De första stegen för att upptäcka supraledningsförmåga

Artikeln är skriven specifikt för 250-årsjubileet för DISCOVERY of frysning av kvicksilver.

jag

St. Petersburg Academy of Sciences, öppnade 1725. bara var tvungen att bli samtidigt ledare i studien av förkylningens förkylning. "Arten av vår lokalitet är förvånansvärt gynnsam för att genomföra experiment med kyla," skrev G.V. Kraft, en av de första professorarna i Petersburg. Men han varnade omedelbart att det i kylans natur finns mycket okänt. "Fram till nu är de ovannämnda kvaliteterna täckta av ett sådant mörker att det tog dem flera år att lysa upp, och kanske behövdes ett helt livhundratal, och inte bara en, utan många insiktsfulla gåvor." Han hade rätt. [1]

Akademierna i England, Italien, Frankrike, Tyskland, Holland och till och med Sverige ligger i en remsa av milt klimat. Teknologiskt är det lättare att få höga temperaturer för experimentella behov än kyla. Även i antiken kunde människan få höga temperaturer som är tillräckliga för smältning av järnmalm. Men innan han lärde sig att kondensera gaser var det mycket problematiskt att bli låg. Först 1665 fysikern Boyle kunde bara sänka temperaturen på vattenlösningen med bara några få grader. Han uppnådde detta genom att lösa upp ammoniak i vatten.

Och varför behövde människor då låga temperaturer? Först av allt, för forskare att kalibrera termometrar som används för meteorologiska mätningar, där det hittills är okända för gamla tiders temperaturer. Det var tillverkarna av termometrar som började välja sådana ämnen och lösningsmedel som skulle sänka lösningens temperatur så mycket som möjligt. En sådan komposition uppfanns av den holländska mästaren av vetenskapliga instrument D. Fahrenheit. Han rekommenderade användning av krossad is till vilken koncentrerad salpetersyra skulle tillsättas. I Ryssland började en sådan komposition kallas nyfiken fråga.

Vintern 1759-1760 i St Petersburg visade sig vara mycket isig. Redan den 14 december inträffade "en extrem förkylning, som aldrig hade noterats vid akademin förut." Den här dagen ställde akademiker Joseph Adam Brown, för rent vetenskapliga ändamål, frågan "Hur mycket kan denna naturliga förkylning multipliceras med konst". För detta ändamål använde han holländarnas sammansättning, men istället för krossad is, använde han gatesnö med en omgivningstemperatur. Han placerade snön i ett glaskärl, hällde lite salpetersyra och satte in en kvicksilvertermometer i denna ädelämne. Efter en tid tog han ut termometern och "fann gärna att den inte skadades, men kvicksilveret var fortfarande". [2]

Vad glädde Brown sig över? Att termometern inte har avfrostats? Nej, han började bara misstänka att kvicksilver frystes i termometerröret. Och det var en sensation! Inget enda vetenskapligt avhandling av alla tider och folk har rapporterat att kvicksilver kan vara fast. Så här kan man till exempel läsa i en tidbok för malmgruvarna: "Detta mineral är inte annorlunda i utseende från smälta metaller, men de fryser i sådan värme, från vilken många saker tar eld, och kvicksilver kan inte frysa i den svåraste frosten." . Observera att författaren till läroboken, MV Lomonosov, inte ens anser att kvicksilver är metall. [3]

Titelsida för en utskrift av en rapport av akademiker I.A. Brown vid ett offentligt möte i St. Petersburg Academy of Sciences

Den övertygelsen av forskarna från den tiden i denna postulat var så stor att den 18 november 1734, när ryttaren Cossack Salomatov, en observatör vid en väderstation i Tomsk, rapporterade frysningen av kvicksilver i sin barometer till akademiker Gmelin och Miller, trodde de helt enkelt inte detta. De hade en misstanke om att en oerfaren kosack helt enkelt spillde kvicksilver, för "han tog inte försiktigt ut det och skakade det, annars kunde det inte hända, för även om frostarna var ojämförligt mer allvarliga, frystes inte kvicksilveret." Forskare var så säkra på sin oskyldighet att istället för att förmodligen spillde sex mer kvicksilverrullar skickades till kosacken. Kom ihåg namnet Miller av akademikerna, vi kommer fortfarande att träffa henne. [4]

Men tillbaka till St. Petersburg-experimenten. Så, ”skrev Brown senare,” jag var “säker på att kvicksilveret i termometern blev fast och rörligt från kylan och därför frös”. Det var så oväntat att han beslutade att omedelbart rapportera nyheterna till sina kollegor. Snabbt samlade forskare beslutade att när de utförde upprepade experiment var det nödvändigt att bryta termometern och visuellt verifiera fait accompli. För detta ändamål beställdes en ny serie termometrar på akademiets verkstad.

De kunde bara starta experimenten den 25 december, "för det nödvändiga antalet termometrar var snart omöjligt att göra." Förutom Brown startade akademikerna M.V. Lomonosov, F.U.T. Epinus, I.E. Zeiger och farmaceut I.G. Model experimenten. Var och en av deltagarna, som upprepade Browns knep, fick från de trasiga termometrarna kolumner av fast kvicksilver i form av en tråd, "som silver" och en kvicksilver "kula" i slutet. Trådarna var lätt böjda, och "kulan" plattades lätt av slagen på yxan, eftersom "den hade hårdheten av bly eller tenn". Zeiger sade senare att han tycktes höra henne ringa. Alla metallens egenskaper var tydliga, därför var kvicksilver en metall, och prioriteringen av upptäckten av detta faktum tillhör Ryssland.

Experimenten i St Petersburg gjorde en sensation i den vetenskapliga världen. Tidningar och privatkorrespondens från forskare låg långt före officiella rapporter från akademin, och därför gjordes allvarliga snedvridningar, särskilt om huvudpersonernas roll. Upptäckarens namn fick inte rätt namn, vilket ledde till en stor skandal i akademin. På initiativ av Lomonosov organiserades en särskild utredning av byrån. De hittade den skyldige - det var akademiker Miller, som "skrev till Leipzig på akademins vägnar och utan hennes vetskap, förmodligen kom början av detta experiment från professorer Zeiger och Epinus, och Brown, som påstods ibland, måste hitta ett pärlkorn som en tupp." För detta kritiserades Miller skarpt av kollegor vid ett kontorsmöte. Fallet för vetenskap är nästan typiskt. [5]

Följt av svar från andra forskare. "Upptäckten av professor Brown av största vikt", skrev Leonard Euler, "och det gav mig särskilt glädje eftersom jag alltid trodde att värme är den verkliga orsaken till det flytande tillståndet av kvicksilver."

Resultaten från vinterexperimenten av kanslern vid akademin erkändes så viktiga att deras resultat beslutades att publiceras på Akademins allmänna möte vid den högtidliga firandet av namnen till kejsarinnan Elizabeth Petrovna. Öppningsrapporterna instruerades att framställas av huvudpersonerna i öppningen: I.A. Brown på tyska och M.V. Lomonosov på ryska. Den första rapporten kallades "På den fantastiska förkylningen, den konst som producerats", den andra - "Resonemang om kroppens hårdhet och vätska". Rapportens texter beslutades att utfärdas i separata stämplar, som sedan trycktes i mängden 412 exemplar vardera och nu kan hittas i landets huvudbibliotek.

Browns meriter i fysikens historia är nu vördade av ättlingar. Men vad som var fördelen med Lomonosov är inte känt varken landsmän eller utländska forskare. Och det finns något att läsa om. Men innan vi pratar om detta kommer vi att ge en ny genomgång av upptäckten av ryska forskare som gjordes tillbaka 1763: "Det mest anmärkningsvärda av alla upptäckter under de senaste tre åren är fastställandet av faktumet att kvicksilver smälter." [6]. Dessa ord tillhör en av grundarna av elvetenskapen, den stora amerikanen B. Franklin. Hans huvudverk, "Experiment och observationer av elektricitet", var väl känt av ryska forskare, citerade upprepade gånger av G.V. Richman och M.V. Lomonosov i sina skrifter.

III

Franklins verk är en samling av hans brev riktade till andra forskare. Här beskrivs experimenten av författaren i den nya världen och de teoretiska konstruktionerna av författaren i följd. Han var en av de första som började tillämpa den nu bekanta elektrikerna termen ledare, introducerad av den engelska forskaren T. Desagulier. I ett av dessa brev, 1751.du kan läsa följande: den enda skillnaden mellan ledare och icke-ledare är "bara att vissa av dem leder elektriskt ämne, medan andra inte gör det." Och vidare: ”Endast metaller och vatten är idealiska ledare. Andra kroppar utför endast i den mån de innehåller föroreningar av metaller och vatten. ” [7]

Senare gjordes en fotnot till detta brev, tryckt i Franklins samlade verk, att denna regel inte alltid respekteras och författaren citerar fallet när den engelska forskaren "Wilson upptäckte att vax och smältande harts förvärvar förmågan att leda". Men Franklin själv hade stött på ett konstigt faktum: "En torr isbit eller en istapp i en elektrisk krets förhindrar chock, vilket inte kunde förväntas, eftersom vatten perfekt överför det." Här talar vi om den elektriska chocken från experimenteraren när en laddad Leiden-bank släpps genom den. Isen uppförde sig i en kedja som en isolator. [7, s. 37.]

Nu är vi väl medvetna om att metaller har elektronisk konduktivitet, andra ämnen - joniska, vilket är mycket beroende av deras temperatur.

Så kanske på det här sättet för att testa kvicksilver? Trots allt, om fryst kvicksilver leder elektricitet, är det definitivt metall. Endast Big Scientist kunde ställa sig en sådan fråga. Och vi vet fortfarande inte om han bara skulle ta reda på denna fråga, men en sådan upplevelse gjordes av vår stora landsmann M.V. Lomonosov. En kort beskrivning av detta experiment kan hittas i den tredje volymen av hans fullständiga verk. Det finns också en ritning av denna erfarenhet. Jag måste säga att figuren inte visar en elektrisk maskin och en elektrisk pekare (elektrometer), men deras närvaro antyds av texten. [8. s.407]

Lomonosovs egna ritningar för experiment på frysning av kvicksilver. Figur 5 visar en boll av fryst kvicksilver och dess deformationsgrad efter smidning. 7 visar ett fryst rör av en kvicksilvertermometer. Luftbubblor visas.

Ett U-format glasrör med kvicksilver tappades i ett glaskärl med frysmaterial, i vilket järntrådar frystes på båda sidor. En tråd var i kontakt med ledaren på en elektrisk maskin, den andra med ett elektroskop. När generatorn började generera elektricitet visade elektrometern omedelbart sin närvaro på en tråd placerad efter fryst kvicksilver. Flytande och fryst kvicksilver visade sig vara ledande, liksom alla kända metaller vid den tiden. Den sista punkten i beviset på att kvicksilver är en metall satte precis av M.V. Lomonosov. Det exakta datumet för denna händelse är okänt, men det var i januari 1760. Vi noterar ytterligare en subtilitet av experimentet. I sektionen av den elektriska kretsen mellan fast kvicksilver och elektrometern lyser experimenteraren röd hetjärntråd med ljus. Slutsatsen är entydig: "Elektrisk kraft verkar genom fryst kvicksilver och genom varmt järn."

Och denna slutsats var ny för den tidens vetenskap. Det var vid denna tidpunkt som världsvetenskapen började förstå beroendet av den elektriska ledningsförmågan hos alla kroppar på deras temperatur. 1762 Franklin kommer att beskriva erfarenheten av Charles Cavendish (far till den välkända Henry Cavendish), som genomförde en studie om glasets elektriska konduktivitet beroende på dess temperatur. Det visade sig att ett ganska starkt uppvärmt vanligt glas blir ledande. Det var mycket lättare att organisera den här upplevelsen än Lomonosovsky. När allt kommer omkring var det mycket lättare att värma ett glasrör med elektroder lödda i glas än att frysa kvicksilver. Men denna erfarenhet, Franklin, kallar den "väldigt vittig", tillägger: "Det återstår bara att önska denna ädla filosof att informera mänskligheten mer om sina upplevelser." Naturligtvis upprepades Lomonosovs experiment på den elektriska ledningsförmågan hos fryst kvicksilver upprepade gånger av andra, men senare, eftersom i västländerna experiment med frysning av kvicksilver kunde genomföras först efter decennier. [7. s.206]

Upplevelsen av öppningen i St. Petersburg avtog snart, ingen kunde upprepa experimenten i het strävan och resultaten från det elektriska experimentet glömdes länge, inte bara i väst, utan också i Ryssland.Lomonosov utarbetade uppenbarligen en fullständig beskrivning av detta experiment för sin "teori om elektricitet, matematiskt angiven", som han arbetade på sedan 1756, men förblev ofullständig. Efter händelserna som beskrevs av den stora forskaren 1762 och 1763, "han nästan förde till graven" sjukdomen, och han levde bara till 1765. Dessutom gav stora problem på akademin inte tid för kreativt arbete under de senaste åren av livet. Naturligtvis förblev hans arbete på tryck i mängden 412 exemplar. Tyvärr hände en ovärdig vetenskapshistoria henne.

I "History of the Imperial Academy of Sciences", skriven av akademiker P.P. Pekarsky 1873. Du kan läsa följande. ”Detta arbete från vår akademiker led ett konstigt öde - det glömdes att ingå i de vanligaste utgåvorna av samlade verk, så det trycktes sedan bara en gång i 1778-upplagan och som nu är en bibliografisk sällsynthet. Det är inte förvånande att Lomonosovs ”resonemang” angående hårdhet och kroppsvätska inte finns i någon översyn av senare forskare. ” [8], [9]. (Kursiv vår B.Kh.)

Ödet är faktiskt mer än konstigt. Med tanke på att M.V. Lomonosov hade många fiender, kan det antas att konstigheten var medveten. Bland hans värsta fiender listar uppslagsverket Brockhaus och Efron också den redan kända akademiker G.F. Miller, som tjänade under perioden 1757 till 1765 som permanent sekreterare för St. Petersburg Academy. Vi minns att han inte svarade på meddelandet om frysning av kvicksilver 1734, då ger han felaktig information utomlands, som han hade stora problem för. Det kan antas att av orsaker som är okända för oss var det han som kunde få detta verk att inte fånga utgivarna. Trots allt höll han korrespondens mellan akademin och protokollet från alla möten, och deras arkiv och att utföra gärningen skulle inte ha orsakat honom svårigheter. Dessutom skriver samma encyklopedi om Miller som om han "inte alltid visade sig vara oklanderlig i sina relationer med sina medlemmar".

Akademikern V.I. Vernadsky, som beskriver Miller, skriver att han "inte var skaparen av det nya i teoretisk och vetenskaplig tanke, som Euler eller Lomonosov, men som dem var han genomsatt av en djup förståelse av den vetenskapliga metoden, han behärskade den med expertis." Kanske var det bara en avund av talanger och detta är bara vår gissning. Men vad som hände hände. [10]

IV

Misstörningarna i detta arbete av Lomonosov slutar inte där. Under perioden 1768 till 1900 publicerades sju utgåvor av hans samlade verk och detta verk ingick inte i någon av dem. Endast i den femte volymen av den akademiska publikationen 1902. detta forskares arbete såg ljuset. Texten trycktes emellertid endast på ryska och teckningar och ritningar återgivits inte, utan texten för ”resonemanget” var obegriplig. Så ett av hans mest intressanta verk föll ur synen på forskare av Lomonosovs verk.

Sedan 1940 börjar USSR Academy of Sciences att publicera Lomonosov-samlingar, som innehåller nyligen hittade material och artiklar om hans vetenskapliga verksamhet. I vissa förstås också de kryogena experimenten av Brown och Lomonosov. Det finns ingen ny information om elektrisk upplevelse i dem. [11, 12] Slutligen, till 250-årsjubileet för de ryska fysikernas födelse (de var i samma ålder), publicerades M.V. Lomonosov och G.V. Rikhman, A. A. Alekseevs bok "The Emerging of the Science of Electricity in Ryssland". I denna erfarenhet nämns inte alls. Men frågan uppstår otvivelaktigt, vad är målen som forskaren sätter och börjar kryogena elektriska experiment. Finns det något du kan hitta i frågan om intresse för oss? [13]

Visst fanns det något i forskarens arkiv. Men detta arkiv "vid det högsta kommandot" förseglades av greve G. Orlov och beställde själv att det skulle sorteras. Det är inte väl känt var och var men fynden är mycket möjliga. De återstående dokumenten finns i 11-volymens kompletta verk av forskaren.Det finns få ryska forskare vars arbete skulle bedrivas av vetenskapshistoriker så bredt och ihållande som Lomonosov och alla hans verk granskades och reviderades, och det fanns litet hopp om att hitta något nytt. Men den som söker hittar.

Det är känt att MV Lomonosov översatte till ryska den första läroboken för universitetet ”Wolfian Experimental Physics”. Det publicerades 1746. och det var nödvändigt att skriva ut det igen - ”till salu är allt förlorat”. I mars 1760 Det beslutades att publicera det genom andra prägling. Lomonosov förstod att mellan utgåvorna var läroboken ganska föråldrad. Läroboken var brådskande nödvändig, men det var lite tid. Därför beslutades att göra tillägg till den befintliga texten. Enligt författaren till "tillägg" bör de "förklara handlingarna och förändringarna beroende på de subtilaste okänsliga partiklarna, kroppens komponenter." Under dessa partiklar kan den moderna läsaren förstå atomer och molekyler och till och med elektroner, men allt tillsammans borde detta spegla Lomonosovs system för synpunkter på fenomenens fysik.

Det faktum att arbetet med rapporten vid Akademin och skrivandet av "Tillägg" var parallellt på samma gång bevisas av kalendern. Datumet för att läsa rapporten är 6 september 1760, och texten till "tillägg" undertecknades av Lomonosov den 15 september samma år. [14]

Nu ger vi den fysiska synen på den tiden på elektricitet i allmänhet: "Elektriskt ämne består av extremt små partiklar, eftersom det med stor enkelhet och frihet kan tränga in i vanligt material, även de tätaste metallerna." [7, s.53] Det faktum att el rör sig med extremt hög hastighet var väl känt omedelbart efter Leiden-uppfinningen, det vill säga till Franklin.

Nu är det dags att citera från "Tillägg" av Lomonosov, utan tvekan relaterat till vinterexperimenten från januari 1760. Vi markerar dem särskilt med fetstil.

"De nyligen hittade elektriska experimenten visar att främmande material, som rör sig med stor hastighet i källkropparnas brunnar, inte tänder dem.", det vill säga värmer inte. Det finns inget mysterium här, det är klart och tydligt främmande material Är ett elektriskt ämne, och kalla kroppar är fryst kvicksilver. Kom ihåg att Lomonosov var en anhängare av den kinetiska värmeteorin, och där kan du läsa det "Rörelsen av partiklar, de bestående kropparna där är en värmande orsak. [5, s. 436].

Det var allt som hittades. Men det är värt mycket. Nu är det uppenbart att experimenten, som en anhängare av den kinetiska teorin om värme, förväntade en ökning av temperaturen på kvicksilver. På grund av det faktum att han inte kunde ha termometrar för sådana temperaturer, väntade han uppenbarligen på att smälta kvicksilver. Detta hände inte. Därför denna slutsats.

Det sägs att den tidens vetenskap hade ingen aning om rörelsen av elektriska laddningar (elektrisk ström). Lomonosov tror att det elektriska ämnet rör sig genom kvicksilver hela tiden under drift av en elektrisk maskin. Det var det inte. Genom det frysta kvicksilveret behövdes endast en liten mängd elektricitet för att ladda den tråd som lämnade kvicksilveret. Annars skulle Lomonosovs slutsats innebära att fryst kvicksilver har supraledningsförmåga.

Kvicksilvers supraledningsförmåga vid mycket lägre temperaturer än den som hittades av Lomonosov 1911. Leiden professor Kamerling-Onnes. Detta hände 150 år efter experimenten i S: t Petersburg och gav samma sensation som då i den vetenskapliga världen. Nobelprisen krönade med rätta den holländska forskarens arbete och beskrev fysikens utveckling under de kommande åren. Men vägen till en sådan upptäckt började i Ryssland, och nästan ingen kommer ihåg detta.

V

Detta år markerar 250 år med kvicksilverfrysningsexperiment. Inte bara denna händelse kräver att vi är uppmärksamma på detta faktum. År 2011 är det trehundraårsjubileumet för födelsen av den stora ryska forskaren. Lomonosovs jubileum kommer säkert att firas av det vetenskapliga samfundet och det är vårt bidrag till denna händelse.Jag vill ändå notera ett sådant fula faktum i vårt land som en försummelse av våra forskare. Nästan alla känner upptäckaren av den elektriska bågen, den ryska fysikern V.V. Petrov. Men inte alla vet vad som blev känt om denna upptäckt i sitt hemland efter nästan hundra år, och sedan av misstag. Vi lär oss också om detta experiment av Lomonosov, bara i ett kvartal!

Jag skulle vilja ge ett exempel på gamla och bra England. Där 1700. en viss vägg, gnugga en bit bärnsten, fann att gnistan som härrör från påminner honom om blixt. Han var en absolut amatör inom el och kunde inte upprepa sin erfarenhet i närvaro av forskare, men i läroböckerna om historien om fysikens elektricitet och blixtskydd minns han alltid inte bara av briterna.

Det är känt att Lomonosovs verk nästan inte påverkade utvecklingen av världsvetenskapen, eftersom han inte skapade sin egen skola. Men detta är inte felet, utan Lomonosovs problem. Bland orsakerna här är uppmärksamhet på inhemsk vetenskap. Och hon förtjänar det! Till exempel citerades sådana ord om den stora ryska forskaren av V.I. vi är inte vana att behandla data från vetenskapshistorien på det sätt vi hanterar andra fenomen och fakta. ” Vårt resultat bekräftar endast dessa ord. [10, s. 323]

Jag måste säga att en mystisk förbannelse alltid hängde över beskrivningen av denna erfarenhet av Lomonosov. Våra försök att rapportera till tidningarnas redaktionskontor om vårt historiska fynd hittade inte ens ett artigt svar, till exempel så att redaktionsportföljen var full etc. Endast tidskriften "Elektricitet" rekommenderade att vidarebefordra artikeln till en fysisk tidskrift. Vi nämner också ett märkligt fall när redaktören för den ryska avdelningen i en av de populära vetenskapliga tidskrifterna om vetenskapens liv, när hon blev frågad om hon fick en sådan text, helt enkelt svarade att deras e-postadress var bruten i dessa dagar. Tydligen tror hon att det bara är papuaner som bor utanför Moskva Ring Road.

Ingen kommer att respektera oss om vi inte respekterar oss själva.