 |
 |
 |
| Hidegfizikai Nobel-díj |
 |
|
|
|
Balról: Abrikoszov, Ginzburg, Leggett
|
| |
A fizika tudományának élő legendái kapnak 2003-ban fizikai Nobel-díjat a "szupravezetés és szuperfolyékonyság elméletéhez való úttörő hozzájárulásuk okán". Ez a terület az "alacsony hőmérsékletek fizikája". Dőlnek belőle a Nobel-díjak: 1913 - Kamerlingh-Onnes (a hélium cseppfolyósítása), 1962 - Landau, 1972 - Bardeen, Cooper és Schrieffer, 1973 - Josephson, 1978 - Kapica, 1987 - Bednorz és Müller. Hozzájuk járult idén (balról jobbra): Alekszej Alekszejevics Abrikoszov (1928, Moszkva), Vitalij Lazarevics Ginzburg (1916, Moszkva) és Anthony J. Leggett (1938, London).
Hidegfizika
A fizika alapismeretei közé tartozik, hogy a tudománytörténeti előzmények nyomán kialakult hőmérsékleti skáláink egyenlő beosztással csak egy meghatározott hőmérsékletértékig folytathatók az egyre alacsonyabb hőmérsékletek irányába. A Celsius skálán ez körülbelül -273,16 fok. A fizika tudománya a Celsius skála osztásléptékével, de 0 kezdőértékkel innen kezdi az úgynevezett abszolút hőmérsékleti skálát. Talán szemléletesebb volna, ha valamiképpen tükröznék az alsó határ elérhetetlenségét, de már így alakult. A tudomány hatalmas erőfeszítéseket tesz anyagoknak eme legalsó hőmérséklet közelébe való hűtésére, mivel kiderült, hogy ennek az elméleti és gyakorlati haszna beláthatatlan.
Nemigen tanulmányozhatók a gyakorlati életben közvetlenül az elemi részecskék fizikájának, a kvantummechanikának a jelenségei, mert szokásos hétköznapi méretekben és hőmérsékleteknél temérdek elemi részecske hat kölcsön egymással zűrzavarosan gazdag módokon. Ezek közül egyeseket nagyon nehéz kipreparálni. Az persze mindenképp várható volt, hogy a hűtéssel a zűrzavar csökken, és különválaszthatók egyes jelenségek, aminek elméleti az érdekessége. Ám az is hamar kiderült, hogy az alacsony hőmérsékleteknél a különvált kvantummechanikai hatások óriási mennyiségű részecskében lehetnek annyira egységesek, hogy emberméretű jelenségeket produkálnak. S végül az is, hogy ezen jelenségek némelyikéhez roppant gazdasági érdek fűződik.
Szupravezetés és szuperfolyékonyság
Szuperfolyékonyságnak nevezik az először a hélium 4-es tömegszámú izotópjának folyadékában, az abszolút nulla fölött körülbelül 2,17 fokkal fellépő jelenséget: a folyadék súrlódási ellenállás nélkül képes folyni.
A hélium egyatomos nemesgáz, amely nevét onnan kapta, hogy először a Nap színképében fedezték fel a XIX. században; atommagjának és a körülötte lévő elektronhéjának szerkezete olyan, hogy alig hat kölcsön kémiailag, és atomjai egymással is csak elenyésző mértékben lépnek kapcsolatba. Ezért cseppfolyósítani is roppant nehéz volt, a technikának csak a XX. század elejére sikerült annyira kifejlődnie, hogy a szükséges eljárások a rendelkezésre álljanak. A holland származású Heike Kammerlingh-Onnes, a Leideni Egyetem fizika tanszékének professzora csatlakozott az alacsony hőmérsékletek kutatóihoz, és neki sikerült 1908-ban - a gázok közül utolsóként - cseppfolyósítania a héliumot, majd még tovább hűtenie, drámai körülmények között. Ezekről szót kell ejtenünk, hogy világos legyen, mit is jelent a szuperfolyékonyság.
Amikor a laborban a híres hűtési kísérlet folyt, a héliumminta hőmérséklete darabig csökkent, aztán ez megállt. Onnesék tanácstalanul nézték az edényt, amelyben nem látszott folyadék, amikor a laborba kíváncsian bekukkantó Schreinemakers professzor fölvetette, hogy mégis lehet, hogy végbement a cseppfolyósodás, és valójában forrásban lévő héliumba merül a hőmérő, azért állt meg a hőmérséklet csökkenése, meg kellene az edényt alulról is világítani. Megtették, és azonnal meglátták a folyékony hélim felszínét, az edény majdnem tele volt vele. Különös jelentősége van annak is, miért volt nehéz meglátni: szinte folyamatosan ment át a folyadékfelszín az edény falába, nem élesen, mint a szokásos folyadékok. Más jelenség is mutatkozott, amelyről mellesleg ejtettek szót, és csak harminc év múlva derült ki, hogy a szuperfolyékonyság az oka, és hogy szinte már Kammerling-Onnes kezében volt, de a kutatók megriadtak a bizarr következtetéstől. A hűtés céljából ugyanis igen alacsony nyomás alá helyezték a folyadékot, mire annak forrása erősödött, ahogy az várható is volt, amint a forráspont leszállt. A további hűtés során aztán a folyékony hélium pezsgése egyszerre megállt. Ez megdöbbentő volt. A folyadék azért pezseg, amiért a főzőre helyezett víz forr: nem tud hőátadással vagy áramlással szabadulni a hőtől, mert e folyamatok nem elég hatékonyak, tehát az gázzá alakítja, azaz elgőzölögteti. A forrás csak azért állhat le, mert elérve a kritikus hőmérsékletet, a hővezető képesség, ami mögött akár áramlás is állhat, legalábbis milliószorosára nőtt. Ez valami mérési hibának tűnt. Csak harminc év múlva merték kimondani, hogy nem milliószorosára, hanem végtelenszeresére: a szuperfolyékony folyadék tökéletesen súrlódás nélkül folyik, tehát bármennyi hőt simán elszállít.
A szupravezetésre szintén már az első pillanatokban megvoltak a világos jelek. A hőmérők fémszálak ellenállásának változásán alapultak. A folyékony hélium hőmérsékletén a mérésekkel olyan nehézségek léptek fel, amelyek nyomán Nernst fizikai kémikus kijelentette, hogy az ellenállás az abszolút nulla fokon eltűnik. Kammerlingh-Onnes is többféle mintét vizsgált, platinát, aranyat, higanyt. A hűtéssel darabig csökkent az ellenállás, aztán ez is megállt. Vajon miért? Kammerlingh-Onnes helyesen értelmezte a dolgot: szennyezett az anyag, az okozza a maradék ellenállást, ám annak van egy része, amely már pár fokkal az abszolút nulla fölött is eltűnik. Egyre tisztább anyagokat vett, míg 1913-ra el nem jutott oda, hogy nagyon tiszta higany ellenállása közvetlenül a folyékony hélium hőmérséklete alatt egyszerre mérhetetlenül kis értékűre zuhan. Ma már tudjuk: ténylegesen nullára.
Óriási haszon
A két rokon jelenség leírására különféle, magas presztízsű elméletek születtek, nagy tudományos haszonnal, ám a tárgyat mindmáig végleg ki nem merítve. Csak az egyik kutatási területre utalunk: ha szupravezető kábeleken lehetne az áramot az erőművekből a fogyasztókhoz vezetni, az erőművek legalább fele fölöslegessé válna. Csakhogy roppant drága az ilyen alacsony hőfok fönntartása. Az álom: a mennél magasabb hőmérsékletű szupravezetés. Ez a kutatások egyik mai növekedési pontja. Roppant érdek fűződik hát ahhoz, hogy fejlődjenek a kapcsolódó elméletek, és az új Nobel-díjasok ebben értek el átütő sikereket. A nevek amúgy legendásak: a XX. század fizikai kutatásainak legizgalmasabb pontjaihoz kapcsolódó számos eredményt értek el, tankönyvek ezrei épülnek a munkájukra, nincs fizikus és villamosmérnök, aki ne kapcsolná őket ismeretei legfontosabb fejezeteihez.
|
|
| [ Norman Károly ] |
| 2003-10-08 08:00:00 |
|
|
