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Los primeros pasos para descubrir la superconductividad
El artículo fue escrito específicamente para el 250 aniversario del DESCUBRIMIENTO de la congelación de mercurio.
Yo
Academia de Ciencias de San Petersburgo, abierta en 1725. solo tenía que convertirse al mismo tiempo en un líder en el estudio de la física del frío. "La naturaleza de nuestra localidad es sorprendentemente favorable para realizar experimentos con el frío", escribió G.V. Kraft, uno de los primeros profesores de Petersburgo. Sin embargo, inmediatamente advirtió que en la naturaleza del frío hay mucho desconocido. "Hasta ahora, las cualidades antes mencionadas están envueltas en tal oscuridad que les llevó varios años iluminarlas, y tal vez se necesitó un siglo de vida completo, y no solo uno, sino muchos regalos perspicaces". El estaba en lo correcto. [1.]
Las academias de Inglaterra, Italia, Francia, Alemania, Holanda e incluso Suecia se encuentran en una franja de clima templado. Tecnológicamente, es más fácil obtener altas temperaturas para necesidades experimentales que el frío. Incluso en la antigüedad, el hombre podría recibir altas temperaturas suficientes para fundir minerales de hierro. Pero antes de que aprendiera a licuar gases, bajar era muy problemático. Solo en 1665 El físico Boyle pudo reducir la temperatura de la solución acuosa solo unos pocos grados. Lo logró al disolver el amoníaco en agua.
¿Y por qué entonces la gente necesitaba bajas temperaturas? En primer lugar, que los científicos calibren los termómetros utilizados para mediciones meteorológicas, donde hay temperaturas hasta ahora desconocidas para los veteranos. Fueron los fabricantes de termómetros los que comenzaron a seleccionar tales sustancias y solventes que bajarían la temperatura de las soluciones tanto como fuera posible. Tal composición fue inventada por el maestro holandés de instrumentos científicos D. Fahrenheit. Recomendó el uso de hielo picado al que se agregaría ácido nítrico concentrado. En Rusia, esa composición comenzó a llamarse materia curiosa.
El invierno de 1759-1760 en San Petersburgo resultó ser muy helado. Ya el 14 de diciembre, "ocurrió un frío extremo, que nunca antes se había notado en la Academia". En este día, el académico Joseph Adam Brown, con objetivos puramente científicos, se pidió aclarar la pregunta "¿Cuánto puede multiplicarse este frío natural por el arte"? Para este propósito, usó la composición del holandés, aunque en lugar de hielo picado, usó nieve de la calle, con una temperatura ambiente. Colocó la nieve en un recipiente de vidrio, vertió un poco de ácido nítrico e insertó un termómetro de mercurio en esta noble materia. Después de un tiempo, sacó el termómetro y "con gusto descubrió que no estaba dañado, pero el mercurio aún estaba". [2]
¿De qué se regocijó Brown? ¿Que el termómetro no se ha descongelado? No, simplemente comenzó a sospechar que el mercurio estaba congelado en el tubo del termómetro. ¡Y fue una sensación! Ni un solo tratado científico de todos los tiempos y pueblos ha informado que el mercurio puede ser sólido. Esto es lo que, por ejemplo, se puede leer en un libro de texto de esa época para los mineros: "Este mineral no es diferente en apariencia de los metales derretidos, pero se congelan en ese calor, del cual se incendian muchas cosas, y el mercurio no puede congelarse en las heladas más severas" . Tenga en cuenta que el autor del libro de texto, MV Lomonosov, ni siquiera considera que el mercurio sea metal. [3]
Página de título de una copia impresa de un informe del académico I.A. Brown en una reunión pública de la Academia de Ciencias de San Petersburgo
La convicción de los científicos de esa época en este postulado fue tan grande que el 18 de noviembre de 1734, cuando el ecuestre Cossack Salomatov, un observador en una estación meteorológica en Tomsk, informó a los académicos Gmelin y Miller de la congelación del mercurio en su barómetro, simplemente no lo creyeron. Tenían la sospecha de que un cosaco inexperto simplemente derramó mercurio, porque "no lo sacó con cuidado y lo sacudió, de lo contrario no podría suceder, porque aunque las heladas eran incomparablemente más severas, el mercurio no se congeló". Los científicos estaban tan seguros de su inocencia que, en lugar de derramarse supuestamente, se enviaron seis carretes de mercurio más al cosaco. De los académicos, recuerden el nombre de Miller, todavía la conoceremos. [4]
Pero volvamos a los experimentos de San Petersburgo. Entonces, "escribió Brown más tarde," estaba "seguro de que el mercurio en el termómetro se volvió sólido e inmóvil por el frío y, por lo tanto, se congeló". Todo fue tan inesperado que decidió informar de inmediato la noticia a sus colegas. Los científicos reunidos apresuradamente decidieron que al realizar experimentos repetidos era necesario romper el termómetro y verificar visualmente el hecho consumado. Para este propósito, se ordenó un nuevo lote de termómetros en el taller de la academia.
Solo pudieron comenzar los experimentos el 25 de diciembre, "para el número requerido de termómetros pronto fue imposible de hacer". Además de Brown, los académicos M.V. Lomonosov, F.U.T. Epinus, I.E. Zeiger y el farmacéutico I.G. Model comenzaron los experimentos. Cada uno de los participantes, repitiendo los trucos de Brown, recibió de los termómetros rotos columnas de mercurio sólido en forma de cable, "como plata", y una "bala" de mercurio en su extremo. Los cables se doblaron fácilmente, y la "bala" se aplastó fácilmente por los golpes del extremo del hacha, porque "tenía la dureza del plomo o el estaño". Más tarde, Zeiger dijo que parecía oírla sonar. Todas las propiedades del metal eran evidentes, por lo tanto, el mercurio era un metal, y la prioridad del descubrimiento de este hecho pertenece a Rusia.
Los experimentos en San Petersburgo causaron sensación en el mundo científico. Los periódicos y la correspondencia privada de los científicos estaban muy por delante de los informes oficiales de la Academia y, por lo tanto, se hicieron serias distorsiones, especialmente sobre el papel de los personajes principales. El nombre del descubridor no fue nombrado correctamente, lo que llevó a un gran escándalo en la Academia. Por iniciativa de Lomonosov, la Oficina organizó una investigación especial. Encontraron al culpable: fue el académico Miller, quien "escribió a Leipzig en nombre de la Academia y, sin su conocimiento, supuestamente el comienzo de este experimento provino de los profesores Zeiger y Epinus, y Brown, supuestamente en ocasiones, tuvo que encontrar un grano de perla como gallo". Por esto, Miller fue severamente criticado por sus colegas en una reunión de la Oficina. El caso de la ciencia es casi típico. [5]
Seguido por las respuestas de otros científicos. "El descubrimiento del profesor Brown de la mayor importancia", escribió Leonard Euler, "y me dio un placer particular porque siempre creí que el calor es la verdadera causa del estado líquido del mercurio".
Los resultados de los experimentos de invierno de la Cancillería de la Academia fueron tan importantes que se decidió publicarlos en la reunión pública de la Academia en la celebración solemne del homónimo de la emperatriz Elizabeth Petrovna. Los informes de apertura fueron ordenados por los personajes principales de la apertura: I.A. Brown en alemán y M.V. Lomonosov en ruso. El primer informe se llamó "Sobre el frío increíble, el arte producido", el segundo - "Razonamiento sobre la dureza y el líquido de los cuerpos". Se decidió que los textos de los informes se publicaran en sellos separados, que luego se imprimieron en la cantidad de 412 copias cada uno y ahora se pueden encontrar en las principales bibliotecas del país.
Los méritos de Brown en la historia de la física ahora son venerados por los descendientes. Pero cuál fue el mérito de Lomonosov no es conocido ni por compatriotas ni por científicos extranjeros. Y hay algo sobre lo que leer. Pero, antes de hablar de esto, haremos otra revisión sobre el descubrimiento de científicos rusos realizado en 1763: "El descubrimiento más notable de todos en los últimos tres años es el establecimiento del hecho de la fusión del mercurio". [6] Estas palabras pertenecen a uno de los fundadores de la ciencia de la electricidad, el gran estadounidense B. Franklin. Su trabajo principal, "Experimentos y observaciones de electricidad", era bien conocido por los científicos rusos, citado repetidamente por G.V. Richman y M.V. Lomonosov en sus escritos.
III
El trabajo de Franklin es una colección de sus cartas dirigidas a otros académicos. Aquí, los experimentos realizados por el autor en el Nuevo Mundo y las construcciones teóricas del autor se describen en secuencia. Fue uno de los primeros que comenzó a aplicar ampliamente el término ahora conductor para electricistas, el término conductor, introducido por el científico inglés T. Desagulier. En una de estas cartas, 1751.puede leer lo siguiente: la única diferencia entre conductores y no conductores es "solo que algunos conducen sustancias eléctricas, mientras que otros no". Y además: “Solo los metales y el agua son conductores ideales. Otros cuerpos se llevan a cabo solo en la medida en que contienen impurezas de metales y agua ". [7]
Más tarde, se hizo una nota al pie de esta carta, publicada en el ensayo de Franklin, de que esta regla no siempre se respeta y el autor cita el caso cuando el científico inglés "Wilson descubrió que la cera y la resina de fusión adquieren la capacidad de conducir". Sin embargo, el propio Franklin se había encontrado con un hecho extraño: "Un trozo de hielo seco o un carámbano en un circuito eléctrico evita una descarga, lo que no podía esperarse, ya que el agua lo transfiere perfectamente". Aquí estamos hablando de la descarga eléctrica del experimentador cuando un banco de Leiden cargado se descarga a través de él. El hielo se comportó en una cadena como un aislante. [7, p. 37.]
Ahora somos conscientes de que los metales tienen conductividad electrónica, otras sustancias iónicas, que dependen mucho de su temperatura.
Entonces, ¿quizás de esta manera probar el mercurio? Después de todo, si el mercurio congelado conducirá electricidad, entonces definitivamente es metal. Solo el Gran Científico podría hacerse esa pregunta. Y todavía no sabemos si él solo iba a descubrir esta pregunta, pero nuestra gran compatriota M.V. Lomonosov hizo tal experiencia. Una breve descripción de este experimento se puede encontrar en el tercer volumen de las Obras completas de sus obras. Un dibujo de este experimento también se da allí. Debo decir que la figura no representa una máquina eléctrica y un puntero eléctrico (electrómetro), pero su presencia está implícita en el texto. [8. p.407]
Los propios dibujos de Lomonosov para experimentos sobre congelación de mercurio. La Figura 5 muestra una bola de mercurio congelado y su grado de deformación después de la forja, mientras que la Figura 6 muestra la experiencia de la conductividad eléctrica del mercurio y un alambre de hierro caliente. 7 muestra un tubo congelado de un termómetro de mercurio. Aparecen burbujas de aire.
Se dejó caer un tubo de vidrio en forma de U con mercurio en un recipiente de vidrio con material de congelación, en el cual se congelaron alambres de hierro en ambos lados. Un cable estaba en contacto con el conductor de una máquina eléctrica, el otro con un electroscopio. Cuando el generador comenzó a generar electricidad, el electrómetro inmediatamente mostró su presencia en un cable ubicado después del mercurio congelado. El mercurio líquido y congelado resultó ser conductor, como todos los metales conocidos en ese momento. El último punto en la prueba de que el mercurio es un metal fue puesto precisamente por M.V. Lomonosov. Se desconoce la fecha exacta de este evento, pero fue en enero de 1760. Notamos una sutileza más del experimento. En la sección del circuito eléctrico entre el mercurio sólido y el electrómetro, el experimentador enciende alambre de hierro al rojo vivo con velas. La conclusión es inequívoca: "La fuerza eléctrica actúa a través del mercurio congelado y el hierro caliente".
Y esta conclusión fue nueva para la ciencia de la época. Fue en este momento que la ciencia mundial comenzó a comprender la dependencia de la conductividad eléctrica de todos los cuerpos con respecto a su temperatura. En 1762 Franklin describirá la experiencia de Charles Cavendish (padre del conocido Henry Cavendish), quien realizó un estudio sobre la conductividad eléctrica del vidrio dependiendo de su temperatura. Resultó que un vidrio ordinario bastante fuertemente calentado se vuelve conductivo. Organizar esta experiencia fue mucho más fácil que Lomonosovsky. Después de todo, era mucho más fácil calentar un tubo de vidrio con electrodos soldados al vidrio que congelar mercurio. Pero esta experiencia, Franklin, calificándola de "muy ingeniosa", agrega: "Solo queda desear que este noble filósofo informe a la humanidad más sobre sus experiencias". Por supuesto, el experimento de Lomonosov sobre la conductividad eléctrica del mercurio congelado fue repetido repetidamente por otros, pero más tarde, ya que en los países occidentales los experimentos sobre el congelamiento del mercurio solo pudieron llevarse a cabo después de décadas. [7. p.206]
La sensación sobre la apertura en San Petersburgo pronto disminuyó, nadie pudo repetir los experimentos en persecución y los resultados del experimento eléctrico se olvidaron durante mucho tiempo no solo en Occidente, sino también en Rusia.Aparentemente, Lomonosov preparó una descripción completa de este experimento para su "Teoría de las Matemáticas, que se estableció matemáticamente", en la que trabajó desde 1756, pero que permaneció incompleta. Después de los eventos descritos por el gran científico en 1762 y 1763, "casi llevó a la tumba" la enfermedad, y vivió solo hasta 1765. Además, los principales problemas en la academia no dieron tiempo para el trabajo creativo en los últimos años de vida. Por supuesto, su trabajo permaneció impreso en la cantidad de 412 copias. Por desgracia, una historia científica indigna le sucedió.
En "Historia de la Academia Imperial de Ciencias", escrita por el académico P.P. Pekarsky en 1873. Puedes leer lo siguiente. “Este trabajo de nuestro académico sufrió un destino extraño: se olvidó de ser incluido en las ediciones más comunes de obras recopiladas, por lo que luego se reimprimió solo una vez en la edición de 1778 y ahora es una rareza bibliográfica. No es sorprendente que el "razonamiento" de Lomonosov con respecto a la dureza y el fluido corporal no se encuentre en ninguna revisión de estudiosos posteriores ". [8], [9]. (Cursiva nuestro B.Kh.)
De hecho, el destino es más que extraño. Dado que M.V. Lomonosov tenía muchos enemigos, se puede suponer que la extrañeza fue deliberada. Entre sus peores enemigos, la enciclopedia Brockhaus y Efron también enumera al ya conocido académico G.F.Miller, que sirvió en el período de 1757 a 1765 como secretario permanente de la Academia de San Petersburgo. Recordamos que no respondió al mensaje sobre el congelamiento del mercurio en 1734, luego dio información incorrecta en el extranjero, por lo que tuvo grandes problemas. Se puede suponer que por razones desconocidas para nosotros, fue él quien pudo hacer que este trabajo no llamara la atención de los editores. Después de todo, mantuvo correspondencia entre la academia y las actas de todas las reuniones, y sus archivos y llevar a cabo la escritura no le habrían causado dificultades. Además, la misma enciclopedia escribe sobre Miller como si "no siempre resultara impecable en sus relaciones con sus miembros".
El académico V.I. Vernadsky, que describe a Miller, escribe que "no fue el creador de lo nuevo en el pensamiento teórico y científico, como Euler o Lomonosov, pero como ellos, estaba imbuido de una profunda comprensión del método científico, lo dominó con maestría". Quizás fue solo una envidia de talento y esta es solo nuestra suposición. Pero lo que sucedió sucedió. [10]
IV
Las desventuras de este trabajo de Lomonosov no terminan ahí. En el período de 1768 a 1900, se publicaron siete ediciones de sus obras recopiladas y este trabajo no se incluyó en ninguna de ellas. Solo en el quinto volumen de la publicación académica en 1902. Este trabajo de un científico vio la luz. Sin embargo, el texto se imprimió solo en ruso y los dibujos y dibujos no se reprodujeron, sin lo cual el texto del "Razonamiento" era incomprensible. Entonces, uno de sus trabajos más interesantes quedó fuera de la vista de los investigadores del trabajo de Lomonosov.
Desde 1940, la Academia de Ciencias de la URSS comienza a publicar colecciones de Lomonosov, que contienen materiales y artículos recientemente encontrados sobre sus actividades científicas. En algunos, también se entienden los experimentos criogénicos de Brown y Lomonosov. No hay nueva información sobre la experiencia eléctrica en ellos. [11, 12] Finalmente, con motivo del 250 aniversario del nacimiento de los físicos rusos (tenían la misma edad) de M.V. Lomonosov y G.V. Rikhman, se publicó el libro de A. A. Alekseev "El surgimiento de la ciencia de la electricidad en Rusia". En esta experiencia no se menciona en absoluto. Pero surge la pregunta inexorable, cuáles son los objetivos establecidos por el investigador, comenzando experimentos eléctricos criogénicos. ¿Hay algo que pueda encontrar sobre el tema que nos interese? [13]
Seguramente había algo en los archivos del científico. Pero este archivo "al más alto comando" fue sellado por el Conde G. Orlov y él mismo ordenó que se clasificara. No se sabe bien dónde y dónde, pero los hallazgos son bastante posibles. Los documentos restantes se pueden encontrar en los trabajos completos de 11 volúmenes del científico.Hay pocos científicos rusos cuyo trabajo sería llevado a cabo por historiadores de la ciencia de manera tan amplia y persistente como Lomonosov y todos sus trabajos fueron revisados y revisados y había pocas esperanzas de encontrar algo nuevo. Pero el que busca encuentra.
Se sabe que MV Lomonosov tradujo al ruso el primer libro de texto para la universidad "Wolfian Experimental Physics". Fue publicado en 1746. y se requería reimprimirlo: "para la venta todo está perdido". En marzo de 1760 Se decidió publicarlo por segundo relieve. Lomonosov entendió que entre las ediciones el libro de texto estaba bastante desactualizado. Se necesitaba con urgencia el libro de texto, pero había poco tiempo. Por lo tanto, se decidió hacer adiciones al texto existente. Según el autor de las "adiciones", deberían "explicar las acciones y los cambios que dependen de las partículas insensibles más sutiles, los componentes del cuerpo". Bajo estas partículas, el lector moderno puede comprender átomos y moléculas, e incluso electrones, pero en conjunto esto debería reflejar el sistema de puntos de vista de Lomonosov sobre la física de los fenómenos.
El calendario demuestra que el trabajo sobre el informe en la Academia y la redacción de las "Adiciones" fue paralelo al mismo tiempo. La fecha de lectura del informe es el 6 de septiembre de 1760, y Lomonosov firmó el texto de las "Adiciones" el 15 de septiembre del mismo año. [14]
Ahora damos las visiones físicas de ese tiempo sobre la electricidad en general: "Una sustancia eléctrica consiste en partículas extremadamente pequeñas, ya que es capaz de penetrar la materia ordinaria, incluso los metales más densos, con gran facilidad y libertad". [7, p.53] El hecho de que la electricidad se mueve a una velocidad extremadamente alta era bien conocido inmediatamente después de la invención de la lata de Leiden, es decir a Franklin
Ahora ha llegado el momento de citar las "Adiciones" de Lomonosov, indudablemente relacionadas con los experimentos de invierno de enero de 1760. Los destacamos específicamente en negrita.
"Los experimentos eléctricos recientemente encontrados muestran que la materia extraña, que se mueve a gran velocidad en los pozos de cuerpos fríos, no los enciende", es decir, no calienta. No hay misterio aquí, está claro y claro que materia extraña Es una sustancia eléctrica, y los cuerpos fríos son mercurio congelado. Recuerde que Lomonosov fue partidario de la teoría cinética del calor, y allí puede leer que "El movimiento de las partículas, los cuerpos constituyentes hay una causa de calor". [5, pág. 436].
Eso es todo lo que se encontró. Pero vale mucho. Ahora está claro que el experimentador, como partidario de la teoría cinética del calor, esperaba un aumento en la temperatura del mercurio. Debido al hecho de que no podía tener termómetros para tales temperaturas, aparentemente estaba esperando la fusión del mercurio. Esto no sucedió. De ahí esta conclusión.
Cabe decir que la ciencia de la época no tenía idea sobre el movimiento de las cargas eléctricas (corriente eléctrica). Lomonosov cree que durante la operación de una máquina eléctrica, la sustancia eléctrica se mueve a través del mercurio todo el tiempo. No lo fue. A través del mercurio congelado, solo se necesitaba una pequeña cantidad de electricidad para cargar el cable que sale del mercurio. De lo contrario, la conclusión de Lomonosov significaría que el mercurio congelado tiene superconductividad.
Superconductividad del mercurio a temperaturas mucho más bajas que las encontradas por Lomonosov en 1911. Profesor Leiden Kamerling-Onnes. Esto sucedió 150 años después de los experimentos en San Petersburgo y produjo la misma sensación que en el mundo científico. El Premio Nobel coronó con razón el trabajo del científico holandés y describió el desarrollo de la física en los próximos años. Pero el camino hacia tal descubrimiento comenzó en Rusia, y casi nadie lo recuerda.
V
Este año se cumplen 250 años de experimentos de congelación de mercurio. No solo este evento requiere que prestemos atención a este hecho. En 2011 se cumplen trescientos años del nacimiento del gran científico ruso. El aniversario de Lomonosov ciertamente será celebrado por la comunidad científica y esta es nuestra contribución a este evento.Sin embargo, me gustaría señalar un hecho tan desagradable en nuestro país como un descuido de nuestros científicos. Casi todos conocen al descubridor del arco eléctrico, el físico ruso V.V. Petrov. Pero no todos saben lo que se supo de este descubrimiento en su tierra natal después de casi cien años, y luego por accidente. ¡También aprendemos sobre este experimento de Lomonosov, solo en un cuarto de milenio!
Me gustaría dar un ejemplo de la vieja y buena Inglaterra. Allí en 1700. cierto muro, frotando un pedazo de ámbar, descubrió que la chispa que surge de esto le recuerda a un rayo. Era un absoluto aficionado a la electricidad y no podía repetir su experiencia en presencia de científicos, pero en los libros de texto sobre la historia de la física de la electricidad y la protección contra rayos, siempre es recordado no solo por los británicos.
Se sabe que las obras de Lomonosov casi no afectaron el desarrollo de la ciencia mundial, porque no creó su propia escuela. Pero esto no es culpa, sino el problema de Lomonosov. Entre las razones aquí están la atención a la ciencia doméstica. ¡Y ella se lo merece! Por ejemplo, tales palabras sobre el gran científico ruso fueron citadas por V.I. no estamos acostumbrados a tratar los datos de la historia de la ciencia en la forma en que manejamos otros fenómenos y hechos ". Nuestro hallazgo solo confirma estas palabras. [10, pág. 323]
Debo decir que una maldición mística siempre se cernía sobre la descripción de esta experiencia de Lomonosov. Nuestros intentos de informar a la oficina editorial de revistas sobre nuestro hallazgo histórico no encontraron ni siquiera una respuesta cortés, por ejemplo, que el portafolio editorial estuviera lleno, etc. Solo la revista "Electricidad" aconseja enviar el artículo a una revista física. También mencionamos un caso curioso cuando el editor del departamento ruso de una de las revistas científicas populares sobre la vida de la ciencia, cuando se le preguntó si recibió ese texto, simplemente respondió que su correo electrónico estaba roto en estos días. Aparentemente, ella cree que solo los papúes viven fuera de la carretera de circunvalación de Moscú.
Nadie nos respetará si no nos respetamos a nosotros mismos.
Ver también en electro-es.tomathouse.com
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