Les premières étapes pour découvrir la supraconductivité

L'article a été écrit spécifiquement pour le 250e anniversaire de la DÉCOUVERTE du gel du mercure.

Je

Académie des sciences de Saint-Pétersbourg, ouverte en 1725. venait de devenir en même temps un leader dans l'étude de la physique du froid. «La nature de notre localité est étonnamment favorable pour mener des expériences avec le froid», a écrit G.V. Kraft, l'un des premiers professeurs de Pétersbourg. Cependant, il a immédiatement averti que dans la nature du froid, il y avait beaucoup d'inconnu. "Jusqu'à présent, les qualités susmentionnées sont entourées d'une telle obscurité qu'il leur a fallu plusieurs années pour s'illuminer, et peut-être un siècle de vie a-t-il été nécessaire, et pas seulement un, mais de nombreux cadeaux perspicaces." Il avait raison. [1.]

Les académies d'Angleterre, d'Italie, de France, d'Allemagne, de Hollande et même de Suède se trouvent dans une bande de climat doux. Technologiquement, il est plus facile d'obtenir des températures élevées pour des besoins expérimentaux que le froid. Même dans l'Antiquité, l'homme pouvait recevoir des températures élevées suffisantes pour faire fondre des minerais de fer. Mais avant d'apprendre à liquéfier les gaz, il était très problématique de descendre. Seulement en 1665 le physicien Boyle n'a pu réduire la température de la solution aqueuse que de quelques degrés. Il y est parvenu en dissolvant l'ammoniac dans l'eau.

Et pourquoi alors les gens avaient-ils besoin de basses températures? Tout d'abord, pour les scientifiques de calibrer les thermomètres utilisés pour les mesures météorologiques, là où il existe des températures jusque-là inconnues des anciens. Ce sont les fabricants de thermomètres qui ont commencé à sélectionner ces substances et solvants qui abaisseraient le plus possible la température des solutions. Une telle composition a été inventée par le maître néerlandais des instruments scientifiques D. Fahrenheit. Il a recommandé l'utilisation de glace pilée à laquelle de l'acide nitrique concentré serait ajouté. En Russie, une telle composition a commencé à être appelée matière curieuse.

L'hiver 1759-1760 à Saint-Pétersbourg s'est avéré très glacial. Déjà le 14 décembre, «un froid extrême s'est produit, qui n'avait encore jamais été remarqué à l'Académie». Ce jour-là, l'académicien Joseph Adam Brown, à des fins purement scientifiques, s'est posé la question «Combien ce froid naturel peut-il être multiplié par l'art». À cette fin, il a utilisé la composition du Néerlandais, mais au lieu de glace pilée, il a utilisé de la neige de rue, à température ambiante. Il plaça la neige dans un récipient en verre, versa un peu d'acide nitrique et inséra un thermomètre à mercure dans cette noble matière. Après un certain temps, il a sorti le thermomètre et "a constaté avec plaisir qu'il n'était pas endommagé, mais que le mercure était toujours". [2]

De quoi Brown s'est-il réjoui? Que le thermomètre n'a pas dégivré? Non, il a juste commencé à soupçonner que du mercure était gelé dans le tube du thermomètre. Et c'était une sensation! Pas un seul traité scientifique de tous les temps et des peuples n'a rapporté que le mercure peut être solide. Voici ce que, par exemple, peut être lu dans un manuel de l'époque pour les mineurs: "Ce minéral n'est pas différent en apparence des métaux fondus, mais ils gèlent dans une telle chaleur, à partir de laquelle beaucoup de choses prennent feu, et le mercure ne peut pas geler dans le gel le plus sévère" . Notez que l'auteur du manuel, MV Lomonosov, ne considère même pas le mercure comme du métal. [3]

Page de titre d'une impression d'un rapport de l'académicien I.A. Brown lors d'une réunion publique de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg

La conviction des scientifiques de l'époque dans ce postulat était si grande que le 18 novembre 1734, lorsque le cosaque équestre Salomatov, observateur dans une station météorologique de Tomsk, a signalé le gel du mercure dans son baromètre aux académiciens Gmelin et Miller, ils n'y ont tout simplement pas cru. Ils soupçonnaient un cosaque inexpérimenté de simplement renverser du mercure, car «il ne l'a pas soigneusement retiré et secoué, sinon cela ne pourrait pas arriver, car bien que les gelées soient incomparablement plus sévères, le mercure n'a pas gelé». Les scientifiques étaient si sûrs de leur innocence qu'au lieu de prétendument renversé, six autres bobines de mercure ont été envoyées au Cosaque. Parmi les universitaires, rappelez-vous le nom Miller, nous le rencontrerons toujours. [4]

Mais revenons aux expériences de Saint-Pétersbourg. Ainsi, "Brown a écrit plus tard," j'étais "sûr que le mercure dans le thermomètre est devenu solide et immobile du froid et, par conséquent, a gelé". Tout cela était tellement inattendu qu'il a décidé de rapporter immédiatement la nouvelle à ses collègues. Les scientifiques réunis à la hâte ont décidé que lors de la réalisation d'expériences répétées, il était nécessaire de casser le thermomètre et de vérifier visuellement le fait accompli. A cet effet, un nouveau lot de thermomètres a été commandé à l'atelier de l'académie.

Ils n'ont pu commencer les expériences que le 25 décembre, "car le nombre requis de thermomètres était bientôt impossible à faire". En plus de Brown, les académiciens M.V. Lomonosov, F.U.T. Epinus, I.E. Zeiger et le pharmacien I.G. Model ont commencé les expériences. Chacun des participants, répétant les tours de Brown, a reçu des thermomètres cassés des colonnes de mercure solide sous la forme d'un fil, "comme de l'argent", et une "balle" de mercure à son extrémité. Les fils étaient facilement pliés et la «balle» était facilement aplatie par les coups de crosse de hache, car «elle avait la dureté du plomb ou de l'étain». Zeiger a dit plus tard qu'il semblait l'entendre sonner. Toutes les propriétés du métal étaient évidentes, donc le mercure était un métal, et la priorité de la découverte de ce fait appartient à la Russie.

Les expériences de Saint-Pétersbourg ont fait sensation dans le monde scientifique. Les journaux et la correspondance privée des scientifiques étaient bien en avance sur les rapports officiels de l'Académie, et donc de graves distorsions ont été faites, en particulier sur le rôle des personnages principaux. Le nom du découvreur n'a pas été nommé correctement, ce qui a provoqué un grand scandale à l'Académie. À l'initiative de Lomonosov, une enquête spéciale a été organisée par le Bureau. Ils ont trouvé le coupable - c'était l'académicien Miller, qui "a écrit à Leipzig au nom de l'Académie et à son insu, soi-disant le début de cette expérience est venu des professeurs Zeiger et Epinus, et Brown, prétendument à l'occasion, a dû trouver un grain de perle comme coq". Pour cela, Miller a été vivement critiqué par ses collègues lors d'une réunion du Bureau. Le cas de la science est presque typique. [5]

Suivi par les réponses d'autres scientifiques. "La découverte du professeur Brown de la plus grande importance", a écrit Leonard Euler, "et cela m'a fait un plaisir particulier parce que j'ai toujours cru que la chaleur est la véritable cause de l'état liquide du mercure."

Les résultats des expériences hivernales de la Chancellerie de l'Académie ont été reconnus si importants que leurs résultats ont été décidés pour être publiés lors de la réunion publique de l'Académie lors de la célébration solennelle de l'homonyme de l'impératrice Elizabeth Petrovna. Les rapports d'ouverture devaient être rédigés par les personnages principaux de l'ouverture: I.A. Brown en allemand et M.V. Lomonosov en russe. Le premier rapport était intitulé «Sur le froid étonnant, l'art produit», le second - «Raisonner sur la dureté et le liquide des corps». Il a été décidé que les textes des rapports seraient publiés sous des tampons distincts, qui seraient ensuite imprimés à 412 exemplaires chacun et que l'on peut désormais trouver dans les principales bibliothèques du pays.

Les mérites de Brown dans l'histoire de la physique sont maintenant vénérés par les descendants. Mais quel était le mérite de Lomonosov n'est connu ni des compatriotes ni des scientifiques étrangers. Et il y a quelque chose à lire. Mais, avant de parler de cela, nous allons donner un autre examen de la découverte de scientifiques russes faite en 1763: "La plus remarquable de toutes les découvertes au cours des trois dernières années est l'établissement du fait de la fusion du mercure." [6]. Ces mots appartiennent à l'un des fondateurs de la science de l'électricité, le grand américain B. Franklin. Son travail principal, «Experiments and Observations of Electricity», était bien connu des scientifiques russes, cité à plusieurs reprises par G.V. Richman et M.V. Lomonosov dans leurs écrits.

III

Le travail de Franklin est une collection de ses lettres adressées à d'autres chercheurs. Ici, les expériences menées par l'auteur dans le Nouveau Monde et les constructions théoriques de l'auteur sont décrites successivement. Il fut l'un des premiers à appliquer largement le terme désormais familier aux électriciens, le terme conducteur, introduit par le scientifique anglais T. Desagulier. Dans l'une de ces lettres, 1751.vous pouvez lire ce qui suit: la seule différence entre les conducteurs et les non-conducteurs est "seulement que certains d'entre eux conduisent une substance électrique, tandis que d'autres ne le font pas". Et plus loin: «Seuls les métaux et l'eau sont des conducteurs idéaux. D'autres organismes ne fonctionnent que dans la mesure où ils contiennent des impuretés de métaux et d'eau. » [7]

Plus tard, une note de bas de page a été faite à cette lettre, publiée dans l'essai de Franklin, que cette règle n'est pas toujours respectée et l'auteur cite le cas où le scientifique anglais "Wilson a découvert que la cire et la résine fondante acquièrent la capacité de conduire". Cependant, Franklin lui-même était tombé sur un fait étrange: "Un morceau de glace sèche ou un glaçon dans un circuit électrique empêche un choc, ce qui ne pouvait être prévu, car l'eau le transfère parfaitement." Nous parlons ici du choc électrique de choc de l'expérimentateur lorsqu'une banque de Leiden chargée est déchargée à travers elle. La glace se comportait en chaîne comme un isolant. [7, p. 37.]

Maintenant, nous sommes bien conscients que les métaux ont une conductivité électronique, d'autres substances - ioniques, qui dépendent très de leur température.

Alors peut-être de cette façon pour tester le mercure? Après tout, si le mercure congelé conduit l'électricité, c'est certainement du métal. Seul le Big Scientist pouvait se poser une telle question. Et nous ne savons toujours pas s'il allait seulement découvrir cette question, mais une telle expérience a été faite par notre grand compatriote M.V. Lomonosov. Une brève description de cette expérience se trouve dans le troisième volume des Œuvres complètes de ses œuvres. Un dessin de cette expérience y est également présenté. Je dois dire que la figure ne représente pas une machine électrique et un pointeur électrique (électromètre), mais leur présence est impliquée par le texte. [8. p.407]

Les propres dessins de Lomonosov pour des expériences sur la congélation du mercure. La figure 5 montre une boule de mercure gelé et son degré de déformation après forgeage La figure 6 montre l'expérience de la conductivité électrique du mercure et d'un fil de fer chaud. 7 montre un tube congelé d'un thermomètre à mercure. Des bulles d'air apparaissent.

Un tube de verre en forme de U contenant du mercure a été déposé dans un récipient en verre contenant du matériel de congélation, dans lequel des fils de fer ont été gelés des deux côtés. Un fil était en contact avec le conducteur d'une machine électrique, l'autre avec un électroscope. Lorsque le générateur a commencé à produire de l'électricité, l'électromètre a immédiatement montré sa présence sur un fil situé après le mercure gelé. Le mercure liquide et congelé s'est révélé conducteur, comme tous les métaux connus à l'époque. Le dernier point de la preuve que le mercure est un métal a été mis précisément par M.V.Lomonosov. La date exacte de cet événement est inconnue, mais c'était en janvier 1760. On note une subtilité de plus de l'expérience. Dans la section du circuit électrique entre le mercure solide et l'électromètre, l'expérimentateur allume un fil de fer chauffé au rouge avec des bougies. La conclusion est sans équivoque: «La force électrique agit à travers le mercure gelé et le fer chaud.»

Et cette conclusion était nouvelle pour la science de l'époque. C'est à cette époque que la science mondiale a commencé à comprendre la dépendance de la conductivité électrique de tous les corps à leur température. En 1762 Franklin décrira l'expérience de Charles Cavendish (père du célèbre Henry Cavendish), qui a mené une étude sur la conductivité électrique du verre en fonction de sa température. Il s'est avéré qu'un verre ordinaire assez fortement chauffé devient conducteur. Il était beaucoup plus facile d'organiser cette expérience que Lomonosovsky. Après tout, il était beaucoup plus facile de chauffer un tube de verre avec des électrodes soudées dans du verre que de congeler du mercure. Mais cette expérience, Franklin, la qualifiant de «très spirituelle», ajoute: «Il ne reste plus qu'à souhaiter à ce noble philosophe d'informer l'humanité davantage sur ses expériences.» Bien sûr, l'expérience de Lomonosov sur la conductivité électrique du mercure congelé a été répétée à plusieurs reprises par d'autres, mais plus tard, car dans les pays occidentaux, des expériences sur la congélation du mercure ne pouvaient être menées qu'après des décennies. [7. p.206]

La sensation de l'ouverture à Saint-Pétersbourg s'est bientôt apaisée, personne n'a pu répéter les expériences en pleine poursuite et les résultats de l'expérience électrique ont été oubliés pendant longtemps non seulement en Occident mais aussi en Russie.Lomonosov a apparemment préparé une description complète de cette expérience pour sa «Théorie de l'électricité, exprimée mathématiquement», sur laquelle il travaille depuis 1756, mais reste incomplète. Après les événements décrits par le grand savant en 1762 et 1763, il «faillit mettre au tombeau» la maladie, et il ne vécut que jusqu'en 1765. De plus, des problèmes majeurs à l'académie n'ont pas laissé de temps pour le travail créatif au cours des dernières années de la vie. Bien sûr, son œuvre est restée imprimée à 412 exemplaires. Hélas, une histoire scientifique indigne lui est arrivée.

Dans "Histoire de l'Académie impériale des sciences", écrit par l'académicien P.P. Pekarsky en 1873. Vous pouvez lire ce qui suit. «Ce travail de notre académicien a subi un sort étrange - il a été oublié d'être inclus dans les éditions les plus courantes des œuvres collectées, il n'a donc été réimprimé qu'une seule fois dans l'édition de 1778 et qui est maintenant une rareté bibliographique. Il n’est pas surprenant que le «raisonnement» de Lomonosov concernant la dureté et les fluides corporels ne se retrouve dans aucune revue de chercheurs ultérieurs. » [8], [9]. (Italique notre B.Kh.)

En effet, le sort est plus qu'étrange. Étant donné que M. Lomonosov avait de nombreux ennemis, on peut supposer que l'étrangeté était délibérée. Parmi ses pires ennemis, l'encyclopédie Brockhaus et Efron répertorie également l'académicien déjà familier G.F. Miller, qui a servi dans la période de 1757 à 1765 comme secrétaire permanent de l'Académie de Saint-Pétersbourg. On se souvient qu'il n'a pas répondu au message sur le gel du mercure en 1734, puis il donne des informations incorrectes à l'étranger, pour lesquelles il a eu de gros ennuis. On peut supposer que pour des raisons inconnues de nous, c'est lui qui a pu faire en sorte que cette œuvre n'attire pas l'attention des éditeurs. Après tout, il conservait la correspondance entre l'académie et les procès-verbaux de toutes les réunions, et leurs archives et l'exécution de l'acte ne lui auraient pas causé de difficultés. De plus, la même encyclopédie écrit sur Miller comme s'il «ne se révélait pas toujours impeccable dans ses relations avec ses membres».

L'académicien V.I. Vernadsky, décrivant Miller, écrit qu'il "n'était pas le créateur du nouveau dans la pensée théorique et scientifique, comme Euler ou Lomonosov, mais comme eux, il était imprégné d'une compréhension profonde de la méthode scientifique, il la maîtrisait avec expertise." C'était peut-être juste une envie de talent et c'est juste notre supposition. Mais ce qui s'est passé s'est produit. [10]

IV

Les mésaventures de cette œuvre de Lomonosov ne s'arrêtent pas là. Dans la période de 1768 à 1900, sept éditions de ses œuvres collectées ont été publiées et cette œuvre n'a été incluse dans aucune d'elles. Seulement dans le cinquième volume de la publication académique en 1902. ce travail d'un scientifique a vu le jour. Cependant, le texte n'était imprimé qu'en russe et les dessins et les dessins n'étaient pas reproduits, sans lesquels le texte du «raisonnement» était incompréhensible. Ainsi, l'un de ses travaux les plus intéressants est tombé hors de la vue des chercheurs du travail de Lomonosov.

Depuis 1940, l'Académie des sciences de l'URSS commence à publier les collections Lomonosov, qui contiennent des matériaux et des articles récemment trouvés sur ses activités scientifiques. Dans certains, les expériences cryogéniques de Brown et Lomonosov sont également comprises. Il n'y a pas de nouvelles informations sur leur expérience électrique. [11, 12] Enfin, à l'occasion du 250e anniversaire de la naissance des physiciens russes (ils avaient le même âge) de M.V. Lomonosov et G.V. Rikhman, le livre de A. A. Alekseev "L'émergence de la science de l'électricité en Russie" a été publié. Dans cette expérience n'est pas du tout mentionnée. Mais la question se pose inexorablement, quels sont les objectifs fixés par le chercheur, à partir d'expériences électriques cryogéniques. Y a-t-il quelque chose que vous puissiez trouver sur la question qui nous intéresse? [13]

Il y avait sûrement quelque chose dans les archives du scientifique. Mais ces archives "au plus haut commandement" ont été scellées par le comte G. Orlov et lui-même ont ordonné de les trier. On ne sait pas où et où mais les découvertes sont tout à fait possibles. Les documents restants peuvent être trouvés dans les Oeuvres complètes en 11 volumes du scientifique.Il y a peu de scientifiques russes dont le travail serait poursuivi par des historiens des sciences aussi largement et avec persévérance que Lomonosov et tous ses travaux ont été examinés et révisés, et il y avait peu d'espoir de trouver quelque chose de nouveau. Mais celui qui cherche trouve.

On sait que MV Lomonosov a traduit en russe le premier manuel de l'université «Wolfian Experimental Physics». Il a été publié en 1746. et il a fallu le réimprimer - «à vendre, tout est perdu». En mars 1760 Il a été décidé de le publier par deuxième gaufrage. Lomonosov a compris qu'entre les éditions, le manuel était assez dépassé. Le manuel était urgent, mais il y avait peu de temps. Par conséquent, il a été décidé de compléter le texte existant. Selon l'auteur des «ajouts», ils devraient «expliquer les actions et les changements en fonction des particules les plus subtiles et insensibles, les composants du corps». Sous ces particules, le lecteur moderne peut comprendre les atomes et les molécules, et même les électrons, mais tous ensemble, cela devrait refléter le système de vues de Lomonosov sur la physique des phénomènes.

Le fait que le travail sur le rapport à l'Académie et la rédaction des «Compléments» aient été parallèles en même temps est prouvé par le calendrier. La date de lecture du rapport est le 6 septembre 1760 et le texte des «Compléments» a été signé par Lomonosov le 15 septembre de la même année. [14]

Maintenant, nous donnons les vues physiques de cette époque sur l'électricité en général: "La substance électrique est constituée de particules extrêmement petites, car elle est capable de pénétrer la matière ordinaire, même les métaux les plus denses, avec une grande facilité et liberté." [7, p.53] Le fait que l'électricité se déplace à une vitesse extrêmement élevée était bien connu immédiatement après l'invention du bidon de Leiden, c'est-à-dire à Franklin.

Il est maintenant temps de citer les ajouts de Lomonosov, qui se réfèrent sans aucun doute aux expériences d'hiver de janvier 1760. Nous les mettons spécifiquement en gras.

«Les expériences électriques récemment découvertes montrent que les matières étrangères, se déplaçant à grande vitesse dans les puits des corps froids, ne les allument pas»c'est-à-dire ne chauffe pas. Il n'y a pas de mystère ici, il est clair et clair que matière étrangère Est une substance électrique et les corps froids sont mercure congelé. Rappelons que Lomonosov était un partisan de la théorie cinétique de la chaleur, et là vous pouvez lire que "Le mouvement des particules, les corps constitutifs, il y a une cause de chaleur". [5, p. 436].

C'est tout ce qui a été trouvé. Mais cela vaut beaucoup. Il est maintenant clair que l'expérimentateur, en tant que partisan de la théorie cinétique de la chaleur, s'attendait à une augmentation de la température du mercure. En raison du fait qu'il ne pouvait pas avoir de thermomètres pour de telles températures, il attendait apparemment la fonte du mercure. Cela ne s'est pas produit. D'où cette conclusion.

Il faut dire que la science de l'époque n'avait aucune idée du mouvement des charges électriques (courant électrique). Lomonosov estime que pendant le fonctionnement d'une machine électrique, la substance électrique se déplace à travers le mercure tout le temps. Ce n'était pas le cas. Grâce au mercure gelé, seule une petite quantité d'électricité était nécessaire pour charger le fil sortant du mercure. Sinon, la conclusion de Lomonosov signifierait que le mercure congelé a une supraconductivité.

La supraconductivité du mercure à des températures bien inférieures à celles trouvées par Lomonosov en 1911. Le professeur de Leiden Kamerling-Onnes. Cela s'est produit 150 ans après les expériences de Saint-Pétersbourg et a produit la même sensation qu'à l'époque dans le monde scientifique. Le prix Nobel a couronné à juste titre le travail du scientifique néerlandais et décrit le développement de la physique dans les années à venir. Mais le chemin vers une telle découverte a commencé en Russie, et presque personne ne s'en souvient.

V

Cette année marque 250 ans d'expériences de congélation du mercure. Non seulement cet événement nous oblige à prêter attention à ce fait. En 2011 marque le trois centième anniversaire de la naissance du grand scientifique russe. L'anniversaire de Lomonosov sera marqué par la communauté scientifique et c'est notre contribution à cet événement.Néanmoins, je voudrais noter un fait aussi disgracieux dans notre pays que la négligence de nos scientifiques. Presque tout le monde connaît le découvreur de l'arc électrique, le physicien russe V.V. Petrov. Mais tout le monde ne sait pas ce qui est devenu connu de cette découverte dans leur patrie après près de cent ans, puis par accident. Nous apprenons également sur cette expérience de Lomonosov, seulement dans un quart de millénaire!

Je voudrais donner un exemple de la vieille et bonne Angleterre. Là en 1700. un certain mur, frottant un morceau d'ambre, a constaté que l'étincelle qui en résulte lui rappelle la foudre. Il était un amateur absolu en électricité et ne pouvait pas répéter son expérience en présence de scientifiques, mais dans les manuels d'histoire de la physique de l'électricité et de la protection contre la foudre, il est toujours connu non seulement par les Britanniques.

On sait que les travaux de Lomonosov n'ont presque pas affecté le développement de la science mondiale, car il n'a pas créé sa propre école. Mais ce n'est pas la faute, mais la peine de Lomonosov. L'une des raisons ici est l'attention portée aux sciences domestiques. Et elle le mérite! Par exemple, de tels mots sur le grand scientifique russe ont été cités par V.I. nous ne sommes pas habitués à traiter les données de l'histoire des sciences de la manière dont nous traitons les autres phénomènes et faits. » Notre découverte ne fait que confirmer ces mots. [10, p. 323]

Je dois dire qu'une malédiction mystique planait toujours sur la description de cette expérience de Lomonosov. Nos tentatives de faire rapport à la rédaction de magazines sur notre découverte historique n'ont même pas trouvé de réponse polie, par exemple, si le portefeuille éditorial était plein, etc. Seule la revue "Electricité" a conseillé de transmettre l'article à une revue physique. Nous mentionnons également un cas curieux où la rédactrice en chef du département russe de l'une des revues scientifiques populaires sur la vie de la science, lorsqu'on lui a demandé si elle avait reçu un tel texte, a simplement répondu que son courrier électronique avait été brisé ces jours-ci. Apparemment, elle pense que seuls les Papous vivent en dehors du périphérique de Moscou.

Personne ne nous respectera si nous ne nous respectons pas.