Os primeiros passos para descobrir a supercondutividade

O artigo foi escrito especificamente para o 250º aniversário da DESCOBERTA do congelamento de mercúrio.

Eu

Academia de Ciências de São Petersburgo, inaugurada em 1725. só tinha que se tornar ao mesmo tempo um líder no estudo da física do frio. "A natureza de nossa localidade é surpreendentemente favorável para a realização de experimentos com o frio", escreveu G.V. Kraft, um dos primeiros professores de Petersburgo. No entanto, ele imediatamente avisou que, na natureza do frio, há muito desconhecido. "Até agora, as qualidades mencionadas estão envoltas em tanta escuridão que levaram vários anos para iluminar, e talvez fosse necessário um século de vida inteira, e não apenas um, mas muitos dons perspicazes". Ele estava certo. [1.]

As academias da Inglaterra, Itália, França, Alemanha, Holanda e até Suécia estavam em uma faixa de clima ameno. Tecnologicamente, é mais fácil obter altas temperaturas para necessidades experimentais do que o frio. Mesmo na antiguidade, o homem poderia receber altas temperaturas suficientes para fundir minérios de ferro. Mas antes que ele aprendesse a liquefazer gases, ficar baixo era muito problemático. Somente em 1665 O físico Boyle conseguiu reduzir a temperatura da solução aquosa em apenas alguns graus. Ele conseguiu isso dissolvendo amônia na água.

E por que as pessoas precisavam de baixas temperaturas? Antes de tudo, para os cientistas calibrarem os termômetros usados ​​nas medições meteorológicas, onde há temperaturas até então desconhecidas pelos veteranos. Foram os fabricantes de termômetros que começaram a selecionar essas substâncias e solventes que reduziriam a temperatura das soluções o máximo possível. Essa composição foi inventada pelo mestre holandês de instrumentos científicos D. Fahrenheit. Ele recomendou o uso de gelo picado ao qual seria adicionado ácido nítrico concentrado. Na Rússia, essa composição começou a ser chamada de assunto curioso.

O inverno de 1759-1760 em São Petersburgo acabou sendo muito gelado. Já em 14 de dezembro, "um frio extremo aconteceu, que nunca havia sido observado na Academia antes". Neste dia, o acadêmico Joseph Adam Brown, por propósitos puramente científicos, fez a si mesmo a pergunta "Quanto esse frio natural pode ser multiplicado pela arte"? Para esse fim, ele usou a composição do holandês, embora, em vez de gelo picado, utilizasse neve de rua, com temperatura ambiente. Ele colocou a neve em um recipiente de vidro, derramou um pouco de ácido nítrico e inseriu um termômetro de mercúrio nessa matéria nobre. Depois de algum tempo, ele pegou o termômetro e "constatou com satisfação que não estava danificado, mas o mercúrio ainda estava". [2]

Em que Brown se alegrava? Que o termômetro não descongelou? Não, ele apenas começou a suspeitar que o mercúrio estava congelado no tubo do termômetro. E foi uma sensação! Nem um único tratado científico de todos os tempos e povos relatou que o mercúrio pode ser sólido. Aqui está o que, por exemplo, pode ser lido em um livro didático da época para os mineradores: “Esse mineral não é diferente na aparência dos metais derretidos, mas eles congelam com esse calor, do qual muitas coisas pegam fogo, e o mercúrio não pode congelar nas geadas mais severas” . Observe que o autor do livro, MV Lomonosov, nem sequer considera o mercúrio como metal. [3]

Página de rosto de uma impressão de um relatório do acadêmico I.A. Brown em uma reunião pública da Academia de Ciências de São Petersburgo

A convicção dos cientistas da época neste postulado foi tão grande que, em 18 de novembro de 1734, quando o cavaleiro Cossack Salomatov, um observador de uma estação meteorológica em Tomsk, relatou o congelamento de mercúrio em seu barômetro para os acadêmicos Gmelin e Miller, eles simplesmente não acreditavam nisso. Eles suspeitavam que um cossaco inexperiente simplesmente derramasse mercúrio, porque "ele não o retirava e sacudia com cuidado, caso contrário não poderia acontecer, porque, embora as geadas fossem incomparavelmente mais severas, o mercúrio não congelava". Os cientistas estavam tão certos de sua inocência que, em vez de supostamente derramarem mais seis carretéis de mercúrio, foram enviados ao cossaco. Dos acadêmicos, lembre-se do nome Miller, ainda a conheceremos. [4]

Mas voltando às experiências de São Petersburgo. Então, ”Brown escreveu mais tarde,“ eu tinha “certeza de que o mercúrio no termômetro ficou sólido e imóvel devido ao frio e, portanto, congelou”. Foi tudo tão inesperado que ele decidiu relatar imediatamente a notícia a seus colegas. Cientistas reunidos às pressas decidiram que, ao conduzir experimentos repetidos, era necessário quebrar o termômetro e verificar visualmente o fato consumado. Para esse fim, um novo lote de termômetros foi pedido na oficina da academia.

Eles só poderiam iniciar os experimentos em 25 de dezembro, "pois o número necessário de termômetros logo seria impossível de executar". Além de Brown, os acadêmicos M.V. Lomonosov, F.U.T. Epinus, I.E. Zeiger e o farmacêutico I.G. Model começaram os experimentos. Cada um dos participantes, repetindo os truques de Brown, recebeu das colunas quebradas dos termômetros de mercúrio sólido na forma de um fio, “como prata”, e uma “bala” de mercúrio no final. Os fios eram facilmente dobrados, e a “bala” era facilmente achatada pelos golpes da ponta do machado, porque “tinha a dureza do chumbo ou do estanho”. Mais tarde, Zeiger disse que parecia ouvi-la tocar. Todas as propriedades do metal eram evidentes, portanto o mercúrio era um metal, e a prioridade da descoberta desse fato pertence à Rússia.

As experiências em São Petersburgo fizeram uma sensação no mundo científico. Jornais e correspondência privada de cientistas estavam muito à frente dos relatórios oficiais da Academia e, portanto, sérias distorções foram feitas, especialmente sobre o papel dos personagens principais. O nome do descobridor não foi identificado corretamente, o que levou a um grande escândalo na Academia. Por iniciativa de Lomonosov, uma investigação especial foi organizada pelo Escritório. Eles descobriram o culpado - foi o acadêmico Miller, que "escreveu para Leipzig em nome da Academia e sem o conhecimento dela, supostamente o início desse experimento veio dos professores Zeiger e Epinus, e Brown, supostamente na ocasião, teve que encontrar um grão de pérola como galo". Por isso, Miller foi fortemente criticado por colegas em uma reunião do Escritório. O caso da ciência é quase típico. [5]

Seguido pelas respostas de outros cientistas. "A descoberta do professor Brown da maior importância", escreveu Leonard Euler, "e me deu um prazer particular, porque sempre acreditei que o calor é a verdadeira causa do estado líquido do mercúrio".

Os resultados das experiências de inverno da Chancelaria da Academia foram reconhecidos tão importantes que seus resultados foram decididos a serem publicados na reunião pública da Academia, na solene celebração do homônimo da imperatriz Elizabeth Petrovna. Os relatórios de abertura foram instruídos a serem feitos pelos personagens principais da abertura: I.A. Brown em alemão e M.V. Lomonosov em russo. O primeiro relatório foi intitulado “No frio incrível, a arte produzida”, o segundo - “Raciocínio sobre a dureza e o líquido dos corpos”. Decidiu-se que os textos dos relatórios fossem emitidos em selos separados, os quais eram impressos na quantidade de 412 cópias cada e agora podem ser encontrados nas principais bibliotecas do país.

Os méritos de Brown na história da física são agora reverenciados pelos descendentes. Mas qual era o mérito de Lomonosov não é conhecido nem por compatriotas nem por cientistas estrangeiros. E há algo para ler. Mas, antes de falarmos sobre isso, faremos outra revisão da descoberta de cientistas russos realizada em 1763: "A mais notável de todas as descobertas nos últimos três anos é o estabelecimento do fato do derretimento do mercúrio". [6] Essas palavras pertencem a um dos fundadores da ciência da eletricidade, o grande americano B. Franklin. Seu trabalho principal, "Experimentos e Observações de Eletricidade", era bem conhecido pelos cientistas russos, citados repetidamente por G.V. Rikhman e M.V. Lomonosov em seus escritos.

III

O trabalho de Franklin é uma coleção de suas cartas endereçadas a outros estudiosos. Aqui, os experimentos conduzidos pelo autor no Novo Mundo e as construções teóricas do autor são descritos em sequência. Ele foi um dos primeiros a começar a aplicar amplamente o agora familiar aos eletricistas, o termo condutor, introduzido pelo cientista inglês T. Desagulier. Em uma dessas cartas, 1751.você pode ler o seguinte: a única diferença entre condutores e não condutores é "apenas que alguns deles conduzem substância elétrica, enquanto outros não". E mais: “Apenas metais e água são condutores ideais. Outros corpos realizam apenas na medida em que contenham impurezas de metais e água. ” [7]

Mais tarde, foi feita uma nota de rodapé a esta carta, publicada no ensaio de Franklin, de que essa regra nem sempre é respeitada e o autor cita o caso quando o cientista inglês "Wilson descobriu que a cera e a resina derretida adquirem a capacidade de conduzir". No entanto, o próprio Franklin se deparou com um fato estranho: "Um pedaço seco de gelo ou gelo em um circuito elétrico evita choques, o que não era de se esperar, já que a água o transferia perfeitamente". Aqui estamos falando do choque elétrico do experimentador quando um banco Leiden carregado é descarregado por ele. O gelo se comportou em uma corrente como um isolador. [7, p. 37.]

Agora estamos bem cientes de que os metais possuem condutividade eletrônica, outras substâncias - iônicas, que dependem muito de sua temperatura.

Então, talvez dessa maneira para testar o mercúrio? Afinal, se o mercúrio congelado conduz eletricidade, então é definitivamente metal. Somente o Grande Cientista poderia se fazer uma pergunta dessas. E ainda não sabemos se ele descobriria essa questão, mas essa experiência foi feita pelo nosso grande compatriota M.V. Lomonosov. Uma breve descrição desse experimento pode ser encontrada no terceiro volume das Obras Completas de seus trabalhos. Um desenho desse experimento também é dado lá. Devo dizer que a figura não representa uma máquina elétrica e um ponteiro elétrico (eletrômetro), mas sua presença está implícita no texto. [8. p.407]

Desenhos de Lomonosov para experimentos com congelamento de mercúrio. A Figura 5 mostra uma bola de mercúrio congelado e seu grau de deformação após o forjamento.A Figura 6 mostra a experiência na condutividade elétrica do mercúrio e de um fio de ferro quente. 7 mostra um tubo congelado de um termômetro de mercúrio. Aparecem bolhas de ar.

Um tubo de vidro em forma de U com mercúrio foi jogado em um recipiente de vidro com matéria congelante, no qual os fios de ferro foram congelados nos dois lados. Um fio estava em contato com o condutor de uma máquina elétrica, o outro com um eletroscópio. Quando o gerador começou a gerar eletricidade, o eletrômetro imediatamente mostrou sua presença em um fio localizado após mercúrio congelado. O mercúrio líquido e congelado acabou sendo condutor, como todos os metais conhecidos na época. O último ponto na prova de que o mercúrio é um metal foi colocado precisamente por M.V. Lomonosov. A data exata deste evento é desconhecida, mas foi em janeiro de 1760. Observamos mais uma sutileza do experimento. Na seção do circuito elétrico entre o mercúrio sólido e o eletrômetro, o pesquisador brilha com fio de ferro em brasa com velas. A conclusão é inequívoca: "A força elétrica atua através do mercúrio congelado e do ferro quente".

E essa conclusão era nova para a ciência da época. Foi nessa época que a ciência mundial começou a entender a dependência da condutividade elétrica de todos os corpos em sua temperatura. Em 1762 Franklin descreverá a experiência de Charles Cavendish (pai do conhecido Henry Cavendish), que conduziu um estudo sobre a condutividade elétrica do vidro, dependendo de sua temperatura. Descobriu-se que um vidro comum bastante aquecido se torna condutor. Foi muito mais fácil organizar essa experiência do que Lomonosovsky. Afinal, era muito mais fácil aquecer um tubo de vidro com eletrodos soldados em vidro do que congelar mercúrio. Mas essa experiência, Franklin, chamando de "muito espirituosa", acrescenta: "Resta apenas desejar que esse nobre filósofo informe à humanidade mais sobre suas experiências". É claro que o experimento de Lomonosov sobre a condutividade elétrica do mercúrio congelado foi repetido repetidamente por outros, mas mais tarde, já que nos países ocidentais os experimentos com congelamento de mercúrio só podiam ser realizados depois de décadas. [7. p.206]

A sensação sobre a abertura em São Petersburgo logo se acalmou, ninguém conseguiu repetir os experimentos em perseguição e os resultados do experimento elétrico foram esquecidos por um longo tempo, não apenas no Ocidente, mas também na Rússia.Aparentemente, Lomonosov preparou uma descrição completa desse experimento para sua "Teoria da eletricidade, matematicamente declarada", na qual ele trabalha desde 1756, mas permanece incompleta. Após os eventos descritos pelo grande cientista em 1762 e 1763, ele "quase levou à sepultura" a doença e viveu apenas até 1765. Além disso, os principais problemas da academia não deram tempo para o trabalho criativo nos últimos anos de vida. Obviamente, seu trabalho permaneceu impresso na quantidade de 412 cópias. Infelizmente, uma história científica indigna aconteceu com ela.

Em "História da Academia Imperial de Ciências", escrito pelo acadêmico P.P. Pekarsky em 1873. Você pode ler o seguinte. “Esse trabalho de nosso acadêmico sofreu um destino estranho - foi esquecido por ser incluído nas edições mais comuns das obras coletadas, por isso foi reimpresso apenas uma vez na edição de 1778 e que agora é uma raridade bibliográfica. Não é surpreendente que o "raciocínio" de Lomonosov sobre dureza e fluido corporal não seja encontrado em nenhuma revisão de pesquisadores posteriores ". [8], [9]. (Itálico, B.Kh.)

De fato, o destino é mais do que estranho. Dado que M.V. Lomonosov tinha muitos inimigos, podemos assumir que a estranheza foi deliberada. Entre seus piores inimigos, a enciclopédia Brockhaus e Efron também lista o já conhecido acadêmico G.F. Miller, que serviu no período de 1757 a 1765 como secretário permanente da Academia de São Petersburgo. Lembramos que ele não respondeu à mensagem sobre o congelamento de mercúrio em 1734; depois, ele fornece informações incorretas no exterior, para as quais teve grandes problemas. Pode-se supor que, por razões desconhecidas para nós, foi ele quem conseguiu fazer esse trabalho não chamar a atenção dos editores. Afinal, ele mantinha correspondência entre a academia e as atas de todas as reuniões, e os arquivos e a execução da ação não lhe causariam dificuldades. Além disso, a mesma enciclopédia escreve sobre Miller como se ele "nem sempre se mostrasse impecável em suas relações com seus membros".

O acadêmico V.I. Vernadsky, descrevendo Miller, escreve que "não era o criador do novo no pensamento teórico e científico, como Euler ou Lomonosov, mas como eles, ele estava imbuído de uma profunda compreensão do método científico, ele o dominava com habilidade". Talvez tenha sido apenas uma inveja de talento e este é apenas o nosso palpite. Mas o que aconteceu aconteceu. [10]

IV

As desventuras deste trabalho de Lomonosov não param por aí. No período de 1768 a 1900, sete edições de seus trabalhos coletados foram publicadas e este trabalho não foi incluído em nenhum deles. Somente no quinto volume da publicação acadêmica em 1902. este trabalho de um cientista foi lançado. No entanto, o texto foi impresso apenas em russo e os desenhos e desenhos não foram reproduzidos, sem os quais o texto do "Raciocínio" era incompreensível. Assim, um de seus trabalhos mais interessantes desapareceu dos pesquisadores do trabalho de Lomonosov.

Desde 1940, a Academia de Ciências da URSS começa a publicar coleções de Lomonosov, que contêm materiais e artigos recentemente encontrados sobre suas atividades científicas. Em alguns, os experimentos criogênicos de Brown e Lomonosov também são entendidos. Não há informações novas sobre a experiência elétrica neles. [11, 12] Finalmente, no 250º aniversário do nascimento de físicos russos (eles tinham a mesma idade) de M.V. Lomonosov e G.V. Rikhman, livro de A. A. Alekseev, "O surgimento da ciência da eletricidade na Rússia" foi publicado. Nesta experiência não é mencionada. Mas surge a pergunta inexoravelmente, quais são os objetivos estabelecidos pelo pesquisador, iniciando experimentos elétricos criogênicos. Existe algo que você possa encontrar sobre a questão de seu interesse? [13]

Certamente havia algo nos arquivos do cientista. Mas esse arquivo "sob o comando mais alto" foi selado pelo conde G. Orlov e ele próprio ordenou que fosse classificado.Não se sabe onde e onde, mas as descobertas são bem possíveis.Os documentos restantes podem ser encontrados nas obras completas de 11 volumes do cientista.Existem poucos cientistas russos cujo trabalho seria realizado por historiadores da ciência de maneira tão ampla e persistente quanto Lomonosov e todos os seus trabalhos foram revisados ​​e revisados, e havia pouca esperança de encontrar algo novo. Mas quem procura encontra.

Sabe-se que MV Lomonosov traduziu para o russo o primeiro livro da universidade "Física Experimental Wolfian". Foi publicado em 1746. e foi necessário reimprimi-lo - "à venda, tudo está perdido". Em março de 1760 Decidiu-se publicá-lo pela segunda gravação. Lomonosov entendeu que entre as edições o livro estava bastante desatualizado. O livro era urgentemente necessário, mas havia pouco tempo. Portanto, foi decidido fazer acréscimos ao texto existente. Segundo o autor das “adições”, eles devem “explicar as ações e mudanças dependendo das partículas insensíveis mais sutis, os componentes do corpo”. Sob essas partículas, o leitor moderno pode entender átomos, moléculas e até elétrons, mas tudo isso deve refletir o sistema de pontos de vista de Lomonosov sobre a física dos fenômenos.

O fato de o trabalho no relatório da Academia e a redação das “Adições” serem paralelos ao mesmo tempo é comprovado pelo calendário. A data de leitura do relatório é 6 de setembro de 1760, e o texto das "Adições" foi assinado por Lomonosov em 15 de setembro do mesmo ano. [14]

Agora, apresentamos as visões físicas da época sobre a eletricidade em geral: “A substância elétrica consiste em partículas extremamente pequenas, pois é capaz de penetrar na matéria comum, mesmo nos metais mais densos, com grande facilidade e liberdade.” [7, p.53] O fato de a eletricidade se mover em velocidade extremamente alta era bem conhecido imediatamente após a invenção da lata de Leiden, isto é, para Franklin.

Agora chegou a hora de citar as “Adições” de Lomonosov, sem dúvida relacionadas aos experimentos de inverno de janeiro de 1760. Nós os destacamos especificamente em negrito.

“Os experimentos elétricos recentemente encontrados mostram que a matéria estranha, movendo-se a grande velocidade nos poços de corpos frios, não os acende”, isto é, não aquece. Não há mistério aqui, é claro e claro que matéria estranha É uma substância elétrica, e corpos frios são mercúrio congelado. Lembre-se de que Lomonosov era um defensor da teoria cinética do calor, e aí você pode ler isso "O movimento das partículas, os corpos constituintes, há uma causa de calor". [5, p. 436].

Foi tudo o que foi encontrado. Mas vale muito. Agora está claro que o pesquisador, como defensor da teoria cinética do calor, esperava um aumento na temperatura do mercúrio. Devido ao fato de que ele não podia ter termômetros para tais temperaturas, ele aparentemente estava esperando o derretimento do mercúrio. Isso não aconteceu. Daí esta conclusão.

Deve-se dizer que a ciência da época não tinha idéia do movimento de cargas elétricas (corrente elétrica). Lomonosov acredita que, durante a operação de uma máquina elétrica, a substância elétrica se move através do mercúrio o tempo todo. Não foi. Através do mercúrio congelado, apenas uma pequena quantidade de eletricidade era necessária para carregar o fio que saía do mercúrio. Caso contrário, a conclusão de Lomonosov significaria que o mercúrio congelado tem supercondutividade.

Supercondutividade do mercúrio a temperaturas muito inferiores às encontradas por Lomonosov em 1911. Professor Leiden Kamerling-Onnes. Isso aconteceu 150 anos após as experiências em São Petersburgo e produziu a mesma sensação que a então no mundo científico. O Prêmio Nobel justamente coroou o trabalho do cientista holandês e descreveu o desenvolvimento da física nos próximos anos. Mas o caminho para essa descoberta começou na Rússia e quase ninguém se lembra disso.

V

Este ano marca 250 anos de experimentos de congelamento de mercúrio. Não apenas este evento exige que prestemos atenção a esse fato. Em 2011 marca o trezentos anos do nascimento do grande cientista russo. O aniversário de Lomonosov certamente será comemorado pela comunidade científica e esta é a nossa contribuição para este evento.No entanto, gostaria de observar um fato tão desagradável em nosso país como uma negligência de nossos próprios cientistas. Quase todo mundo conhece o descobridor do arco elétrico, o físico russo V.V. Petrov. Mas nem todo mundo sabe o que ficou conhecido sobre essa descoberta em sua terra natal depois de quase cem anos e depois por acidente. Também aprendemos sobre esse experimento de Lomonosov, apenas em um quarto de milênio!

Eu gostaria de dar um exemplo da velha e boa Inglaterra. Lá em 1700. uma certa parede, esfregando um pedaço de âmbar, descobriu que a centelha resultante disso o lembra de um raio. Ele era um amador absoluto em eletricidade e não podia repetir sua experiência na presença de cientistas, mas nos livros didáticos sobre a história da física da proteção contra eletricidade e raios, ele sempre é lembrado não apenas pelos britânicos.

Sabe-se que os trabalhos de Lomonosov quase não afetaram o desenvolvimento da ciência mundial, porque ele não criou sua própria escola. Mas isso não é culpa, mas o problema de Lomonosov. Entre as razões aqui estão a atenção à ciência doméstica. E ela merece! Por exemplo, tais palavras sobre o grande cientista russo foram citadas por V.I. não estamos acostumados a tratar os dados da história da ciência da maneira como lidamos com outros fenômenos e fatos. ” Nossa descoberta apenas confirma essas palavras. [10, p. 323]

Devo dizer que uma maldição mística sempre paira sobre a descrição dessa experiência de Lomonosov. Nossas tentativas de reportar à redação de revistas sobre nossa descoberta histórica não encontraram uma resposta educada, por exemplo, de modo que o portfólio editorial estivesse cheio etc. Somente o periódico "Eletricidade" recomendou o encaminhamento do artigo para um periódico físico. Também mencionamos um caso curioso, quando a editora do departamento russo de uma das revistas científicas populares sobre a vida da ciência, quando questionada se ela recebeu esse texto, simplesmente respondeu que seu e-mail estava quebrado hoje em dia. Aparentemente, ela acredita que apenas os papuanos moram fora do anel viário de Moscou.

Ninguém nos respeitará se não nos respeitarmos.