"Магниты"
Научный сотрудник Института прикладной физики РАН Артем Коржиманов – о магии для детей, левитирующих лягушках и изучении нейтронных звезд в лаборатории, а также о том, какое это все имеет отношение к Нижнему Новгороду
«Любая достаточно развитая технология неотличима от магии» – эта знаменитая фраза английского фантаста и футуролога Артура Кларка вспоминается мне каждый раз, когда я наблюдаю, как мои дети играют с магнитиками. Мне сложно представить человека, которого бы не поразила в детстве эта необъяснимая способность черного кубика притягивать находящиеся вблизи металлические предметы. Но роль магнитов в нашей жизни не ограничивается детскими играми и коллекционированием сувениров на холодильниках. Они буквально повсюду: стрелка компаса, считывающее устройство в смартфоне, магнитно-резонансный томограф – вот лишь малая часть возможных примеров.
Чтобы подчинить себе магниты, людям пришлось научиться их создавать. Конечно, существуют природные магниты, но сила их невелика. Силу магнита, кстати, измеряют или в гауссах, или в тесла. 1 гаусс удобен тем, что именно такую силу имеет магнитное поле Земли. А 1 тесла в 10 000 раз больше, и это самая большая сила, которую может иметь обычный магнит, правда, не природный, а созданный из специального сплава железа, бора и редкого элемента неодима.
А что если вам нужны более сильные поля? Например, для той же магнитно-резонансной томографии? Тут на выручку приходит тот факт, что магнитные поля можно создавать электрическим током. Так и возникла идея электромагнитов. Здесь все просто: берем металлический провод, сворачиваем его в соленоид – так принято называть катушку, напоминающую пружину, – и пропускаем через него ток посильнее. Чем выше ток, тем выше магнитное поле внутри соленоида.
Но тут подстерегает первая проблема: чем выше ток, тем сильнее греется провод. И если силу тока увеличивать и увеличивать, то рано или поздно провод просто расплавится. Это серьезно ограничивает максимально возможную силу электромагнитов. Конечно, ученые и инженеры придумали немало ухищрений, позволяющих уменьшить нагрев, в основном за счет активного охлаждения потоком воды, но все равно ничего лучше 36 тесла достичь не удалось. Прямо скажем, негусто.
Этого, правда, уже более чем достаточно, чтобы заставить заметно взаимодействовать с магнитом не только металлы, но и немагнитные в обычных условиях вещества. Например, живые ткани. В 2000 году сотрудник университета Неймегена в Нидерландах, выпускник МФТИ Андрей Гейм разделил со своим коллегой Майклом Берри пародийную Шнобелевскую премию за демонстрацию левитирующей лягушки в поле магнита силой в 16 тесла. Через 10 лет за совсем другие исследования Гейм станет лауреатом уже Нобелевской премии, но сейчас не об этом.
Можем ли мы придумать что-нибудь, чтобы получить еще более сильные поля? Образованный читатель в этом месте, конечно, должен хлопнуть ладонью по лбу и воскликнуть: «Эврика! Есть же сверхпроводники!» Действительно, ведь металл при протекании по нему тока греется из-за наличия у него электрического сопротивления. А сверхпроводники этого досадного недостатка лишены. Тем более сейчас, когда хорошо разработаны технологии получения высокотемпературных сверхпроводников, переходящих в это состояние при температуре относительно дешевого жидкого азота, никаких проблем с созданием сверхпроводящих электромагнитов быть не должно.
Их, собственно говоря, и нет, но вынужден огорчить образованного читателя: это слабо помогает в достижении более сильных магнитных полей. Оказывается, что в таких полях все известные сверхпроводники теряют свои замечательные свойства, и никакие ухищрения не помогают их им вернуть. Так что сверхпроводящие электромагниты недалеко ушли от своих обычных кузенов: 45 тесла – это их предел на сегодняшний день.
Так что же, неужели магнитное поле силой в 450 000 земных полей – это предел человеческих технологий? К счастью, нет. Еще один нобелевский лауреат Петр Капица, родившийся в России, еще в 1920-е годы предложил простую идею: давайте создавать поля электромагнитом на очень короткий промежуток времени, чтобы провода не успевали нагреться и расплавиться. Он же первым и реализовал эту идею, достигнув фантастического для своего времени уровня в 32 тесла. Правда, всего лишь на сотые доли секунды, но этого оказалось достаточно для получения множества интересных результатов.
Технология Капицы с годами развивалась, и сегодня рекорд, установленный в Японии, составляет 730 тесла – в 20 раз больше, чем в стандартных электромагнитах!
Но и это еще не предел. Совершенно по-новому взглянуть на проблему попробовал знаменитый академик Сахаров. Он предложил созданное соленоидом магнитное поле сжать мощным взрывом. И уже в 1960-е годы эта идея была реализована в Арзамасе-16, нынешнем Сарове. Достигнутые этим методом результаты впечатляют. Именно сотрудники Российского федерального ядерного центра удерживают сейчас мировой рекорд по силе сгенерированного в лаборатории магнитного поля. В 1998 году ими были достигнуты невероятные 2800 тесла.
Что ждать в ближайшем будущем? Буквально в последнее время появился совершенно новый источник концентрированной энергии, который может потягаться со взрывчаткой, это сверхмощные лазеры. Теоретические работы предсказывают, что в фокусе этих удивительных машин возможно создание магнитных полей силой в десятки и даже сотни тысяч тесла, но экспериментальная реализация еще ждет своего часа. Не исключено, что новый рекорд будет поставлен в Нижнем Новгороде – именно здесь в подвале Института прикладной физики РАН была построена и сейчас работает одна из самых мощных лазерных систем в мире.
Практически нет сомнений, что уже в ближайшее десятилетие ученые смогут получить поля силой, близкой к миллиону тесла. Подобные поля во Вселенной встречаются только вблизи таких экзотических объектов, как нейтронные звезды. Так что вскоре появится инструмент, который позволит изучить поведение вещества в условиях, существовавших до сих пор только в глубинах космоса. И мы еще на один шажок приблизимся к заветной мечте понять, как же устроен этот мир.
Чтобы подчинить себе магниты, людям пришлось научиться их создавать. Конечно, существуют природные магниты, но сила их невелика. Силу магнита, кстати, измеряют или в гауссах, или в тесла. 1 гаусс удобен тем, что именно такую силу имеет магнитное поле Земли. А 1 тесла в 10 000 раз больше, и это самая большая сила, которую может иметь обычный магнит, правда, не природный, а созданный из специального сплава железа, бора и редкого элемента неодима.
А что если вам нужны более сильные поля? Например, для той же магнитно-резонансной томографии? Тут на выручку приходит тот факт, что магнитные поля можно создавать электрическим током. Так и возникла идея электромагнитов. Здесь все просто: берем металлический провод, сворачиваем его в соленоид – так принято называть катушку, напоминающую пружину, – и пропускаем через него ток посильнее. Чем выше ток, тем выше магнитное поле внутри соленоида.
Но тут подстерегает первая проблема: чем выше ток, тем сильнее греется провод. И если силу тока увеличивать и увеличивать, то рано или поздно провод просто расплавится. Это серьезно ограничивает максимально возможную силу электромагнитов. Конечно, ученые и инженеры придумали немало ухищрений, позволяющих уменьшить нагрев, в основном за счет активного охлаждения потоком воды, но все равно ничего лучше 36 тесла достичь не удалось. Прямо скажем, негусто.
Этого, правда, уже более чем достаточно, чтобы заставить заметно взаимодействовать с магнитом не только металлы, но и немагнитные в обычных условиях вещества. Например, живые ткани. В 2000 году сотрудник университета Неймегена в Нидерландах, выпускник МФТИ Андрей Гейм разделил со своим коллегой Майклом Берри пародийную Шнобелевскую премию за демонстрацию левитирующей лягушки в поле магнита силой в 16 тесла. Через 10 лет за совсем другие исследования Гейм станет лауреатом уже Нобелевской премии, но сейчас не об этом.
Можем ли мы придумать что-нибудь, чтобы получить еще более сильные поля? Образованный читатель в этом месте, конечно, должен хлопнуть ладонью по лбу и воскликнуть: «Эврика! Есть же сверхпроводники!» Действительно, ведь металл при протекании по нему тока греется из-за наличия у него электрического сопротивления. А сверхпроводники этого досадного недостатка лишены. Тем более сейчас, когда хорошо разработаны технологии получения высокотемпературных сверхпроводников, переходящих в это состояние при температуре относительно дешевого жидкого азота, никаких проблем с созданием сверхпроводящих электромагнитов быть не должно.
Их, собственно говоря, и нет, но вынужден огорчить образованного читателя: это слабо помогает в достижении более сильных магнитных полей. Оказывается, что в таких полях все известные сверхпроводники теряют свои замечательные свойства, и никакие ухищрения не помогают их им вернуть. Так что сверхпроводящие электромагниты недалеко ушли от своих обычных кузенов: 45 тесла – это их предел на сегодняшний день.
Так что же, неужели магнитное поле силой в 450 000 земных полей – это предел человеческих технологий? К счастью, нет. Еще один нобелевский лауреат Петр Капица, родившийся в России, еще в 1920-е годы предложил простую идею: давайте создавать поля электромагнитом на очень короткий промежуток времени, чтобы провода не успевали нагреться и расплавиться. Он же первым и реализовал эту идею, достигнув фантастического для своего времени уровня в 32 тесла. Правда, всего лишь на сотые доли секунды, но этого оказалось достаточно для получения множества интересных результатов.
Технология Капицы с годами развивалась, и сегодня рекорд, установленный в Японии, составляет 730 тесла – в 20 раз больше, чем в стандартных электромагнитах!
Но и это еще не предел. Совершенно по-новому взглянуть на проблему попробовал знаменитый академик Сахаров. Он предложил созданное соленоидом магнитное поле сжать мощным взрывом. И уже в 1960-е годы эта идея была реализована в Арзамасе-16, нынешнем Сарове. Достигнутые этим методом результаты впечатляют. Именно сотрудники Российского федерального ядерного центра удерживают сейчас мировой рекорд по силе сгенерированного в лаборатории магнитного поля. В 1998 году ими были достигнуты невероятные 2800 тесла.
Что ждать в ближайшем будущем? Буквально в последнее время появился совершенно новый источник концентрированной энергии, который может потягаться со взрывчаткой, это сверхмощные лазеры. Теоретические работы предсказывают, что в фокусе этих удивительных машин возможно создание магнитных полей силой в десятки и даже сотни тысяч тесла, но экспериментальная реализация еще ждет своего часа. Не исключено, что новый рекорд будет поставлен в Нижнем Новгороде – именно здесь в подвале Института прикладной физики РАН была построена и сейчас работает одна из самых мощных лазерных систем в мире.
Практически нет сомнений, что уже в ближайшее десятилетие ученые смогут получить поля силой, близкой к миллиону тесла. Подобные поля во Вселенной встречаются только вблизи таких экзотических объектов, как нейтронные звезды. Так что вскоре появится инструмент, который позволит изучить поведение вещества в условиях, существовавших до сих пор только в глубинах космоса. И мы еще на один шажок приблизимся к заветной мечте понять, как же устроен этот мир.
