"Alza gli scudi!" - questo è il primo ordine, che nella serie infinita "Star Trek" dà una voce dura al capitano Kirk al suo equipaggio; obbediente all'ordine, l'equipaggio accende i campi di forza progettati per proteggere la navicella "Enterprise" dal fuoco nemico.
Nella trama di Star Trek, i campi di forza sono così importanti che le loro condizioni potrebbero determinare l'esito di una battaglia. Non appena l'energia del campo di forza è esaurita e lo scafo dell'Enterprise inizia a ricevere colpi, più sono lontani, più sono schiaccianti; alla fine, la sconfitta diventa inevitabile.
Allora, cos'è un campo di forza protettivo? Nella fantascienza, è una cosa apparentemente semplice: una barriera sottile, invisibile ma impenetrabile in grado di riflettere raggi laser e missili con la stessa facilità. A prima vista, il campo di forza sembra così semplice che la creazione - e presto - di scudi da battaglia basati su di esso sembra inevitabile. Quindi ti aspetti che non oggi o domani qualche intraprendente inventore annuncerà di essere riuscito a ottenere un campo di forza protettivo. Ma la verità è molto più complicata.
Come la lampadina di Edison, che ha cambiato radicalmente la civiltà moderna, il campo di forza può influenzare profondamente tutti gli aspetti della nostra vita senza eccezioni. I militari userebbero il campo di forza per diventare invulnerabili, creando uno scudo impenetrabile dai missili e dai proiettili nemici sulla sua base. In teoria, si potrebbero creare ponti, splendide autostrade e strade con il semplice tocco di un pulsante. Intere città sarebbero sorte nel deserto come per magia; tutto in essi, fino ai grattacieli, sarebbe stato costruito esclusivamente con campi di forza. Le cupole del campo di forza sulle città consentirebbero ai loro abitanti di controllare arbitrariamente gli eventi meteorologici: tempeste, tempeste di neve, tornado. Sotto la copertura sicura del campo di forza, le città potrebbero essere costruite anche sul fondo degli oceani. Vetro, acciaio e cemento potrebbero essere completamente abbandonati,sostituire tutti i materiali da costruzione con campi di forza.
Ma, stranamente, il campo di forza risulta essere uno di quei fenomeni che sono estremamente difficili da riprodurre in laboratorio. Alcuni fisici credono addirittura che non sarà affatto possibile farlo senza modificarne le proprietà.
Michael Faraday
Il concetto di campo fisico ha origine nelle opere del grande scienziato britannico del XIX secolo. Michael Faraday.
Video promozionale:
I genitori di Faraday appartenevano alla classe operaia (suo padre era un fabbro). Lui stesso all'inizio del 1800. era un apprendista per il rilegatore e ha vissuto un'esistenza piuttosto miserabile. Ma il giovane Faraday è rimasto affascinato dal recente gigantesco progresso della scienza: la scoperta delle misteriose proprietà di due nuove forze, l'elettricità e il magnetismo. Divorava avidamente tutte le informazioni a sua disposizione su questi argomenti e assisteva alle lezioni del professor Humphrey Davy del Royal Institute di Londra.
Il professor Davy una volta si ferì gravemente gli occhi durante un esperimento chimico fallito; aveva bisogno di una segretaria, e portò Faraday a questa posizione. A poco a poco, il giovane ha vinto la fiducia degli scienziati della Royal Institution ed è stato in grado di condurre i suoi importanti esperimenti, anche se spesso ha dovuto sopportare un atteggiamento sprezzante. Nel corso degli anni, il professor Davy è diventato sempre più geloso dei successi del suo talentuoso giovane assistente, che inizialmente era considerato una stella nascente nei circoli sperimentali, e nel tempo ha eclissato la gloria dello stesso Davy. Fu solo dopo la morte di Davy nel 1829 che Faraday ricevette la libertà scientifica e fece tutta una serie di scoperte sorprendenti. Il loro risultato fu la creazione di generatori elettrici che fornirono energia a intere città e cambiarono il corso della civiltà mondiale.
La chiave delle più grandi scoperte di Faraday erano i campi di forza, o fisici. Se si posiziona la limatura di ferro su un magnete e lo si scuote, si scopre che la limatura si adatta a un motivo che ricorda una ragnatela e occupa tutto lo spazio intorno al magnete. I "fili del web" sono le linee di forza di Faraday. Mostrano chiaramente come i campi elettrici e magnetici sono distribuiti nello spazio. Ad esempio, se rappresenti graficamente il campo magnetico terrestre, scoprirai che le linee provengono da qualche parte nell'area del Polo Nord, quindi tornano e vanno di nuovo nella terra nell'area del Polo Sud. Allo stesso modo, se raffigurate le linee di forza del campo elettrico del fulmine durante un temporale, risulta che convergono sulla punta del fulmine.
Lo spazio vuoto per Faraday non era affatto vuoto; era pieno di linee di forza che potevano far muovere oggetti distanti.
(La povera giovinezza di Faraday gli ha impedito di ricevere un'istruzione formale e aveva poca conoscenza della matematica; di conseguenza, i suoi taccuini non erano pieni di equazioni e formule, ma di diagrammi disegnati a mano delle linee di campo. Ironia della sorte, era la sua mancanza di educazione matematica che gli ha fatto sviluppare magnifici diagrammi linee di forza, che oggi possono essere viste in qualsiasi libro di testo di fisica. L'immagine fisica nella scienza è spesso più importante dell'apparato matematico usato per descriverla.)
Gli storici hanno avanzato molte ipotesi su ciò che esattamente ha portato Faraday alla scoperta dei campi fisici, uno dei concetti più importanti nella storia di tutta la scienza mondiale. In effetti, tutta la fisica moderna, senza eccezioni, è scritta nel linguaggio dei campi di Faraday. Nel 1831, Faraday fece una scoperta chiave nel campo dei campi fisici che cambiarono per sempre la nostra civiltà. Un giorno, mentre trasportava un magnete - un giocattolo per bambini - sul telaio in filo metallico, notò che nel telaio si generava una corrente elettrica, sebbene il magnete non lo toccasse. Ciò significava che il campo invisibile di un magnete poteva far muovere gli elettroni a distanza, creando una corrente.
I campi di forza di Faraday, che fino a quel momento erano considerati quadri inutili, frutto di una fantasia oziosa, si sono rivelati una vera forza materiale capace di muovere oggetti e generare energia. Oggi possiamo dire con certezza che la fonte di luce che usi per leggere questa pagina è alimentata dalle scoperte di Faraday nel campo dell'elettromagnetismo. Il magnete rotante crea un campo che spinge gli elettroni nel conduttore e li fa muovere, creando una corrente elettrica che può poi essere utilizzata per alimentare la lampadina. I generatori di elettricità si basano su questo principio, fornendo energia alle città di tutto il mondo. Ad esempio, un flusso d'acqua che cade da una diga fa girare un magnete gigante in una turbina; il magnete spinge gli elettroni nel filo, formando una corrente elettrica; corrente, a sua volta,scorre attraverso fili ad alta tensione verso le nostre case.
In altre parole, i campi di forza di Michael Faraday sono le stesse forze che guidano la civiltà moderna, tutte le sue manifestazioni - dalle locomotive elettriche ai più recenti sistemi informatici, Internet e computer tascabili.
Per un secolo e mezzo, i campi fisici di Faraday hanno ispirato ulteriori ricerche da parte dei fisici. Einstein, ad esempio, fu così fortemente influenzato che formulò la sua teoria della gravità nel linguaggio dei campi fisici. Anche le opere di Faraday mi hanno impressionato molto. Diversi anni fa, ho formulato con successo la teoria delle stringhe in termini di campi fisici di Faraday, ponendo così le basi per la teoria dei campi delle stringhe. In fisica, dire di qualcuno che pensa con linee di forza significa fare a quella persona un complimento serio.
Quattro interazioni fondamentali
Una delle più grandi conquiste della fisica negli ultimi due millenni è stata l'identificazione e la definizione dei quattro tipi di interazioni che governano l'universo. Tutti possono essere descritti nella lingua dei campi a cui dobbiamo Faraday. Sfortunatamente, tuttavia, nessuna delle quattro specie ha le proprietà complete dei campi di forza descritti nella maggior parte dei libri di fantascienza. Elenchiamo questi tipi di interazione.
1. Gravità. Il potere silenzioso che impedisce ai nostri piedi di lasciare l'appoggio. Non permette alla Terra e alle stelle di sgretolarsi, aiuta a preservare l'integrità del Sistema Solare e della Galassia. Senza gravità, la rotazione del pianeta ci porterebbe via dalla Terra e nello spazio a 1.000 miglia all'ora. Il problema è che le proprietà della gravità sono esattamente l'opposto delle proprietà dei campi di forza fantastici. La gravità è la forza di attrazione, non di repulsione; è estremamente debole - relativamente, ovviamente; funziona a distanze enormi e astronomiche. In altre parole, è quasi l'esatto opposto della barriera piatta, sottile e impenetrabile che può essere trovata in quasi tutti i romanzi o film di fantascienza. Ad esempio, una piuma sul pavimento è attratta dall'intero pianeta: la Terra,ma possiamo facilmente superare la gravità della Terra e sollevare la piuma con un dito. L'impatto di una delle nostre dita può superare la gravità di un intero pianeta, che pesa più di sei trilioni di chilogrammi.
2. Elettromagnetismo (EM). Il potere che illumina le nostre città. Laser, radio, televisione, elettronica moderna, computer, Internet, elettricità, magnetismo sono tutte conseguenze della manifestazione dell'interazione elettromagnetica. È forse la forza più utile che l'umanità è riuscita a sfruttare nel corso della sua storia. A differenza della gravità, può funzionare sia per l'attrazione che per la repulsione. Tuttavia, non è adatto per il ruolo di un campo di forza per diversi motivi. Innanzitutto, può essere facilmente neutralizzato. Ad esempio, la plastica o qualsiasi altro materiale non conduttivo può facilmente penetrare in un potente campo elettrico o magnetico. Un pezzo di plastica lanciato in un campo magnetico volerà liberamente attraverso di esso. In secondo luogo, l'elettromagnetismo agisce a grandi distanze, non è facile concentrarlo su un piano. Le leggi dell'interazione EM sono descritte dalle equazioni di James Clerk Maxwell, e sembra che i campi di forza non siano una soluzione a queste equazioni.
3 e 4. Interazioni nucleari forti e deboli. L'interazione debole è la forza del decadimento radioattivo, quella che riscalda il nucleo radioattivo della Terra. Questo potere è alla base delle eruzioni vulcaniche, dei terremoti e della deriva delle placche continentali. Una forte interazione non consente ai nuclei degli atomi di sgretolarsi; fornisce energia al sole e alle stelle ed è responsabile dell'illuminazione dell'universo. Il problema è che l'interazione nucleare funziona solo a distanze molto piccole, principalmente all'interno del nucleo atomico. È così fortemente associato alle proprietà del nucleo stesso che è estremamente difficile controllarlo. Attualmente, conosciamo solo due modi per influenzare questa interazione: possiamo rompere una particella subatomica in pezzi in un acceleratore o far esplodere una bomba atomica.
Sebbene i campi di protezione della fantascienza non obbediscano alle leggi note della fisica, ci sono delle scappatoie che probabilmente renderanno possibile la creazione di campi di forza in futuro. In primo luogo, c'è forse un quinto tipo di interazione fondamentale che nessuno è ancora stato in grado di vedere in laboratorio. Potrebbe risultare, ad esempio, che questa interazione funziona solo a distanze da pochi pollici a un piede e non a distanze astronomiche. (È vero, i primi tentativi di rilevare il quinto tipo di interazione hanno prodotto risultati negativi.)
In secondo luogo, potremmo essere in grado di ottenere che il plasma imiti alcune delle proprietà del campo di forza. Il plasma è il "quarto stato della materia". I primi tre stati della materia, a noi familiari, sono solido, liquido e gassoso; tuttavia, la forma più comune di materia nell'universo è il plasma: un gas costituito da atomi ionizzati. Gli atomi nel plasma non sono collegati tra loro e sono privi di elettroni e quindi hanno una carica elettrica. Possono essere facilmente controllati utilizzando campi elettrici e magnetici.
La materia visibile dell'universo esiste per la maggior parte sotto forma di vari tipi di plasma; da esso si formano il sole, le stelle e il gas interstellare. Nella vita ordinaria, non incontriamo quasi mai il plasma, perché sulla Terra questo fenomeno è raro; tuttavia, il plasma può essere visto. Tutto quello che devi fare è guardare i fulmini, il sole o uno schermo TV al plasma.
Finestre al plasma
Come notato sopra, se il gas viene riscaldato a una temperatura sufficientemente elevata e quindi si ottiene plasma, allora utilizzando campi magnetici ed elettrici sarà possibile trattenerlo e modellarlo. Ad esempio, il plasma può avere la forma di una lastra o di un vetro di una finestra. Inoltre, una tale "finestra al plasma" può essere utilizzata come divisorio tra il vuoto e l'aria ordinaria. In linea di principio, in questo modo sarebbe possibile trattenere l'aria all'interno della navicella, impedendone la fuga nello spazio; il plasma in questo caso forma un comodo guscio trasparente, confine tra lo spazio aperto e la nave.
In Star Trek, il campo di forza viene utilizzato, in parte, per isolare il compartimento in cui si trova la piccola navetta spaziale e da dove parte dallo spazio esterno. E non è solo un trucco intelligente per risparmiare sulle decorazioni; è possibile creare una pellicola invisibile così trasparente.
La finestra al plasma è stata inventata nel 1995 dal fisico Eddie Gershkovich al Brookhaven National Laboratory (Long Island, New York). Questo dispositivo è stato sviluppato nel processo di risoluzione di un altro problema: il problema della saldatura dei metalli utilizzando un fascio di elettroni. La torcia ad acetilene del saldatore fonde il metallo con un flusso di gas caldo, quindi unisce i pezzi di metallo insieme. È noto che il fascio di elettroni è in grado di saldare metalli più velocemente, più puliti ed economici rispetto ai metodi di saldatura convenzionali. Il problema principale con il metodo di saldatura elettronica è che deve essere eseguito sotto vuoto. Questo requisito è molto scomodo, poiché significa costruire una camera a vuoto, forse delle dimensioni di un'intera stanza.
Per risolvere questo problema, il dottor Gershkovich ha inventato la finestra al plasma. Questo dispositivo è alto solo 3 piedi e ha un diametro di 1 piede; riscalda il gas ad una temperatura di 6500 ° C e crea così un plasma, che cade immediatamente nella trappola dei campi elettrici e magnetici. Le particelle di plasma, come le particelle di qualsiasi gas, esercitano una pressione che impedisce all'aria di entrare e riempire la camera a vuoto. (Quando viene utilizzato in una finestra al plasma, l'argon emette un bagliore bluastro, proprio come il campo di forza in Star Trek.)
La finestra al plasma troverà ovviamente ampia applicazione nell'industria e nell'industria spaziale. Anche nell'industria, la microlavorazione e l'incisione a secco richiedono spesso un vuoto, ma può essere molto costoso da utilizzare in un processo di produzione. Ma ora, con l'invenzione della finestra al plasma, tenere un aspirapolvere premendo un pulsante diventerà facile ed economico.
Ma una finestra al plasma può essere usata come uno scudo impenetrabile? Proteggerà da un colpo di cannone? Si può immaginare l'apparizione nel futuro di finestre al plasma con energia e temperatura molto più elevate, sufficienti per l'evaporazione degli oggetti che vi cadono dentro. Ma per creare un campo di forza più realistico con caratteristiche note dalla fantascienza, sarà necessaria una combinazione a più livelli di diverse tecnologie. Ogni strato potrebbe non essere abbastanza forte da solo per fermare una palla di cannone, ma insieme diversi strati possono essere sufficienti.
Proviamo a immaginare la struttura di un tale campo di forza. Lo strato esterno, come una finestra al plasma sovralimentata, viene riscaldato a una temperatura sufficiente per vaporizzare i metalli. Il secondo strato potrebbe essere una cortina di raggi laser ad alta energia. Una simile cortina di migliaia di raggi laser intersecanti creerebbe una griglia spaziale che riscalderebbe gli oggetti che la attraversano e li vaporizzerebbe efficacemente. Parleremo di più dei laser nel prossimo capitolo.
Inoltre, dietro la cortina laser, puoi immaginare un reticolo spaziale di "nanotubi di carbonio" - minuscoli tubi, costituiti da singoli atomi di carbonio, con pareti spesse un atomo. Pertanto, i tubi sono molte volte più resistenti dell'acciaio. Il nanotubo di carbonio più lungo del mondo è attualmente lungo solo circa 15 mm, ma possiamo già prevedere il giorno in cui saremo in grado di creare nanotubi di carbonio di lunghezza arbitraria. Supponiamo che una rete spaziale possa essere tessuta da nanotubi di carbonio; in questo caso, otteniamo uno schermo estremamente resistente che può riflettere la maggior parte degli oggetti. Questo schermo sarà invisibile, poiché ogni singolo nanotubo ha uno spessore paragonabile a un atomo, ma la rete spaziale dei nanotubi di carbonio supererà qualsiasi altro materiale in forza.
Quindi, abbiamo motivo di credere che la combinazione di una finestra al plasma, una tenda laser e uno schermo di nanotubi di carbonio possa servire come base per creare un muro invisibile quasi impenetrabile.
Ma anche uno scudo così multistrato non riuscirà a dimostrare tutte le proprietà che la fantascienza attribuisce a un campo di forza. Quindi, sarà trasparente, il che significa che non sarà in grado di fermare il raggio laser. In una battaglia con i cannoni laser, i nostri scudi multistrato saranno inutili.
Per arrestare il raggio laser, lo schermo deve, oltre a quanto sopra, avere una spiccata proprietà di "fotocromatica", ovvero trasparenza variabile. Attualmente, materiali con tali caratteristiche vengono utilizzati nella produzione di occhiali da sole che possono scurirsi se esposti ai raggi UV. La trasparenza variabile del materiale si ottiene mediante l'uso di molecole che possono esistere in almeno due stati. In uno stato delle molecole, tale materiale è trasparente. Ma sotto l'influenza della radiazione UV, le molecole cambiano istantaneamente in un altro stato e il materiale perde la sua trasparenza.
Forse un giorno saremo in grado di utilizzare la nanotecnologia per ottenere una sostanza forte come i nanotubi di carbonio e in grado di modificare le sue proprietà ottiche se esposta a un raggio laser. Uno scudo fatto di una tale sostanza sarà in grado di fermare non solo i flussi di particelle o proiettili di cannone, ma anche un colpo laser. Allo stato attuale, tuttavia, non esistono materiali con trasparenza variabile in grado di fermare il raggio laser.
Levitazione magnetica
Nella fantascienza, i campi di forza hanno un'altra funzione oltre a respingere i colpi delle armi a raggi, vale a dire, servono come supporto che ti consente di superare la forza di gravità. In Ritorno al futuro, Michael Fox cavalca un hoverboard, o tavola galleggiante; questa cosa assomiglia a uno skateboard familiare in tutto, solo che "cavalca" nell'aria, sopra la superficie della terra. Le leggi della fisica, così come le conosciamo oggi, non consentono l'implementazione di un simile dispositivo antigravitazionale (come vedremo nel Capitolo 10). Ma puoi immaginare in futuro la creazione di altri dispositivi: tavole galleggianti e auto galleggianti su un cuscino magnetico; queste macchine ci permetteranno di sollevare e tenere facilmente oggetti di grandi dimensioni. In futuro, se la "superconduttività a temperatura ambiente" diventa una realtà accessibile,una persona sarà in grado di sollevare oggetti in aria utilizzando le capacità dei campi magnetici.
Se portiamo il polo nord di un magnete permanente al polo nord di un altro dello stesso magnete, i magneti si respingeranno a vicenda. (Se capovolgiamo uno dei magneti e lo portiamo con il suo polo sud al polo nord dell'altro, verranno attratti due magneti.) Lo stesso principio - che gli stessi poli dei magneti si respingono - può essere utilizzato per sollevare enormi pesi da terra. Treni a sospensione magnetica tecnicamente avanzati sono già in costruzione in diversi paesi. Tali treni non sfrecciano lungo i binari, ma su di essi a una distanza minima; i normali magneti li tengono in peso. I treni sembrano fluttuare nell'aria e possono raggiungere velocità record grazie all'attrito zero.
Il primo sistema di trasporto automatizzato commerciale al mondo su sospensione magnetica è stato lanciato nel 1984 nella città britannica di Birmingham. Collegava il terminal dell'aeroporto internazionale e la vicina stazione ferroviaria. I treni a levitazione magnetica operano anche in Germania, Giappone e Corea, sebbene la maggior parte non sia progettata per alte velocità. Il primo treno a levitazione magnetica commerciale ad alta velocità ha iniziato a circolare su una sezione in corsa di un binario a Shanghai; questo treno si muove lungo l'autostrada a velocità fino a 431 km / h. Un treno a levitazione magnetica giapponese nella prefettura di Yamanashi ha accelerato fino a una velocità di 581 km / h, ovvero si è mosso molto più velocemente dei treni convenzionali su ruote.
Ma i dispositivi sospesi magneticamente sono estremamente costosi. Uno dei modi per aumentare la loro efficienza è l'uso di superconduttori che, raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, perdono completamente la loro resistenza elettrica. Il fenomeno della superconduttività fu scoperto nel 1911 da Heike Kamerling-Onnes. La sua essenza era che alcune sostanze, quando raffreddate a una temperatura inferiore a 20 K (20 ° sopra lo zero assoluto), perdono tutta la resistenza elettrica. Di norma, quando il metallo viene raffreddato, la sua resistenza elettrica diminuisce gradualmente. {Il fatto è che le vibrazioni casuali degli atomi interferiscono con il movimento direzionale degli elettroni in un conduttore. Man mano che la temperatura diminuisce, la gamma di fluttuazioni casuali diminuisce e l'elettricità subisce meno resistenza). Ma Kamerling-Onnes, con suo stesso stupore, scoprìche la resistenza di alcuni materiali a una certa temperatura critica scende bruscamente a zero.
I fisici hanno subito capito l'importanza di questo risultato. Quantità significative di elettricità vengono perse nelle linee di trasmissione su lunghe distanze. Ma se la resistenza potesse essere eliminata, l'elettricità potrebbe essere trasferita ovunque per quasi nulla. In generale, una corrente elettrica eccitata in un circuito chiuso potrebbe circolare al suo interno senza perdite di energia per milioni di anni. Inoltre da queste correnti straordinarie non sarebbe difficile creare magneti di incredibile potenza. E con tali magneti, sarebbe possibile sollevare carichi enormi senza sforzo.
Nonostante le meravigliose possibilità dei superconduttori, il loro utilizzo è molto difficile. È molto costoso mantenere grandi magneti in serbatoi di liquidi estremamente freddi. Mantenere i liquidi freddi richiederebbe enormi fabbriche di freddo che aumenterebbero il costo dei magneti superconduttori a livelli altissimi e li renderebbero non redditizi.
Ma un giorno i fisici potrebbero essere in grado di creare una sostanza che conserva proprietà superconduttrici anche se riscaldata a temperatura ambiente. La superconduttività a temperatura ambiente è il Santo Graal dei fisici allo stato solido. La produzione di tali sostanze sarà probabilmente l'inizio della seconda rivoluzione industriale. I potenti campi magnetici che possono tenere sospesi automobili e treni diventeranno così economici che anche le "automobili in volo" potrebbero essere economicamente sostenibili. È molto probabile che con l'invenzione dei superconduttori che mantengono le loro proprietà a temperatura ambiente, le fantastiche macchine volanti che vediamo nei film "Ritorno al futuro", "Minority Report" e "Star Wars" diventino una realtà.
In linea di principio, è abbastanza concepibile che una persona possa indossare una cintura speciale fatta di magneti superconduttori, che gli permetterà di levitare liberamente sopra il suolo. Con una cintura del genere, si potrebbe volare in aria, come Superman. In generale, la superconduttività a temperatura ambiente è un fenomeno così notevole che l'invenzione e l'uso di tali superconduttori è descritto in molti romanzi di fantascienza (come la serie di romanzi sul Ringworld, creata da Larry Niven nel 1970).
Per decenni, i fisici hanno cercato senza successo sostanze che avessero superconduttività a temperatura ambiente. È stato un processo noioso e noioso: cercarlo per tentativi ed errori, testare un materiale dopo l'altro. Ma nel 1986 è stata scoperta una nuova classe di sostanze, chiamate "superconduttori ad alta temperatura"; queste sostanze acquisivano superconduttività a temperature dell'ordine di 90 ° sopra lo zero assoluto, o 90 K. Questa scoperta divenne una vera sensazione nel mondo della fisica. La camera di equilibrio sembrava essersi aperta. Mese dopo mese, i fisici hanno gareggiato tra loro per stabilire un nuovo record mondiale di superconduttività. Per un po 'è sembrato persino che la superconduttività a temperatura ambiente stesse per scomparire dalle pagine dei romanzi di fantascienza e diventare una realtà. Ma dopo diversi anni di rapido sviluppo, la ricerca nel campo dei superconduttori ad alta temperatura ha iniziato a rallentare.
Attualmente, il record mondiale per i superconduttori ad alta temperatura appartiene alla sostanza, che è un ossido complesso di rame, calcio, bario, tallio e mercurio, che diventa superconduttore a 138 K (-135 ° C). Questa temperatura relativamente alta è ancora molto lontana dalla temperatura ambiente. Ma anche questo è un traguardo importante. L'azoto diventa liquido a 77 K e l'azoto liquido costa circa lo stesso del latte normale. Pertanto, per raffreddare i superconduttori ad alta temperatura, è possibile utilizzare l'azoto liquido ordinario, è poco costoso. (Ovviamente, i superconduttori che rimangono tali a temperatura ambiente non richiedono alcun raffreddamento.)
Un'altra cosa è spiacevole. Attualmente, non esiste una teoria che spieghi le proprietà dei superconduttori ad alta temperatura. Inoltre, un fisico intraprendente che saprà spiegare come funzionano riceverà un premio Nobel. (Nei ben noti superconduttori ad alta temperatura, gli atomi sono organizzati in strati distinti. Molti fisici suggeriscono che è la stratificazione del materiale ceramico che consente agli elettroni di muoversi liberamente all'interno di ogni strato, creando così la superconduttività. Ma come e perché ciò avvenga è ancora un mistero).
La mancanza di conoscenza costringe i fisici a cercare nuovi superconduttori ad alta temperatura alla vecchia maniera, per tentativi ed errori. Ciò significa che la famigerata superconduttività a temperatura ambiente può essere scoperta in qualsiasi momento, domani, tra un anno o mai. Nessuno sa quando verrà trovata una sostanza con tali proprietà e se verrà trovata.
Ma se i superconduttori vengono scoperti a temperatura ambiente, è probabile che la loro scoperta generi un'enorme ondata di nuove invenzioni e applicazioni commerciali. I campi magnetici un milione di volte più forti del campo magnetico terrestre (che è 0,5 gauss) possono diventare comuni.
Una delle proprietà inerenti a tutti i superconduttori è chiamata effetto Meissner. Se metti un magnete su un superconduttore, il magnete si librerà nell'aria, come se fosse sostenuto da una forza invisibile. [La ragione dell'effetto Meissner è che il magnete ha la proprietà di creare una propria "immagine speculare" all'interno del superconduttore, in modo che il magnete reale e il suo riflesso inizino a respingersi a vicenda. Un'altra spiegazione grafica di questo effetto è che un superconduttore è impenetrabile a un campo magnetico. In un certo senso spinge fuori il campo magnetico. Pertanto, se si posiziona un magnete su un superconduttore, le linee di forza del magnete saranno distorte al contatto con il superconduttore. Queste linee di forza spingono il magnete verso l'alto, facendolo levitare.)
Se l'umanità ha l'opportunità di utilizzare l'effetto Meissner, allora si può immaginare l'autostrada del futuro con un rivestimento di ceramiche così speciali. Quindi, con l'aiuto di magneti posizionati sulla nostra cintura o sul fondo dell'auto, possiamo magicamente librarci sulla strada e correre verso la nostra destinazione senza alcun attrito o perdita di energia.
L'effetto Meissner funziona solo con materiali magnetici come i metalli, ma i magneti superconduttori possono essere utilizzati anche per far levitare materiali non magnetici noti come paramagneti o diamagneti. Queste sostanze da sole non sono magnetiche; li acquisiscono solo in presenza e sotto l'influenza di un campo magnetico esterno. I parametri sono attratti da un magnete esterno, i diamagneti sono respinti.
L'acqua, ad esempio, è un diamagnetico. Poiché tutti gli esseri viventi sono fatti di acqua, anch'essi possono levitare in presenza di un potente campo magnetico. In un campo con un'induzione magnetica di circa 15 T (30.000 volte più potente del campo magnetico terrestre), gli scienziati sono già riusciti a far levitare piccoli animali come le rane. Ma se la superconduttività a temperatura ambiente diventa una realtà, sarà possibile sollevare nell'aria grandi oggetti non magnetici, sfruttando le loro proprietà diamagnetiche.
In conclusione, notiamo che i campi di forza nella forma in cui la letteratura di fantascienza li descrive solitamente non concordano con la descrizione delle quattro interazioni fondamentali nel nostro Universo. Ma si può presumere che una persona sarà in grado di imitare molte delle proprietà di questi campi immaginari utilizzando schermi multistrato, comprese finestre al plasma, tende laser, nanotubi di carbonio e sostanze con trasparenza variabile. Ma in realtà, un simile scudo può essere sviluppato solo in pochi decenni, o addirittura in un secolo. E se si scopre la superconduttività a temperatura ambiente, l'umanità avrà l'opportunità di utilizzare potenti campi magnetici; forse, con il loro aiuto, sarà possibile sollevare auto e treni in aria, come si vede nei film di fantascienza.
Tenendo conto di tutto ciò, classificherei i campi di forza come classe I di impossibilità, cioè li definirei come qualcosa di impossibile per le tecnologie odierne, ma implementato in una forma modificata entro il prossimo secolo circa.
