Краткая история сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости, то есть исчезновение электрического сопротивления при низких температурах, было обнаружено экспериментально Х. Камерлинг-Оннесом в 1908 году. Существовавшие к тому времени классические понятия силы тока, сопротивления, электромагнитного поля и другие были достаточны для наблюдения и феноменологического описания явления.

В 1935 году Ф. В. Лондон сформулировал первую феноменологическую теорию сверхпроводимости. Закон Ома, утверждающий, что сила тока пропорциональна электрическому полю, в случае сверхпроводимости нарушается. Закон Лондона утверждает, что производная по времени от силы тока пропорциональна электрическому полю. Этот закон — самое первое математическое описание явления сверхпроводимости, так сказать, его формулировка, а не «объяснение».

Согласно Витгенштейну «ничто не скрыто» [Витгенштейн 2019, § 435]. Реальность — в данном случае реальность сверхпроводимости — такова, каковой она нам является в результате корректного применения правил для ее описания.

 

Сказанное следует правильно понимать. Научная теория не может быть доступна без специальной подготовки. В том случае, однако, когда она действительно доступна, она схватывает саму реальность.

 

И наоборот, обыденное, повседневное, не всегда раскрывается нам. Можно согласиться с М. Мерло-Понти, который, по сути, выражает другую — дополнительную — идею, с которой согласился бы и Витгенштейн, что чтобы понять обыденное, то есть то, что мы воспринимаем при помощи наших органов чувств, требуется много внимания и усилий. Может быть, используя терминологию современной философии сознания, можно было бы сказать, что требуется развитие специфической рефлексивной/интроспективной способности оперировать феноменальными концептами, которые формируются в результате непосредственного опыта, противопоставляются теоретическим концептам и в то же время дополняют их. Поскольку практика всякого научного исследования всегда предполагает некоторый обыденный контекст, эта специфическая способность также необходима и ученым.

Последующая теория Гинзбурга-Ландау приняла во внимание термодинамические эффекты. Не зная глубинной природы явления и детального микроскопического механизма, она сделала это «эффективным» образом, то есть, угадав основной математический принцип. В результате предыдущая теория была уточнена благодаря введению комплексного релятивистского скалярного поля с нелинейным потенциалом (потенциал Гинзбурга-Ландау), взаимодействующего с электрическим полем.

Смысл скалярного поля был понят лишь позже Барденом, Купером и Шриффером. Их теория позволила объяснить теорию Гинзбурга-Ландау. Квадрат модуля скалярного поля есть плотность куперовских пар. Куперовские пары являются бозонами. Явление сверхпроводимости — конденсация Бозе-Эйнштейна куперовских пар.

В состоянии термодинамического равновесия при температуре выше критической плотность куперовских пар равна нулю, тогда как при температуре ниже критической она отлична от нуля и определяется отношением коэффициентов, входящих в потенциал Гинзбурга-Ландау. Коэффициенты зависят от температуры. Один из них меняет знак при критической температуре.

Закон Лондона может быть выведен в рамках теории Гинзбурга-Ландау. Этот закон, в свою очередь, позволяет объяснить эффект Мейснера, состоящий в том, что отличное от нуля магнитное поле может существовать лишь в тонком пограничном слое на поверхности сверхпроводника.

То, что речь действительно идет о куперовских электронных парах с удвоенным зарядом электрона, может быть установлено на эксперименте. Можно показать, что магнитный поток через поверхность, ограниченную сверхпроводником, квантуется и зависит от заряда скалярного поля. Измеряя поток, можно экспериментально установить, что этот заряд равен -2е, где е — заряд электрона.

Введенное Гинзбургом и Ландау скалярное поле реально в том смысле, что оно описывает поток реальных куперовских пар. Как сказано выше, первоначально эта реальность была схвачена чисто математически, без понимания ее смысла. Лишь позже, в том числе благодаря эксперименту, она была понята на микроскопическом уровне и еще позже на языке квантовой калибровочной теории поля (см. здесь).

Скалярное поле Хиггса обладает менее наглядной реальностью квантового поля в физике частиц. Эта реальность, а также природа бозона Хиггса, могут быть поняты лишь в рамках калибровочной теории со спонтанным нарушением симметрии (см. здесь).