Адам Браун и его сотрудничество с М.В.Ломоносовым. Ломоносов. Сб. статей и материалов. т.VIII, Л, .Наука, 1983, с.87-96.

13. А.А.Алексеев. Возникновение науки об электричестве в России. М-Л, Госэнергоиздат, 1960.

14. Ломоносов. Посвящение и прибавления ко 2-му изданию Волфианской экспериментальной Физики. в кн: Ломоносов. ПСС. т.3, с.431-433.