"Suojat ylös!" - Tämä on ensimmäinen tilaus, joka loputtomassa sarjassa "Star Trek" antaa miehistölleen ankaran äänen kapteeni Kirkistä; Määräykselle kuuliaisena miehistö käynnistää voimakentät, jotka on suunniteltu suojelemaan "Enterprise" -alusta alukselta vihollisen tulesta.
Star Trek -julkaisussa voimakentät ovat niin tärkeitä, että niiden kunto saattaa hyvin määrätä taistelun lopputuloksen. Heti kun voimakentän energia on ehtynyt ja yrityksen runko alkaa saada iskuja, sitä enemmän, sitä enemmän puristuksia; lopulta tappiosta tulee väistämätöntä.
Mikä on suojaava voimakenttä? Tieteiskirjallisuudessa se on harhaanjohtava asia: ohut, näkymätön mutta läpäisemätön este, joka pystyy heijastamaan lasersäteitä ja ohjuksia yhtä helposti. Voimakenttä näyttää ensi silmäyksellä niin yksinkertaiselta, että siihen perustuvien taistelukilpejen luominen - ja piankin - näyttää väistämättömältä. Joten odotat, että ei tänään tai huomenna joku yrittäjä keksijä ilmoittaa onnistuneensa hankkimaan suojavoimakentän. Mutta totuus on paljon monimutkaisempi.
Kuten Edisonin hehkulamppu, joka muutti radikaalisti nykyaikaista sivilisaatiota, voimakenttä voi syvästi vaikuttaa elämämme kaikkiin puoliin poikkeuksetta. Sotilaat käyttäisivät voimakenttää haavoittumattomiksi luomalla sen perusteella läpäisemättömän suojan vihollisen ohjuksilta ja luoteilta. Teoriassa voitaisiin luoda siltoja, upeita valtateitä ja teitä napin painalluksella. Koko kaupungit nousisivat autiomaaseen ikään kuin taianomaisesti; kaikki ne, pilvenpiirtäjiin saakka, rakennettaisiin yksinomaan voimakentistä. Voimakenttien kupolit kaupunkien yläpuolella antaisivat asukkailleen mielivaltaisesti hallita säätapahtumia - myrskytuulia, lumimyrskyjä, tornadoja. Voimakentän turvallisen katoksen alla kaupunkeja voitaisiin rakentaa jopa valtamerten pohjalle. Lasi, teräs ja betoni voitaisiin kokonaan hylätä,korvaamalla kaikki rakennusmateriaalit voimakentällä.
Mutta kyllä kyllä, voimakenttä osoittautuu yhdeksi niistä ilmiöistä, joita on erittäin vaikea toistaa laboratoriossa. Jotkut fyysikot jopa uskovat, että sitä ei voida tehdä ollenkaan muuttamatta sen ominaisuuksia.
Michael Faraday
Fyysisen kentän käsite on peräisin 1800-luvun suuren brittiläisen tutkijan teoksista. Michael Faraday.
Mainosvideo:
Faradayn vanhemmat kuuluivat työväenluokkaan (hänen isänsä oli seppä). Hän itse 1800-luvun alkupuolella. oli oppikirja oppikirjoille kirjansidontajalle ja löysi melko surkean olemassaolon. Mutta nuorta Faradaya kiehtoi viimeaikainen valtava läpimurto tieteessä - kahden uuden voiman, sähkön ja magnetismin salaperäisten ominaisuuksien löytäminen. Hän vietti innokkaasti kaikki hänen saatavillaan olevat tiedot näistä asioista ja osallistui Lontoon kuninkaallisen instituutin professori Humphrey Davyn luentoihin.
Professori Davy loukkasi kerran vakavasti silmiään epäonnistuneen kemikaalikokeen aikana; tarvitsi sihteerin, ja hän vei Faradayn tähän asemaan. Vähitellen nuori mies voitti tutkijoiden luottamuksen kuninkaallisessa instituutiossa ja pystyi suorittamaan omat tärkeät kokeilunsa, vaikka hänen piti usein kestää syrjäyttävä asenne. Vuosien mittaan professori Davy tuli yhä kateellisemmaksi lahjakkaan nuoren assistenttinsa menestyksille, jota pidettiin alun perin kokeneissa piireissä nousevana tähtenä ja joka ajan myötä hävisi Davyn itsensä kunniaa. Vasta Davyn kuoleman jälkeen vuonna 1829 Faraday sai tieteellisen vapauden ja teki kokonaisen sarjan hämmästyttäviä löytöjä. Niiden tuloksena syntyi sähkögeneraattoreita, jotka toimittivat energiaa koko kaupunkille ja muuttivat maailman sivilisaation kulkua.
Avain Faradayn suurimpiin löytöihin oli voima- tai fyysiset kentät. Jos sijoitat raudasäilytykset magneetin päälle ja ravistat sitä, osoittautuu, että viilat mahtuvat malliin, joka muistuttaa hämähäkkiä ja vie kaiken tilan magneetin ympärillä. "Verkon langat" ovat Faradayn voimalinjat. Ne osoittavat selvästi, kuinka sähkö- ja magneettikentät jakautuvat avaruudessa. Esimerkiksi, jos kuvaat graafisesti maapallon magneettikentän, huomaat, että linjat ovat lähtöisin jostakin pohjoisnavan alueelta, ja palaavat sitten takaisin maahan etelänavan alueella. Samoin, jos kuvaa salaman sähkökentän voimalinjat ukonilman aikana, osoittautuu, että ne lähentyvät salaman kärjessä.
Tyhjä tila Faradaylle ei ollut tyhjä ollenkaan; se oli täynnä voimalinjoja, jotka saattoivat saada kaukana olevat esineet liikkumaan.
(Faradayn huono nuori esti häntä saamasta muodollista koulutusta, ja hänellä ei ollut juurikaan tietoa matematiikasta; seurauksena hänen muistikirjansa eivät täyttyneet yhtälöillä ja kaavoilla, vaan käsin piirretyillä kenttäkaavioilla. Ironista kyllä, hänen matemaattisen koulutuksen puute sai hänet kehittämään mahtavia kaavioita. voimalinjat, jotka nykyään voidaan nähdä missä tahansa fysiikan oppikirjassa. Fysiikan fyysinen kuva on usein tärkeämpää kuin sen kuvaamiseen käytetty matemaattinen laite.)
Historioitsijat ovat esittäneet monia oletuksia siitä, mikä tarkalleen johti Faradayn fyysisten kenttien löytämiseen - yksi tärkeimmistä käsitteistä koko maailman tieteen historiassa. Itse asiassa kaikki moderni fysiikka, poikkeuksetta, on kirjoitettu Faradayn kenttien kielellä. Vuonna 1831 Faraday teki keskeisen löytön fyysisten kenttien alalla, joka muutti ikuisesti sivilisaatiomme. Eräänä päivänä hän kansi magneettia - lapsen lelua - lankakehyksen päällä, hän huomasi, että kehykseen muodostui sähkövirta, vaikka magneetti ei koskenut sitä. Tämä tarkoitti, että magneetin näkymätön kenttä voi saada elektronit liikkumaan etäältä, muodostaen virran.
Faradayn voimakentät, joita toistaiseksi pidettiin hyödyttöminä kuvin, käyttämättömän fantasian hedelmänä, osoittautui todelliseksi aineelliseksi voimaksi, joka kykenee siirtämään esineitä ja tuottamaan energiaa. Tänään voimme sanoa varmasti, että tämän sivun lukemiseen käyttämäsi valonlähde saa Faradayn löytämiä elektromagnetiikkaa. Pyörivä magneetti luo kentän, joka työntää elektroneja johtimeen ja saa ne liikkumaan, jolloin syntyy sähkövirta, jota voidaan sitten käyttää lampun virran lisäämiseen. Tämän periaatteen mukaan sähköntuottajat toimittavat energiaa kaupungeille ympäri maailmaa. Esimerkiksi padosta putoava vesivirta saa turbiinin jättiläismagneetin pyörimään; magneetti työntää elektroneja lankaan, muodostaen sähkövirran; nykyinen puolestaan,virtaa korkeajännitejohtojen kautta koteihimme.
Toisin sanoen Michael Faradayn voimakentät ovat juuri niitä voimia, jotka ajavat nykyaikaista sivilisaatiota, kaikki sen ilmenemismuodot - sähkövetureista uusimpiin laskentajärjestelmiin, Internetiin ja taskutietokoneisiin.
Puolitoista vuosisataa Faradayn fyysiset kentät ovat inspiroineet fyysikkojen jatkotutkimuksia. Esimerkiksi Einstein vaikutti niin voimakkaasti, että hän muotoili painovoiman teoriansa fyysisten kenttien kielellä. Faradayn teokset tekivät voimakkaan vaikutuksen myös minuun. Useita vuosia sitten muotoilin menestyksekkäästi jousuteorian Faraday-fysikaalisten kenttien suhteen, luoden näin pohjan jousikenttäteorialle. Fysiikassa sanoa henkilölle, jota hän ajattelee voimalinjoilla, on tuo henkilölle vakava kohteliaisuus.
Neljä perustavanlaatuista vuorovaikutusta
Yksi fysiikan suurimmista saavutuksista kahden viime vuosituhannen aikana on ollut neljää vuorovaikutustyypin tunnistamista ja määrittelemistä, jotka hallitsevat maailmankaikkeutta. Ne kaikki voidaan kuvata niiden kenttien kielellä, joille olemme Faradaylle velkaa. Valitettavasti kuitenkaan yhdelläkään neljästä lajista ei ole kaikkia voimakenttiä, joita kuvataan useimmissa tieteiskirjallisuuksissa. Luettelemme nämä tyypit vuorovaikutuksessa.
1. Painovoima. Hiljainen voima, joka estää jalkojamme poistumasta tuesta. Se ei anna maapallon ja tähtien murentua, auttaa säilyttämään aurinkokunnan ja galaksin eheyden. Ilman painovoimaa planeetan kehruu potkaisi meidät pois Maasta ja avaruuteen nopeudella 1000 mailia tunnissa. Ongelmana on, että painovoiman ominaisuudet ovat täysin päinvastaisia kuin fantastisten voimakenttien ominaisuudet. Painovoima on vetovoima, ei vastenmielu; se on erittäin heikko - suhteellisen tietenkin; se toimii valtavilla, tähtitieteellisillä etäisyyksillä. Toisin sanoen, se on melkein täysin vastakohta tasaiselle, ohuelle, läpäisemättömälle esteelle, joka löytyy melkein kaikista tieteiskirjallisista romaaneista tai elokuvista. Esimerkiksi höyhen lattialle houkuttelee koko planeetta - maa,mutta voimme helposti voittaa maan painon ja nostaa höyhen yhdellä sormella. Yhden sormemme isku voi ylittää koko planeetan painovoiman, joka painaa yli kuusi biljoonaa kiloa.
2. Sähkömagneettisuus (EM). Voima, joka valaisee kaupunkiamme. Laserit, radio, televisio, moderni elektroniikka, tietokoneet, Internet, sähkö, magnetismi ovat kaikki seurauksia sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta. Se on ehkä hyödyllisin voima, jonka ihmiskunta on onnistunut valjastamaan historiansa aikana. Toisin kuin painovoima, se voi toimia sekä vetonaulana että torjunnassa. Se ei kuitenkaan sovellu joukkokenttään useista syistä. Ensinnäkin se voidaan helposti neutraloida. Esimerkiksi muovi tai mikä tahansa muu johtava materiaali voi helposti tunkeutua voimakkaan sähkö- tai magneettikentän läpi. Magneettikenttään heitetty muovipala lentää vapaasti sen läpi. Toiseksi, sähkömagneettisuus toimii suurilla etäisyyksillä, sitä ei ole helppo keskittää tasoon. EM-vuorovaikutuksen lait kuvataan James Clerk Maxwellin yhtälöillä, ja vaikuttaa siltä, että voimakentät eivät ole ratkaisu näihin yhtälöihin.
3 ja 4. Vahvat ja heikot ydinvuorovaikutukset. Heikko vuorovaikutus on radioaktiivisen hajoamisen voima, se, joka lämmittää maan radioaktiivisen ytimen. Tämä voima on takana tulivuorenpurkauksissa, maanjäristyksissä ja mannerjalustan ajautumisessa. Vahva vuorovaikutus ei anna atomien ytimille murentua; se tarjoaa energiaa aurinkoon ja tähtiin ja vastaa maailmankaikkeuden valaistamisesta. Ongelmana on, että ydinvuorovaikutus toimii vain hyvin pienillä etäisyyksillä, enimmäkseen atomin ytimen sisällä. Se liittyy niin voimakkaasti ytimen ominaisuuksiin, että on erittäin vaikea hallita sitä. Tällä hetkellä tiedämme vain kaksi tapaa vaikuttaa tähän vuorovaikutukseen: voimme hajottaa alaatomisen hiukkasen palasiksi kiihdyttimessä tai räjäyttää atomipommin.
Vaikka tieteiskirjallisuuden suojakentät eivät noudata tunnettuja fysiikan lakeja, on porsaanreikiä, jotka todennäköisesti tekevät voimakentän luomisen mahdolliseksi tulevaisuudessa. Ensinnäkin on olemassa viides tyyppinen perustavanlaatuinen vuorovaikutus, jota kukaan ei ole vielä voinut nähdä laboratoriossa. Voi osoittautua esimerkiksi, että tämä vuorovaikutus toimii vain muutaman tuuman etäisyydellä jalasta - eikä tähtitieteellisillä etäisyyksillä. (Totta, ensimmäiset yritykset viidennen tyyppisen vuorovaikutuksen havaitsemiseksi tuottivat negatiivisia tuloksia.)
Toiseksi, voimme saada plasman jäljittelemään joitain voimakentän ominaisuuksia. Plasma on "aineen neljäs tila". Kolme ensimmäistä, meille tuttua aineen tilaa ovat kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset; Siitä huolimatta yleisin ainemuoto universumissa on plasma: kaasu, joka koostuu ionisoiduista atomeista. Plasman atomit eivät ole yhteydessä toisiinsa ja niissä ei ole elektroneja, ja siksi niissä on sähkövaraus. Niitä voidaan helposti hallita sähkö- ja magneettikentän avulla.
Universumin näkyvä aine esiintyy suurimmaksi osaksi erityyppisten plasmaten muodossa; siitä muodostuu aurinko, tähdet ja tähteiden välinen kaasu. Tavallisessa elämässä emme milloinkaan kohtaa plasmaa, koska maan päällä tämä ilmiö on harvinainen; silti plasma voidaan nähdä. Sinun tarvitsee vain katsoa salama, aurinko tai plasmatelevisio.
Plasmaikkunat
Kuten edellä mainittiin, jos kaasu lämmitetään riittävän korkeaan lämpötilaan ja siten saadaan plasmaa, niin magneetti- ja sähkökenttiä käyttämällä on mahdollista pitää se ja muotoilla. Esimerkiksi plasma voidaan muotoilla arkin tai ikkunalasiksi. Lisäksi sellaista "plasmaikkunaa" voidaan käyttää väliseinä tyhjiön ja tavallisen ilman välillä. Periaatteessa tällä tavalla olisi mahdollista pitää ilma avaruusaluksen sisällä estäen sen pääsemistä avaruuteen; plasma muodostaa tässä tapauksessa mukavan läpinäkyvän kuoren, rajan avoimen tilan ja laivan välillä.
Star Trekissä voimakenttää käytetään osittain eristämään osasto, jossa pieni avaruussukkula sijaitsee ja mistä se alkaa avaruudesta. Ja se ei ole vain fiksu temppu säästää rahaa koristeisiin; tällainen läpinäkyvä näkymätön elokuva voidaan luoda.
Fysiikka Eddie Gershkovich keksi plasmaikkunan vuonna 1995 Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa (Long Island, New York). Tämä laite kehitettiin ratkaisemaan toinen ongelma - metallien hitsaamisen ongelma elektronisuihkun avulla. Hitsaajan asetyleenipoltin sulaa metallin kuumalla kaasuvirralla ja yhdistää sitten metallipalat yhteen. Tiedetään, että elektronisuihku kykenee hitsaamaan metalleja nopeammin, puhtaammin ja halvemmin kuin perinteiset hitsausmenetelmät. Elektronihitsausmenetelmän pääongelma on, että se on suoritettava tyhjiössä. Tämä vaatimus on erittäin hankala, koska se tarkoittaa tyhjiökammion rakentamista - ehkä koko huoneen kokoista.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi tohtori Gershkovich keksi plasmaikkunan. Tämä laite on vain 3 jalkaa korkea ja halkaisijaltaan 1 jalka; se lämmittää kaasun lämpötilaan 6500 ° C ja muodostaa siten plasman, joka putoaa välittömästi sähkö- ja magneettikentän ansaan. Plasmahiukkaset, kuten minkä tahansa kaasun hiukkaset, aiheuttavat paineen, joka estää ilmaa kiirehtimästä sisään ja tyhjökammion täyttymistä. (Plasmaikkunassa käytettynä argoni säteilee sinertävää hehkua, kuten Star Trekin voimakenttä.)
Plasma-ikkuna löytää ilmeisesti laajan sovelluksen avaruusteollisuudessa ja teollisuudessa. Jopa teollisuudessa mikromuovaus ja kuiva syövyttäminen vaativat usein tyhjiön, mutta sen käyttö valmistusprosessissa voi olla erittäin kallista. Mutta nyt, kun keksitään plasmaikkuna, tyhjiön pitäminen napin painalluksesta tulee helpoksi ja halpaksi.
Mutta voidaanko plasmaikkunaa käyttää läpäisemättömänä suojana? Suojaako se tykkilaukausta vastaan? Voidaan kuvitella, kuinka tulevaisuudessa plasma-ikkunat ilmestyvät paljon korkeammalla energialla ja lämpötilalla, jotka riittävät siihen kuuluvien esineiden haihtumiseen. Mutta realistisemman voimakentän luomiseksi tieteiskirjallisuudesta tunnetuilla ominaisuuksilla tarvitaan monikerroksinen yhdistelmä useita tekniikoita. Jokainen kerros ei ehkä ole itsessään riittävän vahva tykkipallon estämiseksi, mutta yhdessä useita kerroksia saattaa olla riittävä.
Yritetään kuvitella tällaisen voimakentän rakenne. Ulompi kerros, kuten ylikuormitettu plasmaikkuna, kuumennettiin lämpötilaan, joka on riittävä metallien höyrystämiseen. Toinen kerros voisi olla verho korkeaenergisistä lasersäteistä. Tällainen tuhansien risteävien lasersäteiden verho loisi tilaverkon, joka kuumentaa sen läpi kulkevia esineitä ja höyrystää niitä tehokkaasti. Puhumme lisää lasereista seuraavassa luvussa.
Lisäksi laserverhon takana voit kuvitella "hiilinanoputkien" - pienten putkien, yksittäisistä hiiliatomeista koostuvien pienten putkien tilallisen hilan -, joiden seinät ovat yhden atomin paksuja. Siksi putket ovat monta kertaa vahvempia kuin teräs. Maailman pisin hiilinanoputki on tällä hetkellä vain noin 15 mm pitkä, mutta voimme jo ennustaa päivän, jolloin pystymme luomaan mielivaltaisen pituisia hiilinanoputkia. Oletetaan, että alueellinen verkko voidaan kutoa hiilinanoputkista; tässä tapauksessa saamme erittäin kestävän näytön, joka voi heijastaa useimpia esineitä. Tämä seula on näkymätön, koska jokaisen yksittäisen nanoputken paksuus on verrattavissa atomiin, mutta hiilinanoputkien alueellinen verkko ylittää kaikki muut lujuudeltaan suuret materiaalit.
Joten, meillä on syytä olettaa, että plasmaikkunan, laserverhon ja hiilinanoputkien seulan yhdistelmä voi toimia perustana lähes läpäisemättömän näkymättömän seinän luomiselle.
Mutta jopa sellainen monikerroksinen kilpi ei pysty osoittamaan kaikkia ominaisuuksia, jotka tieteiskirjallisuus antaa voimakentälle. Joten se on läpinäkyvä, mikä tarkoittaa, että se ei pysty pysäyttämään lasersädettä. Taistelussa lasersykkeillä monikerroksiset suojamme ovat hyödytöntä.
Lasersäteen pysäyttämiseksi suojuksella on yllä olevan lisäksi oltava voimakkaasti ilmaistu ominaisuus "valokromaattinen" tai muuttuva läpinäkyvyys. Tällä hetkellä materiaaleja, joilla on sellaiset ominaisuudet, käytetään aurinkolasien valmistuksessa, jotka voivat tummua altistettaessa UV-säteilylle. Materiaalin muuttuva läpinäkyvyys saavutetaan käyttämällä molekyylejä, joita voi olla ainakin kahdessa tilassa. Yhdessä molekyylien tilassa sellainen materiaali on läpinäkyvää. Mutta UV-säteilyn vaikutuksesta molekyylit muuttuvat hetkessä toiseen tilaan ja materiaali menettää läpinäkyvyytensä.
Ehkäpä jonain päivänä voimme käyttää nanoteknologiaa sellaisen aineen saamiseksi, joka on yhtä vahva kuin hiilinanoputket ja joka voi muuttaa sen optisia ominaisuuksia, kun se altistetaan lasersäteelle. Tällaisesta aineesta valmistettu kilpi pystyy pysäyttämään hiukkasten virtausten tai tykinkuorien lisäksi myös laserlakon. Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole materiaaleja, joiden läpinäkyvyys muuttuisi ja jotka voisivat pysäyttää lasersäteen.
Magneettinen levitaatio
Tieteiskirjallisuudessa voimakentät palvelevat myös toista toimintoa säteilyasemien torjumisen lisäksi, nimittäin, ne toimivat tukena, jonka avulla voit voittaa painovoiman. Takaisin tulevaisuuteen Michael Fox ajaa leijulautaa tai kelluvaa lautaa; tämä asia muistuttaa tuttua rullalautailua kaikessa, vain se "kulkee" ilman läpi, maan pinnan yläpuolelle. Fysiikan lait, sellaisina kuin ne tunnemme tänään, eivät salli tällaisen antigravitaatiolaitteen käyttöönottoa (kuten luvussa 10 nähdään). Mutta voit kuvitella tulevaisuudessa muiden laitteiden - kelluvat levyt ja kelluvat autot magneettisella tyynyllä - luomisen; näiden koneiden avulla voimme helposti nostaa ja pitää suuria esineitä. Jos "huonelämpötilan suprajohtavuudesta" tulee tulevaisuudessa kohtuuhintaisia todellisuuksia,henkilö pystyy nostamaan esineitä ilmaan magneettikentän ominaisuuksien avulla.
Jos tuomme kestomagneetin pohjoisnavan saman magneettin toisen pohjanapaan, magneetit hylkivät toisiaan. (Jos käännämme yhden magneettien yli ja tuomme sen etelänavallaan toisen pohjoisnapaan, houkutellaan kaksi magneettia.) Samaa periaatetta - että samat magneettinavat hylkivät - voidaan käyttää nostamaan valtavia painoja maasta. Teknisesti edistyneitä magneettijousitusjunia rakennetaan jo useissa maissa. Tällaiset junat eivät vetoketjua teitä pitkin, vaan niiden yli minimietäisyydellä; tavalliset magneetit pitävät ne painossa. Junat näyttävät kelluvan ilmassa ja saavuttavan ennätysnopeuden nollan kitkan ansiosta.
Maailman ensimmäinen kaupallinen automatisoitu magneettisen jousituksen kuljetusjärjestelmä lanseerattiin vuonna 1984 Ison-Britannian kaupungissa Birminghamissa. Se yhdisti kansainvälisen lentokentän terminaalin ja lähellä olevan rautatieaseman. Magneettinen levitaatiojunat toimivat myös Saksassa, Japanissa ja Koreassa, vaikka useimpia ei ole suunniteltu suurille nopeuksille. Ensimmäinen nopea kaupallinen magneettinen levitaatiojuna on alkanut kulkea Shanghain juoksuradalla; tämä juna liikkuu valtatietä nopeudella 431 km / h. Yamanashin prefektuurissa sijaitseva japanilainen maglev-juna kiihtyi nopeuteen 581 km / h - eli se liikkui paljon nopeammin kuin perinteiset pyörillä varustetut junat.
Mutta magneettisesti ripustetut laitteet ovat erittäin kalliita. Yksi tapa lisätä niiden tehokkuutta on käyttää suprajohteita, jotka jäähdytettäessä lämpötilaan, joka on lähellä absoluuttista nollaa, menettävät kokonaan sähkövastuksensa. Suprajohtavuuden ilmiö löysi vuonna 1911 Heike Kamerling-Onnes. Sen ydin oli, että jotkut aineet jäähdytettäessä lämpötilaan alle 20 K (20 ° yli absoluuttisen nollan) menettävät kaiken sähköisen vastuksen. Kun metalli jäähdytetään, sen sähköinen vastus yleensä vähenee vähitellen. {Tosiasia, että atomien satunnaiset värähtelyt häiritsevät elektronien suunnattua liikettä johtimessa. Lämpötilan laskiessa satunnaisvaihteluväli pienenee, ja sähkö kokee vähemmän vastustusta.) Mutta Kamerling-Onnes, hänen oman hämmästyksensä perusteella, löysiettä joidenkin materiaalien vastus tietyssä kriittisessä lämpötilassa putoaa jyrkästi nollaan.
Fyysikot ymmärsivät heti tämän tuloksen merkityksen. Voimajohtoihin menetetään huomattavia määriä sähköä pitkiä matkoja. Mutta jos vastus voitaisiin poistaa, sähkö voitaisiin siirtää mihin tahansa melkein ilman mitään. Yleensä suljetussa piirissä viritetty sähkövirta voisi kiertää siinä ilman energian menetystä miljoonien vuosien ajan. Lisäksi näistä poikkeuksellisista virroista ei olisi vaikeaa luoda uskomattoman voimakkaita magneetteja. Ja sellaisilla magneeteilla olisi mahdollista nostaa valtavia kuormia ilman vaivaa.
Huolimatta suprajohteiden upeista mahdollisuuksista, niiden käyttö on erittäin vaikeaa. On erittäin kallista pitää suuria magneetteja erittäin kylmien nesteiden säiliöissä. Nesteiden pitäminen kylminä edellyttäisi valtavia kylmätehtaita, jotka nostaisivat suprajohtavien magneettien kustannuksia taivaankorkeuteen ja tekisivät niistä kannattamattomia.
Mutta yhtenä päivänä fyysikot saattavat pystyä luomaan aineen, jolla on suprajohtavat ominaisuudet jopa huoneenlämpötilaan lämmitettäessä. Suprajohtavuus huoneenlämpötilassa on kiinteiden olosuhteiden fyysikkojen pyhä graali. Tällaisten aineiden valmistus on todennäköisesti toisen teollisen vallankumouksen alku. Voimakkaat magneettikentät, jotka voivat pitää autoja ja junia keskeytettynä, muuttuvat niin halpoiksi, että jopa”liukuovet” voivat olla taloudellisesti kannattavia. On hyvin mahdollista, että keksintöllä suprajohteita, jotka säilyttävät ominaisuutensa huoneenlämmössä, fantastisista lentävistä koneista, jotka näemme elokuvissa "Takaisin tulevaisuuteen", "Vähemmistöraportti" ja "Tähtien sota", tulee todellisuutta.
Periaatteessa on täysin ajateltavissa, että ihminen pystyy asettamaan ylimääräisiltä suprajohtavista magneeteista valmistetun vyön, jonka avulla hän voi vapaasti levitautua maanpinnan yläpuolelle. Tällaisella vyöllä voitaisiin lentää ilman läpi, kuten Superman. Huoneen lämpötilan suprajohtavuus on yleensä niin merkittävä ilmiö, että sellaisten suprajohteiden keksintö ja käyttö on kuvattu monissa tieteiskirjallisuusesineissä (kuten Larry Nivenin vuonna 1970 luomassa romaanisarjasta Ringworldista).
Fyysikot ovat vuosikymmenien ajan epäonnistuneesti etsineet aineita, joilla olisi suprajohtavuus huoneenlämpötilassa. Se oli tylsää, tylsää prosessia - etsit sitä kokeilemalla ja erehdyksellä, testaamalla yhtä materiaalia toisensa jälkeen. Mutta vuonna 1986 löydettiin uusi luokka aineita, joita kutsuttiin "korkean lämpötilan suprajohteiksi"; nämä aineet saivat suprajohtavuuden lämpötiloissa, jotka olivat luokkaa 90 ° absoluuttisen nollan tai 90 K: n yläpuolella. Tästä löytöstä tuli todellinen sensaatio fysiikan maailmassa. Turvalukko näytti avautuneen. Kuukausittain fyysikot kilpailivat keskenään uuden maailmanjohtajuuden saavuttamisesta suprajohtavuudesta. Jonkin aikaa jopa näytti, että huonelämpötilan suprajohtavuus oli kadonnut tieteiskirjallisten romaanien sivuilta ja tullut todellisuudeksi. Mutta usean vuoden nopean kehityksen jälkeen korkean lämpötilan suprajohteiden tutkimus alkaa hidastua.
Tällä hetkellä korkean lämpötilan suprajohteiden maailmanrekisteri kuuluu aineeseen, joka on kompleksi kuparin, kalsiumin, bariumin, talliumin ja elohopean oksidi, josta tulee suprajohtavia 138 K (-135 ° C) lämpötilassa. Tämä suhteellisen korkea lämpötila on edelleen hyvin kaukana huoneenlämpötilasta. Mutta tämä on myös tärkeä virstanpylväs. Typpi muuttuu nestemäiseksi 77 K: n lämpötilassa ja nestemäinen typpi maksaa suunnilleen saman verran kuin normaali maito. Siksi korkean lämpötilan suprajohteiden jäähdyttämiseksi voidaan käyttää tavallista nestemäistä typpeä, se on edullinen. (Tietenkin, huoneenlämpötilassa pysyvät suprajohteet eivät tarvitse jäähdytystä.)
Toinen asia on epämiellyttävä. Tällä hetkellä ei ole teoriaa, joka selittäisi korkean lämpötilan suprajohteiden ominaisuuksia. Lisäksi yritteliäs fyysikko, joka osaa selittää heidän työskentelynsä, saa Nobel-palkinnon. (Tunnetussa korkean lämpötilan suprajohtimissa atomit on järjestetty määriteltyihin kerroksiin. Monet fyysikot ehdottavat, että keraamisen materiaalin kerros antaa elektronien liikkua vapaasti kunkin kerroksen sisällä ja luo siten suprajohtavuuden. Mutta kuinka ja miksi tämä tapahtuu, on edelleen mysteeri.)
Tietämyksen puute pakottaa fyysikot etsimään uusia korkean lämpötilan suprajohteita vanhanaikaisella tavalla, erehdyksellä. Tämä tarkoittaa, että pahamaineinen huonelämpötilan suprajohtavuus voidaan löytää milloin tahansa huomenna, vuodessa tai ei koskaan. Kukaan ei tiedä, milloin tällaisten ominaisuuksien aine löydetään ja onko sitä ollenkaan löydettävissä.
Mutta jos suprajohteita löydetään huoneenlämmössä, niiden löytö herättää todennäköisesti valtavan määrän uusia keksintöjä ja kaupallisia sovelluksia. Magneettiset kentät, jotka ovat miljoonia kertoja voimakkaampia kuin maan magneettikenttä (joka on 0,5 gaussia), voivat tulla yleisiä.
Yksi kaikille suprajohtimille ominaisista ominaisuuksista on nimeltään Meissner-efekti. Jos asetat magneetin suprajohteen päälle, magneetti leijuu ilmassa ikään kuin jotain näkymätöntä voimaa tuettaisi. [Syynä Meissner-ilmiöön on, että magnetilla on ominaisuus luoda oma "peilikuva" suprajohtimen sisälle, niin että todellinen magneetti ja sen heijastus alkavat hylätä toisiaan. Toinen graafinen selitys tälle vaikutukselle on, että suprajohdin on läpäisemätön magneettikentälle. Se työntää magneettikentän ulos. Siksi, jos asetat magneetin suprajohteen päälle, magneettien voimalinjat vääristyvät joutuessaan kosketuksiin suprajohteen kanssa. Nämä voimalinjat työntävät magneettia ylöspäin, aiheuttaen sen levitaation.)
Jos ihmiskunta saa mahdollisuuden käyttää Meissner-efektiä, voidaan tulevaisuuden valtatie kuvitella tällaisen erikoiskeramiikan pinnoitteella. Sitten voimme hihnallemme tai auton pohjalle asetettujen magneettien avulla leimaa tietenkin tiellä ja kiirehdimme määränpäähänmme ilman kitkaa tai energian menetystä.
Meissner-ilmiö toimii vain magneettisten materiaalien, kuten metallien, kanssa, mutta suprajohtavia magneetteja voidaan käyttää myös muiden kuin magneettisten materiaalien levitaatioon, joita kutsutaan paramagneeteiksi tai diamagneteiksi. Nämä aineet itsessään eivät ole magneettisia; he hankkivat ne vain ulkoisen magneettikentän läsnä ollessa ja vaikutuksen alaisena. Paramagneetteja houkuttelee ulkoinen magneetti, diamagneetit hylätään.
Esimerkiksi vesi on diamagneettinen. Koska kaikki elävät esineet on tehty vedestä, nekin voivat levittua voimakkaan magneettikentän ollessa läsnä. Kenttällä, jonka magneettinen induktio on noin 15 T (30 000 kertaa voimakkaampi kuin maan magneettikenttä), tutkijat ovat jo onnistuneet saamaan pienet eläimet, kuten sammakot, levitaamaan. Mutta jos suprajohtavuudesta huoneenlämpötilassa tulee totta, on mahdollista nostaa suuria ei-magneettisia esineitä ilmaan hyödyntäen niiden diamagneettisia ominaisuuksia.
Yhteenvetona voidaan todeta, että voimakentät siinä muodossa, jossa ne yleensä kuvataan fantastisessa kirjallisuudessa, eivät ole samaa mieltä maailmankaikkeuden neljän perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen kuvauksesta. Mutta voidaan olettaa, että henkilö pystyy jäljittelemään monia näiden kuvitteellisten kenttien ominaisuuksia käyttämällä monikerroskilpejä, mukaan lukien plasmaikkunat, laserverhot, hiilinanoputket ja muuttuvan läpinäkyvät aineet. Mutta todellisuudessa tällainen kilpi voidaan kehittää vain muutamassa vuosikymmenessä tai jopa vuosisadalla. Ja jos huononjohtavuus huonelämpötilassa havaitaan, ihmiskunnalla on mahdollisuus käyttää voimakkaita magneettikenttiä; Ehkä heidän avullaan on mahdollista nostaa autoja ja junia ilmaan, kuten näemme tieteiskirjallisissa elokuvissa.
Kaiken tämän huomioon ottaen luokittelisin voimakentät mahdottomuuden luokkaan I, toisin sanoen määritteleisin ne joksi mahdottomaksi nykypäivän tekniikoille, mutta ne toteutetaan muunnetussa muodossa seuraavan vuosisadan aikana.