"Scuturi!" - acesta este primul ordin, care în seria interminabilă „Star Trek” dă o voce aspră căpitanului Kirk echipajului său; ascultător de ordine, echipajul pornește câmpurile de forță concepute pentru a proteja nava spațială „Enterprise” de focul inamic.
În povestea Star Trek, câmpurile de forță sunt atât de importante încât starea lor poate determina bine rezultatul unei bătălii. De îndată ce energia câmpului de forță s-a epuizat, iar carena Întreprinderii începe să primească lovituri, cu atât mai mult, cu cât este mai zdrobitoare; în cele din urmă, înfrângerea devine inevitabilă.
Deci, ce este un câmp de forță de protecție? În ficțiunea științifică, este un lucru înșelător de simplu: o barieră subțire, invizibilă și de nepătruns, capabilă să reflecte fascicule laser și rachete cu o ușurință egală. La prima vedere, câmpul de forță pare atât de simplu, încât crearea - și curând - a scuturilor de luptă bazate pe acesta pare inevitabilă. Deci, vă așteptați că nu astăzi sau mâine, un inventator întreprinzător va anunța că a reușit să obțină un câmp de forță de protecție. Dar adevărul este mult mai complicat.
Ca și becul lui Edison, care a schimbat radical civilizația modernă, câmpul de forță poate afecta profund toate aspectele vieții noastre, fără excepție. Armata ar folosi câmpul de forță pentru a deveni invulnerabil, creând un scut impenetrabil de rachetele și gloanțele inamice pe baza sa. În teorie, s-ar putea crea poduri, autostrăzi superbe și drumuri prin simpla apăsare a unui buton. Orașe întregi ar răsări în deșert, de parcă de magie; totul din ele, până la zgârie-nori, ar fi construit exclusiv din câmpuri de forță. Cupolele de forță peste orașe le-ar permite locuitorilor să controleze în mod arbitrar evenimentele meteorologice - vânturi de furtună, furtuni de zăpadă, tornade. Sub copertina sigură a câmpului de forță, orașele ar putea fi construite chiar și pe fundul oceanelor. Sticla, oțelul și betonul ar putea fi abandonate complet,înlocuirea tuturor materialelor de construcție cu câmpuri de forță.
Dar, ciudat, câmpul de forță se dovedește a fi unul dintre acele fenomene extrem de dificil de reprodus în laborator. Unii fizicieni chiar cred că nu va fi posibil să facă acest lucru deloc fără a-i schimba proprietățile.
Michael Faraday
Conceptul de câmp fizic își are originea în lucrările marelui om de știință britanic din secolul al XIX-lea. Michael Faraday.
Video promotional:
Părinții lui Faraday aparțineau clasei muncitoare (tatăl său era fierar). El însuși la începutul anilor 1800. a fost un ucenic pentru bookbinder și a scos o existență destul de mizerabilă. Însă tânărul Faraday a fost fascinat de descoperirea uriașă recentă în știință - descoperirea proprietăților misterioase ale două noi forțe, energia electrică și magnetismul. El a devorat cu nerăbdare toate informațiile pe care le-a pus la dispoziție cu privire la aceste aspecte și a participat la prelegeri ale profesorului Humphrey Davy de la Royal Institute din Londra.
Profesorul Davy și-a rănit grav ochii în timpul unui experiment chimic eșuat; avea nevoie de un secretar și îl duse pe Faraday în această funcție. Treptat, tânărul a câștigat încrederea oamenilor de știință din Instituția Regală și a fost capabil să efectueze propriile sale experimente importante, deși de multe ori a trebuit să îndure o atitudine de descurajare. De-a lungul anilor, profesorul Davy a devenit din ce în ce mai gelos pe succesele talentatei sale tinere asistente, care a fost considerată inițial o stea în ascensiune în cercurile experimentale, iar în timp a eclipsat gloria lui Davy însuși. Abia după moartea lui Davy, în 1829, Faraday a primit libertatea științifică și a făcut o serie întreagă de descoperiri uimitoare. Rezultatul lor a fost crearea de generatoare electrice care furnizau energie orașelor întregi și au schimbat cursul civilizației mondiale.
Cheia celor mai mari descoperiri ale lui Faraday au fost câmpurile de forță sau fizice. Dacă așezați filamente de fier peste un magnet și îl agitați, se dovedește că filajele se potrivesc într-un model care seamănă cu o țuică și ocupă tot spațiul din jurul magnetului. „Firele web” sunt liniile de forță ale lui Faraday. Acestea arată clar modul în care câmpurile electrice și magnetice sunt distribuite în spațiu. De exemplu, dacă înfățișați grafic câmpul magnetic al Pământului, veți constata că liniile provin de undeva din zona Polului Nord, apoi se întorc și se duc din nou în pământ în zona Polului Sud. În mod similar, dacă înfățișați liniile de forță ale câmpului electric de fulgere în timpul unei furtuni, se dovedește că acestea converg în vârful fulgerului.
Spațiul gol pentru Faraday nu era deloc gol; era umplut cu linii de forță care puteau face ca obiectele îndepărtate să se miște.
(Tinerii săraci ai lui Faraday l-au împiedicat să primească o educație formală și el avea puține cunoștințe de matematică; ca urmare, caietele sale nu erau pline de ecuații și formule, ci de diagrame desenate manual de linii de câmp. În mod ironic, lipsa lui de educație matematică l-a determinat să dezvolte diagrame grozave) linii de forță, care astăzi pot fi văzute în orice manual de fizică. Imaginea fizică din știință este adesea mai importantă decât aparatul matematic folosit pentru a-l descrie.)
Istoricii au prezentat multe presupuneri despre ceea ce l-a determinat pe Faraday la descoperirea câmpurilor fizice - unul dintre cele mai importante concepte din istoria întregii științe mondiale. De fapt, toată fizica modernă, fără excepție, este scrisă în limbajul câmpurilor Faraday. În 1831, Faraday a făcut o descoperire cheie în domeniul câmpurilor fizice care ne-au schimbat pentru totdeauna civilizația. Într-o zi, în timp ce transporta un magnet - jucăria unui copil - peste cadrul de sârmă, a observat că în cadru a fost generat un curent electric, deși magnetul nu l-a atins. Aceasta a însemnat că câmpul invizibil al unui magnet ar putea face ca electronii să se miște la distanță, creând un curent.
Câmpurile de forță ale lui Faraday, care până în acest moment erau considerate imagini inutile, rodul unei fantezii inactive, s-au dovedit a fi o adevărată forță materială capabilă să miște obiecte și să genereze energie. Astăzi, putem spune cu siguranță că sursa de lumină pe care o utilizați pentru a citi această pagină este alimentată de descoperirile lui Faraday în electromagnetism. Magnetul de filare creează un câmp care împinge electronii în conductor și îi face să se miște, creând un curent electric care poate fi apoi utilizat pentru a alimenta becul. Generatoarele de electricitate se bazează pe acest principiu, furnizând energie orașelor din întreaga lume. De exemplu, un flux de apă care cade dintr-un baraj face ca un magnet uriaș dintr-o turbină să se rotească; magnetul împinge electroni în fir, formând un curent electric; curent, la rândul său,curge prin fire de înaltă tensiune către casele noastre.
Cu alte cuvinte, câmpurile de forță ale lui Michael Faraday sunt însăși forțele care conduc civilizația modernă, toate manifestările sale - de la locomotive electrice la cele mai noi sisteme de calcul, Internet și computere de buzunar.
Timp de un secol și jumătate, domeniile fizice ale lui Faraday au inspirat cercetările ulterioare ale fizicienilor. Einstein, de exemplu, a fost atât de puternic influențat încât și-a formulat teoria gravitației în limbajul câmpurilor fizice. Lucrările lui Faraday au făcut o impresie puternică și asupra mea. Cu câțiva ani în urmă, am formulat cu succes teoria șirurilor în termeni de câmpuri fizice Faraday, punând astfel fundamentul teoriei câmpurilor de șiruri. În fizică, a spune despre cineva că gândește cu linii de forță înseamnă a oferi acelei complimente serioase.
Patru interacțiuni fundamentale
Una dintre cele mai mari realizări ale fizicii în ultimele două milenii a fost identificarea și definirea celor patru tipuri de interacțiuni care guvernează universul. Toate acestea pot fi descrise în limba câmpurilor cărora le datorăm Faraday. Din păcate, însă, niciuna dintre cele patru specii nu are proprietățile complete ale câmpurilor de forță descrise în majoritatea cărților de ficțiune științifică. Să enumerăm aceste tipuri de interacțiune.
1. Gravitatea. Puterea tăcută care ne împiedică să lăsăm picioarele. Nu permite Pământului și stelelor să se sfărâme, ajută la păstrarea integrității sistemului solar și a galaxiei. Fără gravitație, învârtirea planetei ne-ar îndepărta de pe Pământ și în spațiu la 1.000 de mile pe oră. Problema este că proprietățile gravitației sunt exact opuse proprietăților câmpurilor de forță fantastică. Gravitatea este forța atracției, nu repulsia; este extrem de slab - relativ, desigur; funcționează la distanțe enorme, astronomice. Cu alte cuvinte, este aproape exact opusul barierei plate, subțiri și impenetrabile, care poate fi găsit în aproape orice roman sau film de science-fiction. De exemplu, o pene pe podea este atrasă de întreaga planetă - Pământul,dar putem depăși cu ușurință gravitația Pământului și putem ridica penele cu un deget. Impactul unuia dintre degetele noastre poate depăși gravitația unei întregi planete, care cântărește mai mult de șase trilioane de kilograme.
2. Electromagnetism (EM). Puterea care luminează orașele noastre. Laserele, radioul, televiziunea, electronica modernă, computerele, internetul, energia electrică, magnetismul sunt toate consecințele manifestării interacțiunii electromagnetice. Este poate cea mai utilă forță pe care umanitatea a reușit să o valorifice de-a lungul istoriei sale. Spre deosebire de gravitație, poate funcționa atât pentru atracție cât și pentru repulsie. Cu toate acestea, nu este potrivit pentru rolul unui câmp de forță din mai multe motive. În primul rând, poate fi ușor neutralizat. De exemplu, plasticul sau orice alt material non-conductiv poate pătrunde cu ușurință într-un câmp electric sau magnetic puternic. O bucată de plastic aruncată într-un câmp magnetic va zbura liber chiar prin ea. În al doilea rând, electromagnetismul acționează la distanțe mari, nu este ușor să-l concentrezi într-un plan. Legile interacțiunii EM sunt descrise de ecuațiile lui James Clerk Maxwell și se pare că câmpurile de forță nu sunt o soluție la aceste ecuații.
3 și 4. Interacțiuni nucleare puternice și slabe. Interacțiunea slabă este forța degradării radioactive, cea care încălzește nucleul radioactiv al Pământului. Această putere se află în spatele erupțiilor vulcanice, a cutremurelor și a derivării plăcilor continentale. Interacțiunea puternică nu permite nucleelor de atomi să se prăbușească; oferă energie soarelui și stelelor și este responsabilă de iluminarea universului. Problema este că interacțiunea nucleară funcționează doar la distanțe foarte mici, în mare parte în cadrul nucleului atomic. Este atât de puternic asociat cu proprietățile miezului în sine, încât este extrem de dificil să îl controlăm. În prezent, știm doar două moduri de a influența această interacțiune: putem rupe o particulă subatomică în bucăți dintr-un accelerator sau să detonăm o bombă atomică.
Deși câmpurile de protecție la ficțiune științifică nu respectă legile fizicii cunoscute, există lacune care vor face posibilă crearea unui câmp de forță în viitor. În primul rând, este posibil să existe un al cincilea tip de interacțiune fundamentală pe care nimeni nu a reușit să o observe încă în laborator. Se poate dovedi, de exemplu, că această interacțiune funcționează doar la distanțe de câțiva centimetri până la un picior - și nu la distanțe astronomice. (Adevărat, primele încercări de a detecta al cincilea tip de interacțiune au dat rezultate negative.)
În al doilea rând, este posibil să putem face ca plasma să imite unele dintre proprietățile câmpului de forță. Plasma este „a patra stare a materiei”. Primele trei, cunoscute pentru noi, stările de materie sunt solide, lichide și gazoase; cu toate acestea, cea mai frecventă formă a materiei din univers este plasma: un gaz format din atomi ionizați. Atomii din plasmă nu sunt conectați între ei și sunt lipsiți de electroni și, prin urmare, au o sarcină electrică. Pot fi controlate cu ușurință folosind câmpuri electrice și magnetice.
Materia vizibilă a universului există în cea mai mare parte sub formă de diverse tipuri de plasmă; din el se formează soarele, stelele și gazele interstelare. În viața obișnuită, nu întâlnim aproape niciodată plasmă, deoarece pe Pământ acest fenomen este rar; cu toate acestea, plasma poate fi văzută. Tot ce trebuie să faceți este să priviți fulgerul, soarele sau un ecran TV cu plasmă.
Ferestre cu plasmă
După cum s-a menționat mai sus, dacă gazul este încălzit la o temperatură suficient de ridicată și astfel se obține plasmă, atunci folosind câmpuri magnetice și electrice va fi posibilă menținerea și modelarea acestuia. De exemplu, plasma poate avea formă de foaie sau geam de fereastră. Mai mult, o astfel de „fereastră cu plasmă” poate fi utilizată ca o partiție între vid și aer obișnuit. În principiu, în acest fel ar fi posibilă păstrarea aerului în interiorul navei spațiale, împiedicând-o să scape în spațiu; plasma în acest caz formează o coajă transparentă convenabilă, limita dintre spațiul deschis și navă.
În Star Trek, câmpul de forță este folosit, în parte, pentru a izola compartimentul în care este amplasată naveta spațială mică și de unde pornește de la spațiul exterior. Și nu este doar un truc inteligent pentru a economisi bani pe decorațiuni; un astfel de film transparent invizibil poate fi creat.
Fereastra cu plasmă a fost inventată în 1995 de către fizicianul Eddie Gershkovich la Laboratorul Național Brookhaven (Long Island, New York). Acest dispozitiv a fost dezvoltat în procesul de soluționare a unei alte probleme - problema sudării metalelor cu ajutorul unui fascicul de electroni. Lanterna de acetilenă a sudorului topeste metalul cu un flux de gaz fierbinte, apoi îmbină bucățile de metal împreună. Se știe că fasciculul de electroni este capabil să sudeze metalele mai rapid, mai curat și mai ieftin decât metodele convenționale de sudare. Principala problemă a metodei de sudare a electronilor este aceea că trebuie efectuată în vid. Această cerință este foarte incomodă, deoarece înseamnă construirea unei camere de vid - poate dimensiunea unei camere întregi.
Pentru a rezolva această problemă, Dr. Gershkovich a inventat fereastra cu plasmă. Acest dispozitiv are doar 3 metri înălțime și 1 metru în diametru; încălzește gazul la o temperatură de 6500 ° C și creează astfel o plasmă, care cade imediat în capcana câmpurilor electrice și magnetice. Particulele de plasmă, precum particulele de orice gaz, exercită presiune care împiedică aerul să se repezească și să umple camera de vid. (Când este folosit într-o fereastră cu plasmă, argonul emite o strălucire albăstruie, la fel ca câmpul de forță din Star Trek.)
Fereastra cu plasmă va găsi, evident, o aplicație largă în industria spațială și în industrie. Chiar și în industrie, micromașinarea și gravura uscată necesită adesea un vid, dar poate fi foarte scump pentru a fi utilizat într-un proces de fabricație. Dar acum, cu invenția ferestrei cu plasmă, menținerea unui vid la apăsarea unui buton va deveni ușor și ieftin.
Dar poate fi folosită o fereastră cu plasmă ca scut impenetrabil? Se va proteja împotriva unei lovituri de tun? Se poate imagina apariția pe viitor a ferestrelor cu plasmă cu o energie și temperatură mult mai ridicate, suficientă pentru evaporarea obiectelor care intră în ea. Dar pentru a crea un câmp de forță mai realist, cu caracteristici cunoscute din ficțiunea științifică, va fi necesară o combinație cu mai multe straturi a mai multor tehnologii. Fiecare strat poate să nu fie suficient de puternic pentru a opri o minge de tun, dar împreună mai multe straturi pot fi suficiente.
Să încercăm să ne imaginăm structura unui astfel de câmp de forță. Stratul exterior, cum ar fi o fereastră cu plasmă supraalimentată, încălzit la o temperatură suficientă pentru a vaporiza metalele. Al doilea strat ar putea fi o perdea de raze laser cu energie mare. O astfel de perdea de mii de fascicule laser intersectate ar crea o grilă spațială care să încălzească obiectele care trec prin ea și să le vaporizeze în mod eficient. Vom vorbi mai multe despre lasere în capitolul următor.
Mai departe, în spatele cortinei cu laser, vă puteți imagina o rețea spațială de „nanotuburi de carbon” - tuburi minuscule, formate din atomi de carbon individuali, cu pereții cu un atom de grosime. Astfel, tuburile sunt de multe ori mai puternice decât oțelul. Cel mai lung nanotub de carbon din lume are în prezent doar aproximativ 15 mm, dar putem prevedea deja ziua în care vom putea crea nanotuburi de carbon de lungime arbitrară. Să presupunem că o rețea spațială poate fi țesută din nanotuburi de carbon; în acest caz, obținem un ecran extrem de durabil care poate reflecta majoritatea obiectelor. Acest ecran va fi invizibil, deoarece fiecare nanotub individual este comparabil în grosime cu un atom, dar rețeaua spațială a nanotuburilor de carbon va depăși orice alt material în rezistență.
Deci, avem motive să presupunem că combinația unei ferestre cu plasmă, a unei perdele laser și a unui ecran de nanotuburi de carbon poate servi drept bază pentru crearea unui perete invizibil aproape impenetrabil.
Dar chiar și un astfel de scut cu mai multe straturi nu va reuși să demonstreze toate proprietățile pe care science fiction le atribuie unui câmp de forță. Deci, va fi transparent, ceea ce înseamnă că nu va putea opri fasciculul laser. Într-o luptă cu tunurile laser, scuturile noastre cu mai multe straturi vor fi inutile.
Pentru a opri fasciculul laser, scutul trebuie să aibă, pe lângă cele de mai sus, o proprietate puternic de „fotocromatică” sau transparență variabilă. În prezent, materialele cu astfel de caracteristici sunt utilizate la fabricarea ochelarilor de soare care se pot întuneca atunci când sunt expuși radiațiilor UV. Transparența variabilă a materialului se realizează prin utilizarea de molecule care pot exista în cel puțin două stări. Într-o stare a moleculelor, un astfel de material este transparent. Dar sub influența radiațiilor UV, moleculele se schimbă instantaneu la o altă stare, iar materialul își pierde transparența.
Poate că într-o zi vom putea folosi nanotehnologia pentru a obține o substanță la fel de puternică ca nanotuburile de carbon și poate modifica proprietățile sale optice atunci când este expusă la un fascicul laser. Un scut format dintr-o astfel de substanță va putea opri nu numai fluxurile de particule sau cochile de tun, ci și un atac cu laser. În prezent, însă, nu există materiale cu transparență variabilă care să poată opri fasciculul laser.
Levitație magnetică
În ficțiunea științifică, câmpurile de forță servesc o altă funcție, pe lângă respingerea loviturilor din armele cu raze, și anume, ele servesc ca un suport care vă permite să depășiți forța gravitației. În Back to the Future, Michael Fox călărește pe un hoverboard sau pe o plutitoare; acest lucru seamănă cu un skateboard familiar în orice, numai că „călărește” prin aer, deasupra suprafeței pământului. Legile fizicii, așa cum le cunoaștem astăzi, nu permit punerea în aplicare a unui astfel de dispozitiv anti-gravitație (așa cum vom vedea în capitolul 10). Însă vă puteți imagina în viitor crearea altor dispozitive - plăci plutitoare și mașini plutitoare pe o pernă magnetică; aceste mașini ne vor permite să ridicăm și să deținem cu ușurință obiecte mari. În viitor, dacă „superconductivitatea temperaturii camerei” devine o realitate accesibilă,o persoană va putea ridica obiecte în aer folosind capacitățile câmpurilor magnetice.
Dacă aducem polul nord al unui magnet permanent la polul nord al altuia dintre aceleași magneți, magneții se vor respinge reciproc. (Dacă întoarcem unul dintre magneți și îl aducem cu polul său sud la polul nord al celuilalt, doi magneți vor fi atrași.) Același principiu - același poli de magneți se resping - poate fi folosit pentru a ridica greutăți uriașe de la sol. Trenurile de suspensie magnetică avansate tehnic sunt deja construite în mai multe țări. Astfel de trenuri nu se glisează de-a lungul șinelor, ci peste ele la o distanță minimă; magneții obișnuiți îi țin în greutate. Trenurile par să plutească în aer și pot atinge viteze record datorită frecării zero.
Primul sistem de transport comercial automat din lume pe suspensie magnetică a fost lansat în 1984 în orașul britanic Birmingham. Acesta a conectat terminalul aeroportului internațional și gara din apropiere. Trenurile cu levitație magnetică funcționează și în Germania, Japonia și Coreea, deși majoritatea nu sunt proiectate pentru viteze mari. Primul tren de levitație magnetică comercială de mare viteză a început să circule pe o secțiune de rulare a unei șine din Shanghai; acest tren se deplasează de-a lungul autostrăzii cu viteze de până la 431 km / h. Un tren maglev japonez din prefectura Yamanashi a accelerat la o viteză de 581 km / h - adică s-a mișcat mult mai repede decât trenurile convenționale pe roți.
Dar dispozitivele suspendate magnetic sunt extrem de costisitoare. Unul dintre modurile de a-și mări eficiența este utilizarea superconductorilor, care, atunci când sunt răciți la temperaturi apropiate de zero absolut, își pierd complet rezistența electrică. Fenomenul superconductivității a fost descoperit în 1911 de Heike Kamerling-Onnes. Esența sa a fost că unele substanțe, atunci când sunt răcite la o temperatură sub 20 K (20 ° peste zero absolut), pierd toată rezistența electrică. De regulă, când metalul este răcit, rezistența sa electrică scade treptat. {Cert este că vibrațiile aleatoare ale atomilor interferează cu mișcarea direcțională a electronilor într-un conductor. Pe măsură ce temperatura scade, gama de fluctuații aleatorii scade, iar energia electrică resimte mai puțină rezistență.) Dar Kamerling-Onnes, spre uimirea sa, a găsitcă rezistența unor materiale la o anumită temperatură critică scade brusc la zero.
Fizicienii au înțeles imediat importanța acestui rezultat. Cantități semnificative de energie electrică se pierd în liniile de transmisie pe distanțe lungi. Dar dacă rezistența ar putea fi eliminată, energia electrică ar putea fi transferată oriunde pentru aproape nimic. În general, un curent electric excitat într-un circuit închis ar putea circula în el fără pierderi de energie timp de milioane de ani. Mai mult, din acești curenți extraordinari nu ar fi dificil să se creeze magneți cu o putere incredibilă. Și cu astfel de magneți, ar fi posibil să ridici încărcături uriașe fără efort.
În ciuda posibilităților minunate ale superconductorilor, utilizarea lor este foarte dificilă. Este foarte scump să păstrați magneți mari în rezervoare cu lichide extrem de reci. Păstrarea la rece a lichidelor ar necesita fabrici de frig uriașe care ar ridica costurile magneților supraconductori până la înălțimi ridicate din cer și le vor face neprofitabile.
Dar, într-o zi, fizicienii pot fi capabili să creeze o substanță care păstrează proprietăți supraconductoare, chiar și atunci când este încălzită la temperatura camerei. Superconductivitatea la temperatura camerei este graalul sfânt al fizicienilor în stare solidă. Producția de astfel de substanțe este probabil să înceapă a doua revoluție industrială. Câmpurile magnetice puternice care pot ține mașinile și trenurile suspendate vor deveni atât de ieftine încât chiar și „mașinile care alunecă” pot fi viabile economic. Este foarte posibil ca, odată cu invenția superconductorilor care își păstrează proprietățile la temperatura camerei, fantasticele mașini zburătoare pe care le vedem în filmele „Înapoi la viitor”, „Raportul minorității” și „Războiul stelelor” să devină realitate.
În principiu, este destul de de conceput ca o persoană să poată pune o centură specială din magneți supraconductori, ceea ce îi va permite să leviteze liber deasupra solului. Cu o astfel de centură, s-ar putea zbura prin aer, ca Superman. În general, superconductivitatea la temperatura camerei este un fenomen atât de remarcabil, încât invenția și utilizarea unor astfel de supraconductori sunt descrise în multe romane de ficțiune științifică (cum ar fi seria de romane despre Lumea Ringă, creată de Larry Niven în 1970).
Timp de zeci de ani, fizicienii au căutat fără succes substanțe care ar avea supraconductivitate la temperatura camerei. A fost un proces obositor, plictisitor - căutarea lui prin încercare și eroare, testarea unui material după altul. Dar în 1986 a fost descoperită o nouă clasă de substanțe, care au fost numite „superconductoare la temperaturi ridicate”; aceste substanțe au dobândit supraconductivitate la temperaturi de ordinul 90 ° peste zero absolut, sau 90 K. Această descoperire a devenit o adevărată senzație în lumea fizicii. Linia aeriană părea să se fi deschis. Luna după lună, fizicienii s-au întrecut între ei pentru a stabili un nou record mondial pentru superconductivitate. O vreme, chiar părea că superconductivitatea la temperatura camerei era pe cale să dispară din paginile romanelor de ficțiune științifică și să devină o realitate. Însă, după câțiva ani de dezvoltare rapidă, cercetările în domeniul superconductorilor la temperaturi ridicate au început să încetinească.
În prezent, recordul mondial pentru superconductorii la temperaturi ridicate aparține substanței, care este un oxid complex de cupru, calciu, bariu, taliu și mercur, care devine superconductor la 138 K (-135 ° C). Această temperatură relativ ridicată este încă foarte departe de temperatura camerei. Dar aceasta este și o etapă importantă. Azotul devine lichid la 77 K, iar azotul lichid costă cam la fel ca laptele obișnuit. Prin urmare, pentru răcirea superconductorilor la temperaturi ridicate, se poate utiliza azot lichid obișnuit, este ieftin. (Desigur, supraconductorii care rămân astfel la temperatura camerei nu necesită deloc răcire.)
Un alt lucru este neplăcut. În prezent, nu există nicio teorie care să explice proprietățile supraconductorilor la temperaturi ridicate. Mai mult, un fizician întreprinzător care va putea explica modul în care lucrează va primi un premiu Nobel. (În bine-cunoscuții superconductori la temperaturi ridicate, atomii sunt organizați în straturi bine definite. Mulți fizicieni sugerează că stratificarea materialului ceramic este cea care permite electronilor să se miște liber în interiorul fiecărui strat, creând astfel superconductivitate. Dar cum și de ce se întâmplă acest lucru este încă un mister.)
Lipsa de cunoștințe îi obligă pe fizicieni să caute noi moduri de superconductori la temperatură înaltă, prin încercare și eroare. Aceasta înseamnă că superconductivitatea notabilă a temperaturii camerei poate fi descoperită oricând, mâine, într-un an sau deloc. Nimeni nu știe când va fi găsită o substanță cu astfel de proprietăți și dacă va fi găsită deloc.
Dar dacă superconductorii sunt descoperiți la temperatura camerei, descoperirea lor este probabil să genereze un val uriaș de noi invenții și aplicații comerciale. Câmpurile magnetice de un milion de ori mai puternice decât câmpul magnetic al pământului (care este de 0,5 gauss) pot deveni obișnuite.
Una dintre proprietățile inerente tuturor superconductorilor se numește efectul Meissner. Dacă așezați un magnet peste un superconductor, magnetul va plasa în aer, ca și cum ar fi susținut de o forță invizibilă. [Motivul efectului Meissner este acela că magnetul are proprietatea de a-și crea propria „imagine în oglindă” în interiorul superconductorului, astfel încât magnetul real și reflecția acestuia să înceapă să se respingă reciproc. O altă explicație grafică pentru acest efect este aceea că un superconductor este impenetrabil cu un câmp magnetic. Cam împinge câmpul magnetic. Prin urmare, dacă așezați un magnet peste un superconductor, liniile de forță ale magnetului vor fi deformate la contactul cu superconductorul. Aceste linii de forță vor împinge magnetul în sus, făcându-l să se leviteze.)
Dacă umanitatea are ocazia să folosească efectul Meissner, atunci ne putem imagina autostrada viitorului cu o acoperire de astfel de ceramice speciale. Apoi, cu ajutorul magneților așezați pe centura noastră sau pe fundul mașinii, putem să trecem magic peste drum și să ne grăbim spre destinație, fără frecare sau pierdere de energie.
Efectul Meissner funcționează numai cu materiale magnetice, cum ar fi metalele, dar magneții supraconductori pot fi folosiți și pentru a levita materialele non-magnetice cunoscute sub numele de paramagnete sau diamagnete. Aceste substanțe de la sine nu sunt magnetice; le dobândesc doar în prezența și sub influența unui câmp magnetic extern. Paramagnetele sunt atrase de un magnet extern, diamagnetele sunt respinse.
Apa, de exemplu, este un diamagnetic. Deoarece toate lucrurile vii sunt făcute din apă, și ele pot levita în prezența unui câmp magnetic puternic. Într-un câmp cu o inducție magnetică de aproximativ 15 T (de 30.000 de ori mai puternic decât câmpul magnetic al Pământului), oamenii de știință au reușit deja să obțină animale mici, cum ar fi broaștele, să levită. Dar dacă superconductivitatea la temperatura camerei devine o realitate, va fi posibilă ridicarea în aer a unor obiecte mari nemagnetice, profitând de proprietățile lor diamagnetice.
În concluzie, observăm că câmpurile de forță sub forma în care sunt de obicei descrise în literatura fantastică nu sunt de acord cu descrierea celor patru interacțiuni fundamentale din Universul nostru. Dar se poate presupune că o persoană va putea imita multe dintre proprietățile acestor câmpuri fictive folosind scuturi multistrat, inclusiv ferestre cu plasmă, perdele laser, nanotuburi de carbon și substanțe cu transparență variabilă. Dar, în realitate, un astfel de scut nu poate fi dezvoltat decât în câteva decenii, sau chiar într-un secol. Și dacă se descoperă supraconductivitatea la temperatura camerei, umanitatea va avea ocazia să folosească câmpuri magnetice puternice; poate, cu ajutorul lor, va fi posibil să ridicați mașini și trenuri în aer, așa cum vedem în filmele de ficțiune.
Ținând cont de toate acestea, aș clasifica câmpurile de forță drept clasa I a imposibilității, adică le-aș defini ca fiind ceva imposibil pentru tehnologiile actuale, dar implementate într-o formă modificată în secolul următor.
