"Kilbid üles!" - see on esimene tellimus, mis lõputus sarjas "Star Trek" annab oma meeskonnale karmi häälega kapten Kirki; korraldusele kuulekas, lülitab meeskond sisse jõuväljad, mis on mõeldud kosmoselaeva "Enterprise" kaitsmiseks vaenlase tule eest.
Star Treki süžees on jõuväljad nii olulised, et nende seisund võib lahingu tulemuse hästi kindlaks määrata. Niipea, kui jõuvälja energia on ammendunud ja ettevõtte kere hakkab lööke saama, seda kaugemale, seda rohkem purustatakse; lõpuks muutub lüüasaamine vältimatuks.
Mis on kaitsejõudude väli? Ulmekirjanduses on see petlikult lihtne asi: õhuke, nähtamatu, kuid läbitungimatu tõke, mis suudab peegeldada laserkiiri ja raketeid sama hõlpsalt. Esmapilgul tundub jõuväli nii lihtne, et sellel põhinevate lahingukilpide loomine - ja peagi - tundub vältimatu. Nii et eeldate, et mitte täna ega homme teatab mõni ettevõtlik leiutaja, et tal on õnnestunud saada kaitsejõudude väli. Kuid tõde on palju keerulisem.
Nagu Edisoni lambipirn, mis radikaalselt muutis tänapäevast tsivilisatsiooni, võib jõuväli sügavalt mõjutada meie elu kõiki aspekte ilma eranditeta. Sõjavägi kasutaks jõuväli haavamatuks muutmiseks, luues selle alusel vaenlase rakettide ja kuulide eest läbitungimatu kilbi. Teoreetiliselt võiks ühe nupuvajutusega luua sildu, uhkeid maanteid ja teid. Terved linnad tärkaksid kõrbes justkui võlujõul; kõik neis, kuni pilvelõhkujateni, oleks ehitatud ainult jõuväljadest. Linnade kohal asuvad väevälja kuplid võimaldaksid nende elanikel meelevaldselt kontrollida ilmastikunähtusi - tormituuli, lumetormi, tornaadot. Jõuvälja turvalise varikatuse all võiks linnu ehitada isegi ookeanide põhjale. Klaasist, terasest ja betoonist võiks täielikult loobuda,kõigi ehitusmaterjalide asendamine jõuväljadega.
Kuid kummalisel kombel osutub jõuväli üheks neist nähtustest, mida on laboris äärmiselt raske reprodutseerida. Mõned füüsikud usuvad isegi, et selle omadusi muutmata pole seda üldse võimalik teha.
Michael Faraday
Füüsikalise välja kontseptsioon pärineb 19. sajandi suure Briti teadlase töödest. Michael Faraday.
Reklaamvideo:
Faraday vanemad kuulusid töölisklassi (tema isa oli sepp). Ta ise oli 1800ndate alguses. oli raamatuköitja õpipoiss ja tõi välja üsna armetu eksistentsi. Kuid noor Faraday oli lummatud hiljutisest hiiglaslikust läbimurdest teaduses - kahe uue jõu, elektri ja magnetismi salapäraste omaduste avastamisest. Ta nentis innukalt kogu tema käsutuses olevat teavet nendes küsimustes ja osales Londoni kuningliku instituudi professori Humphrey Davy loengutel.
Professor Davy vigastas ebaõnnestunud keemiakatse ajal tõsiselt oma silmi; Vajas sekretäri ja ta viis Faraday sellele kohale. Järk-järgult võitis noormees Kuningliku Instituudi teadlaste usalduse ja sai läbi viia oma olulisi katseid, ehkki sageli pidi ta taluma tõrjuvat suhtumist. Aastate jooksul muutis professor Davy üha armukademaks oma andeka noore assistendi õnnestumisi, keda peeti algselt katseringides tõusvaks täheks ja aja jooksul varjutas Davy enda au. Alles pärast Davy surma 1829. aastal sai Faraday teadusliku vabaduse ja tegi terve rea hämmastavaid avastusi. Nende tulemuseks oli elektrigeneraatorite loomine, mis andsid energiat tervetele linnadele ja muutsid maailma tsivilisatsiooni kulgu.
Faraday suurimate avastuste võti oli jõu ehk füüsilised väljad. Kui asetate rauaviilud magneti kohale ja raputate, siis selgub, et viilud sobivad mustriks, mis sarnaneb ämblikuvõrguga ja võtab kogu ruumi magneti ümber. "Veebi niidid" on Faraday jõujooned. Need näitavad selgelt, kuidas elektri- ja magnetväljad jaotuvad ruumis. Näiteks kui kujutate graafiliselt Maa magnetvälja, siis leiate, et jooned pärinevad kusagilt põhjapooluse piirkonnast ning lähevad siis tagasi ja lähevad uuesti lõunapooluse piirkonnas maa sisse. Samamoodi, kui kujutate äikese ajal välgu elektrivälja jõujooni, selgub, et need koonduvad välgu tipus.
Faraday jaoks tühi ruum polnud üldse tühi; see oli täis jõujooni, mis võisid kaugeid objekte liikuma panna.
(Faraday vaene noorus takistas tal formaalse hariduse saamist ning tal olid vähe teadmisi matemaatikast; selle tulemusel täitusid tema märkmikud mitte võrrandite ja valemitega, vaid käsitsi joonistatud põllujoonte skeemidega. Irooniline, et just matemaatilise hariduse puudumine pani teda suurepäraseid diagramme välja töötama. jõujooned, mida tänapäeval võib näha igas füüsikaõpikus. Füüsiline pilt on teaduses sageli olulisem kui matemaatiline aparaat, mida selle kirjeldamiseks kasutatakse.)
Ajaloolased on esitanud palju eeldusi selle kohta, mis viis Faraday täpselt füüsiliste väljade avastamiseni - see on kogu maailmateaduse ajaloos üks olulisemaid mõisteid. Tegelikult on kogu moodne füüsika ilma eranditeta kirjutatud Faraday väljade keeles. 1831. aastal tegi Faraday olulise avastuse füüsiliste väljade valdkonnas, mis muutis igavesti meie tsivilisatsiooni. Ühel päeval, kandes magneti - lapse mänguasja - üle juhtmekarkassi, märkas ta, et raami tekkis elektrivool, kuigi magnet ei puudutanud seda. See tähendas, et magneti nähtamatu väli võib panna elektronid kaugusest liikuma, luues voolu.
Faraday jõuväljad, mida kuni selle hetkeni peeti kasututeks piltideks, jõude oleva fantaasia viljaks, osutusid tõeliseks materiaalseks jõuks, mis on võimeline objekte liigutama ja energiat genereerima. Täna võime kindlalt väita, et selle lehe lugemiseks kasutatud valgusallikat toidavad Faraday avastused elektromagnetismis. Ketrusmagnet loob välja, mis surub elektrid juhisse ja paneb need liikuma, luues elektrivoolu, mida saab seejärel kasutada lambipirni toiteks. Elektrienergia generaatorid põhinevad sellel põhimõttel, pakkudes energiat kogu maailma linnadele. Näiteks põhjustab tammist langev veevool turbiini hiiglasliku magneti pöörlemist; magnet surub elektrone juhtmes, moodustades elektrivoolu; praegune,voolab kõrgepinge juhtmete kaudu meie kodudesse.
Teisisõnu, Michael Faraday jõuväljad on just need jõud, mis juhivad tänapäevast tsivilisatsiooni, kõiki selle ilminguid - elektriveduritest kuni uusimate arvutisüsteemide, Interneti ja taskuarvutiteni.
Faraday füüsilised väljad on poolteise sajandi jooksul inspireerinud füüsikute edasisi uuringuid. Näiteks Einstein oli nii tugevalt mõjutatud, et ta sõnastas oma gravitatsiooniteooria füüsikaliste väljade keeles. Faraday teosed jätsid mulle ka tugeva mulje. Mitu aastat tagasi formuleerisin Faraday füüsikaliste väljade osas stringiteooria edukalt, pannes sellega aluse stringivälja teooriale. Füüsikas tähendab see, et öeldakse kellegi kohta, mida ta arvab jõujoonte abil, sellele inimesele tõsist komplimenti.
Neli põhimõttelist koostoimet
Füüsika üheks suurimaks saavutuseks viimase kahe aastatuhande jooksul on universumi valitsevate nelja tüüpi interaktsioonide tuvastamine ja määratlemine. Neid kõiki saab kirjeldada nende väljade keeles, millele võlgneme Faraday. Kahjuks pole aga ühelgi neljast liigist enamikus ulmeraamatutes kirjeldatud jõuväljade täielikke omadusi. Loetleme need interaktsiooni tüübid.
1. Gravitatsioon. Vaikne jõud, mis hoiab meie jalgu toetusest lahkumast. See ei lase Maal ja tähtedel mureneda, aitab säilitada Päikesesüsteemi ja Galaktika terviklikkust. Ilma gravitatsioonita lööks planeedi pöörlemine meid Maast välja ja kosmosesse kiirusega 1000 miili tunnis. Probleem on selles, et gravitatsiooni omadused on täpselt vastupidised fantastiliste jõuväljade omadustele. Gravitatsioon on tõmbejõud, mitte tõrjumine; see on äärmiselt nõrk - suhteliselt muidugi; see töötab tohutute astronoomiliste vahemaadega. Teisisõnu, see on peaaegu täpselt tasase õhukese ja läbitungimatu tõkke vastand, mida võib leida peaaegu igast ulmeromaanist või -filmist. Näiteks sulgi põranda külge tõmbab kogu planeet - Maa,kuid me suudame hõlpsalt ületada Maa raskusjõu ja tõsta sulgi ühe sõrmega üles. Ühe meie sõrme löök võib ületada terve planeedi, mis kaalub üle kuue triljoni kilogrammi, raskuse.
2. Elektromagnetism (EM). Jõud, mis valgustab meie linnu. Laserid, raadio, televisioon, kaasaegne elektroonika, arvutid, Internet, elekter, magnetism on kõik elektromagnetilise koostoime ilmnemise tagajärjed. See on võib-olla kõige kasulikum jõud, mida inimkond on kogu oma ajaloo jooksul suutnud rakendada. Erinevalt gravitatsioonist võib see töötada nii ligitõmbamiseks kui ka tõrjumiseks. Jõuvälja ülesandeks see aga mitmel põhjusel ei sobi. Esiteks saab seda hõlpsalt neutraliseerida. Näiteks võib plast või mõni muu elektrit mittejuhtiv materjal tungida hõlpsalt võimsasse elektri- või magnetvälja. Magnetvälja visatud plastitükk lendab sellest vabalt läbi. Teiseks, elektromagnetism toimib suurtest vahemaadest, seda pole lihtne tasapinnale koondada. EM-i interaktsiooni seadusi kirjeldavad James Clerk Maxwelli võrrandid ja tundub, et jõuväljad ei ole nendele võrranditele lahendus.
3 ja 4. Tugev ja nõrk tuuma interaktsioon. Nõrk interaktsioon on radioaktiivse lagunemise jõud, see, mis soojendab Maa radioaktiivset südamikku. See jõud on taga vulkaanipursked, maavärinad ja mandriosa plaatide triiv. Tugev interaktsioon ei võimalda aatomite tuumadel mureneda; see annab energiat päikesele ja tähtedele ning vastutab universumi valgustamise eest. Probleem on selles, et tuuma interaktsioon toimib ainult väga väikestest vahemaadest, enamasti aatomituumas. See on tuuma enda omadustega nii tugevalt seotud, et seda on äärmiselt raske kontrollida. Praegu on selle interaktsiooni mõjutamiseks teada ainult kahel viisil: võime subatomaatilise osakese kiirendis tükkideks murda või aatomipommi detoneerida.
Ehkki ulme kaitseväljad ei järgi teadaolevaid füüsikaseadusi, on lünki, mis tõenäoliselt muudavad jõuvälja loomise tulevikus võimalikuks. Esiteks on olemas ehk viiendat tüüpi põhimõtteline interaktsioon, mida keegi pole veel laboris näinud. Näiteks võib selguda, et see interaktsioon toimib ainult mõne tolli jalast - ja mitte astronoomiliste vahemaade kaugusel. (Tõsi, esimesed viiendat tüüpi interaktsiooni tuvastamise katsed andsid negatiivseid tulemusi.)
Teiseks võib meil olla võimalik saada plasma jäljendada mõnda jõuvälja omadust. Plasma on "mateeria neljas olek". Kolm esimest, meile tuttavat olekuainet on tahked, vedelad ja gaasilised; sellest hoolimata on universumis kõige tavalisem ainevorm plasma: ioniseeritud aatomitest koosnev gaas. Plasma aatomid pole üksteisega ühendatud ja neil puuduvad elektronid ning seetõttu on neil elektrilaeng. Neid saab elektriliste ja magnetväljade abil hõlpsasti juhtida.
Universumi nähtav aine eksisteerib enamasti mitmesuguse plasma kujul; sellest moodustuvad päike, tähed ja tähtedevaheline gaas. Tavaelus ei kohta me peaaegu kunagi plasmat, sest Maal on see nähtus haruldane; sellest hoolimata on plasma nähtav. Teil on vaja vaid vaadata välku, päikest või plasmatelerit.
Plasmaknad
Nagu ülalpool märgitud, kui gaas kuumutatakse piisavalt kõrge temperatuurini ja saadakse seeläbi plasma, on magnet- ja elektrivälju kasutades võimalik seda hoida ja kujundada. Näiteks võib plasma olla leht- või aknaklaasi kujuga. Lisaks saab sellist "plasmaaknat" kasutada vaakumi ja tavalise õhu vaheseinana. Põhimõtteliselt oleks sel viisil võimalik hoida õhku kosmoselaeva sees, takistades selle kosmosesse pääsemist; plasma moodustab sel juhul mugava läbipaistva kesta, piiri avatud ruumi ja laeva vahel.
Star Trekis kasutatakse jõuvälja osaliselt kambri eraldamiseks, kus asub väike kosmosesüstik ja kust see kosmosest algab. Ja dekoratsioonide jaoks raha säästmine pole lihtsalt nutikas trikk; sellise läbipaistva nähtamatu filmi saab luua.
Plasmakna leiutas 1995. aastal füüsik Eddie Gershkovich Brookhaveni riiklikus laboris (Long Island, New York). See seade töötati välja teise probleemi - metallide keevitamise elektronkiire abil - lahendamise protsessis. Keevitaja atsetüleenist põleti sulatab metalli kuuma gaasi vooluga ja ühendab seejärel metallitükid omavahel. On teada, et elektronkiir on võimeline keevitama metalle kiiremini, puhtamalt ja odavamalt kui tavalised keevitusmeetodid. Elektronkeevitusmeetodi peamine probleem on see, et see tuleb läbi viia vaakumis. See nõue on väga ebamugav, kuna see tähendab vaakumkambri ehitamist - võib-olla kogu ruumi suurust.
Selle probleemi lahendamiseks leiutas dr Gershkovich plasmaakna. See seade on ainult 3 jalga kõrge ja ühe jala läbimõõduga; see soojendab gaasi temperatuurini 6500 ° C ja loob seeläbi plasma, mis langeb kohe elektri- ja magnetvälja lõksu. Plasmaosakesed, nagu mis tahes gaasi osakesed, avaldavad survet, mis hoiab ära õhu sissevoolu ja vaakumkambri täitmise. (Plasmaknas kasutamisel kiirgab argoon sinakat sära, täpselt nagu Star Treki jõuväli.)
Plasmaaken on ilmselgelt laialdane rakendus kosmosetööstuses ja tööstuses. Isegi tööstuses nõuab mikromajandus ja kuiv söövitus sageli vaakumit, kuid selle kasutamine tootmisprotsessis võib olla väga kallis. Kuid nüüd, koos plasmaakna leiutamisega, muutub vaakumi hoidmine nupuvajutusega lihtsaks ja odavaks.
Kuid kas plasmaaknat saab kasutada läbitungimatu kilbina? Kas see kaitseb suurtükiväe eest? Võib ette kujutada, et tulevikus on palju kõrgema energia ja temperatuuriga plasmaaknad, mis on piisavad sinna langevate objektide aurustumiseks. Kuid ulmekirjandusest tuntud omadustega realistlikuma jõuvälja loomiseks on vaja mitme tehnoloogia mitmekihilist kombinatsiooni. Iga kiht ei pruugi kahurikuuli peatamiseks üksi olla piisavalt tugev, kuid mitmest kihist koos võib piisata.
Proovime ette kujutada sellise jõuvälja struktuuri. Väliskiht, näiteks ülelaadimisega plasmaaken, kuumutatakse temperatuurini, mis on piisav metallide aurustamiseks. Teine kiht võiks olla suure energiatarbega laserkiirte kardin. Selline tuhandete vahel ristuvate laserkiirte kardin loob ruumilise võre, mis soojendaks seda läbivaid objekte ja aurustaks neid tõhusalt. Laseritest räägime lähemalt järgmises peatükis.
Laserkardina taga võib veel ette kujutada "süsiniknanotorude" ruumilist võret - üksikutest süsinikuaatomitest koosnevaid pisikesi torusid, mille seinad on ühe aatomi paksused. Seega on torud mitu korda tugevamad kui teras. Maailma pikima süsiniku nanotoru on praegu vaid umbes 15 mm pikk, kuid võime juba ette näha päeva, mil saame luua suvalise pikkusega süsiniknanotorusid. Oletagem, et ruumilist võrku saab süsiniknanotorudest kududa; sel juhul saame äärmiselt vastupidava ekraani, mis suudab kajastada enamikku objekte. See ekraan on nähtamatu, kuna iga üksiku nanotoru paksus on võrreldav aatomiga, kuid süsiniknanotorude ruumiline võrk ületab muud tugevust omava materjali.
Seega on meil põhjust eeldada, et plasmaakna, laserkardina ja süsiniknanotorude ekraani kombinatsioon võib olla peaaegu läbitungimatu nähtamatu seina loomise alus.
Kuid isegi selline mitmekihiline kilp ei suuda näidata kõiki omadusi, mida ulme väeväljale omistab. Niisiis, see on läbipaistev, mis tähendab, et see ei suuda laserkiirt peatada. Laserkahuritega lahingus on meie mitmekihilised kilbid kasutud.
Laserkiire peatamiseks peab lisaks ülaltoodule ka kilbil olema tugevalt väljendunud "fotokromaatiline" või muutuva läbipaistvusega omadus. Praegu kasutatakse selliste omadustega materjale päikeseprillide tootmisel, mis võivad UV-kiirguse käes tumeneda. Materjali muutuv läbipaistvus saavutatakse molekulide kasutamisega, mis võivad esineda vähemalt kahes olekus. Molekulide ühes olekus on selline materjal läbipaistev. Kuid UV-kiirguse mõjul muutuvad molekulid hetkega teise olekusse ja materjal kaotab läbipaistvuse.
Võib-olla saame ühel päeval kasutada nanotehnoloogiat aine saamiseks, mis on sama tugev kui süsiniknanotorud ja võib laserkiirega kokkupuutel muuta selle optilisi omadusi. Sellisest ainest valmistatud kilp suudab peatada mitte ainult osakeste voolavuse või suurtükikere, vaid ka laserilöögi. Praegu puuduvad aga muutuva läbipaistvusega materjalid, mis suudaksid laserkiire peatada.
Magnetiline levitatsioon
Teaduskirjanduses täidavad jõuväljad lisaks kiirterelvade löökide tõrjumisele veel ühte funktsiooni, nimelt toimivad need toena, mis võimaldab teil raskusjõust üle saada. Filmis Tagasi tulevikku sõidab Michael Fox hõljuklaua või ujuva lauaga; see asi sarnaneb kõiges tuttava rulaga, ainult see "sõidab" läbi õhu, maapinna kohal. Füüsikaseadused, nagu me neid tänapäeval tunneme, ei luba sellist gravitatsioonivastast seadet rakendada (nagu näeme 10. peatükis). Kuid võite ette kujutada tulevikus teiste seadmete loomist - ujuvad lauad ja magnetilisel padjal olevad ujuvad autod; need masinad võimaldavad meil suuri esemeid lihtsalt tõsta ja hoida. Kui "toatemperatuuri ülijuhtivus" muutub taskukohaseks tegelikkuseks tulevikus,inimene suudab magnetväljade abil objekte õhku tõsta.
Kui toome püsimagneti põhjapooluse sama magneti teise põhjapoolusele, tõrjuvad magnetid üksteist. (Kui pöörame ühe magneti ümber ja viime selle koos oma lõunapoolusega teise põhjapoolusele, tõmbab ligi kaks magneti.) Sama põhimõte - et samad magnetite poolused tõrjuvad - saab kasutada tohutute raskuste maapinnalt tõstmiseks. Mitmes riigis ehitatakse juba tehniliselt arenenud magnetsed vedrustusi. Sellised rongid ei liigu mööda rööpaid, vaid üle nende minimaalsel kaugusel; tavalised magnetid hoiavad neid kaalu all. Tundub, et rongid hõljuvad õhus ja tänu nullihõõrdumisele võivad nad saavutada rekordkiirust.
Maailma esimene kaubanduslik automatiseeritud vedrustussüsteem magnetsuspensioonil käivitati 1984. aastal Suurbritannia linnas Birminghamis. See ühendas rahvusvahelise lennujaama terminali ja lähedal asuva raudteejaama. Magnetilise levitatsioonirongid töötavad ka Saksamaal, Jaapanis ja Koreas, ehkki enamik neist pole mõeldud suure kiiruse jaoks. Esimene kiire äriline magnetiline levitatsioonirong on hakanud sõitma Shanghais asuval rööbastee lõigul; see rong liigub maanteel kiirusega kuni 431 km / h. Yamanashi prefektuuris asuv Jaapani maglevrong kiirendas kiirusele 581 km / h - see tähendab, et see liikus palju kiiremini kui tavalised rattad.
Kuid magnetiliselt riputatud seadmed on äärmiselt kallid. Üks võimalus nende efektiivsuse suurendamiseks on ülijuhtide kasutamine, mis absoluutse nulli lähedale temperatuurini jahutatuna kaotavad täielikult oma elektritakistuse. Ülijuhtivuse nähtuse avastas 1911. aastal Heike Kamerling-Onnes. Selle põhiolemus oli see, et mõned ained kaotavad temperatuurini alla 20 K (20 ° üle absoluutse nulli) jahutamisel kogu elektritakistuse. Reeglina väheneb metalli jahutamisel järk-järgult selle elektritakistus. {Fakt on see, et aatomite juhuslikud vibratsioonid häirivad elektronide suunalist liikumist juhis. Temperatuuri langedes väheneb juhuslike kõikumiste vahemik ja elekter on vähem vastupanuvõimeline.) Kuid Kamerling-Onnes leidis tema enda hämmastusekset mõne materjali vastupidavus teatud kriitilisel temperatuuril langeb järsult nullini.
Füüsikud mõistsid selle tulemuse olulisust kohe. Pikkade vahemaade korral kaotatakse ülekandeliinides märkimisväärselt elektrienergiat. Kuid kui takistust suudetaks kõrvaldada, saaks elektrienergia peaaegu kõikjale üle kanda. Üldiselt võiks suletud vooluringis ergastatud elektrivool selles ringlusse minna ilma energiakadudeta miljonite aastate jooksul. Pealegi poleks nendest erakorralistest vooludest keeruline luua uskumatu võimsusega magneteid. Ja selliste magnetite abil oleks võimalik tohutuid raskusi ilma pingutuseta üles tõsta.
Vaatamata ülijuhtide imelistele võimalustele on nende kasutamine väga keeruline. Äärmiselt külmade vedelike mahutites on suurte magnetide hoidmine väga kallis. Vedelike külmas hoidmiseks on vaja tohutuid külmvabrikuid, mis tõstavad ülijuhtivate magnetide kulud taevakõrgusele ja muudavad need kahjumlikuks.
Kuid ühel päeval võivad füüsikud luua aine, mis säilitab ülijuhtivuse isegi toatemperatuurini kuumutamisel. Ülijuhtivus toatemperatuuril on tahkisfüüsikute püha graal. Selliste ainete tootmine on tõenäoliselt teise tööstusrevolutsiooni algus. Võimsad magnetväljad, mis mahutavad autosid ja rongid peatatud, muutuvad nii odavaks, et isegi libisevad autod võivad olla majanduslikult tasuvad. On väga võimalik, et nende ülijuhtide leiutamisega, mis säilitavad oma omadused toatemperatuuril, muutuvad reaalsuseks fantastilised lendavad masinad, mida näeme filmides "Tagasi tulevikku", "Minority Report" ja "Star Wars".
Põhimõtteliselt on täiesti mõeldav, et inimene suudab selga panna ülijuhtivatest magnetitest valmistatud spetsiaalse vöö, mis võimaldab tal vabalt liikuda maapinnast kõrgemale. Sellise vööga saaks õhust läbi lennata, nagu Superman. Üldiselt on toatemperatuuri ülijuhtivus nii tähelepanuväärne nähtus, et selliste ülijuhtide leiutamist ja kasutamist on kirjeldatud paljudes ulmeromaanides (näiteks Larry Niveni poolt 1970. aastal loodud romaanisari Ringmaailma kohta).
Füüsikud on aastakümneid ebaõnnestunult otsinud aineid, millel oleks toatemperatuuril ülijuhtivus. See oli tüütu, igav protsess - otsiti seda katse-eksituse meetodil, katsetati üht materjali teise järel. Kuid 1986. aastal avastati uus ainete klass, mida nimetati "kõrge temperatuuriga ülijuhtideks"; need ained saavutasid ülijuhtivuse temperatuuridel umbes 90 ° üle absoluutse nulli või 90 K. Sellest avastusest sai füüsika maailmas tõeline sensatsioon. Õhulukk näis avanevat. Kuu-kuu järel võistlesid füüsikud üksteisega uue ülijuhtivuse maailmarekordi püstitamisel. Mõnda aega tundus isegi, et toatemperatuuri ülijuhtivus kaob ulmeromaanide lehtedelt ja saab reaalsuseks. Kuid pärast mitu aastat kiiret arengut hakkasid uuringud kõrgtemperatuuriliste ülijuhtide valdkonnas aeglustuma.
Praegu kuulub kõrge temperatuuriga ülijuhtide maailmarekord ainele, mis on vase, kaltsiumi, baariumi, talliumi ja elavhõbeda kompleksoksiid, mis muutub ülijuhtivuseks temperatuuril 138 K (-135 ° C). See suhteliselt kõrge temperatuur on toatemperatuurist endiselt väga kaugel. Kuid see on ka oluline verstapost. Lämmastik muutub vedelal temperatuuril 77 K ja vedel lämmastik maksab umbes sama palju kui tavaline piim. Seetõttu võib kõrge temperatuuriga ülijuhtide jahutamiseks kasutada tavalist vedelat lämmastikku, see on odav. (Muidugi ei vaja toatemperatuuril selliseks püsivad ülijuhid üldse jahutamist.)
Teine asi on ebameeldiv. Praegu puudub teooria, mis selgitaks kõrge temperatuuriga ülijuhtide omadusi. Lisaks saab Nobeli auhinna ettevõtlik füüsik, kes oskab selgitada, kuidas nad töötavad. (Tuntud kõrge temperatuuriga ülijuhtides on aatomid jaotatud eraldiseisvateks kihtideks. Paljud füüsikud arvavad, et just keraamilise materjali kihilisus võimaldab elektronidel igas kihis vabalt liikuda, luues sellega ülijuhtivuse. Kuid kuidas ja miks see juhtub, on endiselt mõistatus.)
Teadmiste puudumine sunnib füüsikuid otsima uusi kõrgtemperatuurilisi ülijuhte vanamoodsal viisil katse-eksituse meetodil. See tähendab, et kurikuulsa toatemperatuuri ülijuhtivuse saab avastada igal ajal homme, aasta jooksul või mitte kunagi. Keegi ei tea, millal selliste omadustega ainet leitakse ja kas seda üldse leitakse.
Kuid kui toatemperatuuril avastatakse ülijuhte, võib nende avastamine põhjustada uute leiutiste ja kaubanduslike rakenduste tohutu laine. Maa magnetväljast (mis on 0,5 gauss) miljon korda tugevamad magnetväljad võivad muutuda tavaliseks.
Kõigile ülijuhtidele omaseid omadusi nimetatakse Meissneri efektiks. Kui asetate magneti ülijuhi kohale, hoiab magnet õhku, justkui seda toetaks mingi nähtamatu jõud. [Meissneri efekti põhjus on see, et magnetil on omadus luua ülijuhi sisse oma "peegelpilt", nii et tõeline magnet ja selle peegeldus hakkavad üksteist tõrjuma. Selle efekti veel üks graafiline seletus on see, et ülijuht on magnetvälja läbimatu. See surub magnetvälja välja. Seetõttu, kui asetate magneti ülijuhi kohale, moonutatakse magneti jõujooned kokkupuutel ülijuhiga. Need jõujooned suruvad magneti ülespoole, põhjustades selle levitamist.)
Kui inimkond saab võimaluse kasutada Meissneri efekti, siis võib tuleviku maanteed ette kujutada sellise spetsiaalse keraamika kattega. Siis võime meie vööle või auto põhja asetatud magnetite abil võluväel hõljuda üle tee ja tormata oma sihtkohta ilma hõõrdumise ja energia kadumiseta.
Meissneri efekt töötab ainult selliste magnetiliste materjalidega nagu metallid, kuid ülijuhtivaid magneteid saab kasutada ka mittemagnetiliste materjalide levitamiseks, mida tuntakse paramagnetide või diamagnetidena. Need ained iseenesest ei ole magnetilised; nad omandavad neid ainult välise magnetvälja olemasolul ja mõjul. Paramagneteid meelitab väline magnet, diamagnetid tõrjuvad.
Näiteks vesi on diamaatiline. Kuna kõik elusolendid on valmistatud veest, võivad ka need võimsa magnetvälja juuresolekul levitada. Põllul, mille magnetiline induktsioon on umbes 15 T (30 000 korda võimsam kui Maa magnetväli), on teadlastel juba õnnestunud levitada väikseid loomi, näiteks konni. Kuid kui toatemperatuuril muutub ülijuhtivus reaalsuseks, on võimalik õhku tõsta suuri mittemagnetilisi objekte, kasutades ära nende diamagnetilisi omadusi.
Kokkuvõtteks märgime, et jõuväljad sellisel kujul, nagu neid tavaliselt kirjeldatakse fantastilises kirjanduses, ei ole nõus meie universumi nelja põhimõttelise interaktsiooni kirjeldusega. Kuid võib eeldada, et inimene suudab nende fiktiivsete väljade paljusid omadusi jäljendada, kasutades mitmekihilisi kilpe, sealhulgas plasmaaknaid, laserkardinaid, süsiniknanotorusid ja muutuva läbipaistvusega aineid. Kuid tegelikkuses saab sellist kilpi arendada vaid mõne aastakümne või isegi sajandi jooksul. Ja kui avastatakse toatemperatuuril ülijuhtivus, on inimkonnal võimalus kasutada võimsaid magnetvälju; võib-olla on nende abiga võimalik autosid ja ronge õhku tõsta, nagu me näeme ulmefilmides.
Kõike seda arvesse võttes liigitaksin jõuväljad võimatuse I klassi, st määratleksin need tänapäeva tehnoloogiate jaoks millegi võimatuna, kuid rakendatud muudetud kujul umbes järgmise sajandi jooksul.
