Борис Смагин - Вблизи абсолютного нуля

Есть еще один прекрасный окислитель. Но вот беда — связываться с ним очень неприятно.

Мы уже встречались с инертными газами. Не правда ли — удобные вещества? Можно за них не беспокоиться. Поместить в любой сосуд, оставить по соседству с любым веществом. Ничего не случится.

Но существует очень деятельный элемент, пожалуй, самый ехидный элемент на свете. Имя ему — фтор. Это — все разъедающий газ. Он вступает в реакцию с чем угодно и когда угодно. Чтобы хранить фтор, придумывают специальные сосуды из парафина или покрывают стенки сосудов особыми оболочками из соединений фтора. С ними он уже не может соединяться. Одним словом, хлопот этот газ доставляет очень много.

От фтора могут пострадать не только уголь или дерево, стекло, бетон, несгораемый асбест. Даже вода и та иногда загорается, если поблизости появится фтор. Ко всем прочим прелестям фтор еще очень ядовит. Вот почему жидкий фтор используется не так уж часто.

Низкими температурами занимаются давно. Даже сверхпроводимости уже стукнуло пятьдесят лет. Вполне солидный возраст.

Ученые всего мира изучают эту таинственную область, следят за поведением веществ, попавших в опасную близость абсолютного нуля, ищут новые способы понижать, измерять и удерживать температуру.

Самый главный научный центр, где занимаются сверххолодом, находится в нашей стране.

На одной из улиц Москвы в тени деревьев стоит небольшое здание. Физики всего мира, занимающиеся сверхнизкими температурами, хорошо знают этот дом. Здесь находится Институт физических проблем Академии наук СССР, здесь работают замечательные ученые, пионеры физики сверхнизких температур.

В институте много рабочих помещений. Входишь в комнату, в каждой — разнообразные приборы, различное оборудование — как будто ничего общего. Кроме одного: везде стоят дьюары, дымится жидкий газ — азот, водород, гелий. Чаще ученые работают с жидким гелием: ведь их интересуют самые низкие температуры.

Но вот мы увидели совершенно пустую комнату. Ни одного прибора. Сидят люди за столами, пишут что-то на бумаге. Никаких опытов, никаких установок. Вроде ничего интересного. А между тем именно здесь физики-теоретики изучают чудеса сверххолода. Изучают и объясняют.

В Институте физических проблем работает замечательный советский физик академик Д. А. Ландау. Можно сказать, что он самый видный советский физик-теоретик. В 1963 году академику Ландау вручили сразу две крупнейшие премии: Ленинскую — высшую премию в нашей стране и Нобелевскую — высшую мировую премию по физике за 1962 год. Нобелевский комитет заявил, что Ландау получает премию за работы по сверхтекучести гелия.

Вот об этих работах мы и поговорим.

Но разговор придется начать издалека. Примерно с того места, где мы вообще начали рассуждения о веществе и температуре. При сверхнизких температурах происходят различные чудесные превращения. Но случайно ли это? Конечно, нет. Ученые давно предвидели, что вблизи абсолютного нуля должно начаться нечто необычайное. Предвидеть предвидели, а вот объяснили не сразу.

Любое вещество состоит из множества атомов и молекул. В том, как оно себя ведет, виноваты именно молекулы. Ведь от движения молекул зависят и температура и выбор, чем быть веществу — твердым телом, жидкостью, газом, плазмой.

При высоких температурах молекулы движутся очень быстро, взаимодействие между ними невелико, им можно пренебречь. Но чем температура тела меньше, тем большее значение приобретает именно взаимодействие частиц. Тут-то и проявляются некоторые тонкие свойства вещества. Когда молекулы движутся быстро, эти свойства остаются незамеченными. Но когда температура приближается к абсолютному нулю, нужно вспомнить, что любое вещество состоит из отдельных молекул и что молекулы и атомы живут своеобразной жизнью. Причем многое из того, что с ними происходит, случается как раз из-за взаимодействия, из-за сложной связи друг с другом.

Советский писатель Даниил Данин написал замечательную книгу о современной физике. Называется она — «Неизбежность странного мира». Данин рассказывает в своей книге о «странном мире» атомов, о каких-то, на первый взгляд, несообразных законах, которым они подчиняются. «Свод законов» для атомов называется квантовой механикой. Это уже третий в нашем рассказе. Первому подчинялись все молекулы, второму — газы. А теперь настала очередь атомов. Мир атомов, оказывается, тоже особенный мир. Скажем, частица, вырываясь из недр атома, совершает «туннельный переход». Это что-то вроде лыжника, который, вместо того чтобы перевалить через гору, странным неведомым путем оказывается на другой стороне ее, минуя вершину. Мы с вами такого чуда совершить не сможем. А для частицы это вполне доступное путешествие. Или, например, такой запрет — измерил скорость частицы, но не можешь определить, где она находится. Для обычной классической механики, к которой люди привыкли на протяжении столетий, квантовая механика кажется наукой наоборот. Но что поделаешь, такова природа микромира — «странного мира» мельчайших частиц вещества.

Чем больше энергия частиц, чем выше температура тела, тем ближе законы, определяющие их совместное поведение к обычным законам механики — науки, изучающей движение тел. А самый главный закон — основа квантовой механики и вообще квантовой теории — состоит вот в чем. Энергия, о которой мы много говорили, передается от одного тела к другому только определенными порциями — квантами. Это напоминает наши денежные расчеты. Нельзя заплатить за карандаш 3,5 копейки. Или 7 1/4 копейки. Меньше, чем копейка, меры денег у нас нет. Так и в обращении между молекулами и атомами. Они могут передавать энергию только определенными порциями. Самая маленькая порция называется квантом. Можно отдать или получить три кванта, десять квантов, тринадцать квантов. Но нельзя отдать, скажем, два с половиной Кванта.

Квантовая теория замечательно объяснила многие совершенно непонятные факты. Она изучает не только поведение отдельных частиц, но и вещества в целом. Когда атомов или молекул много, да еще температура высокая, мы не чувствуем многих тонких квантовых эффектов. Зато, когда температура понижается, их становится все больше. Вот почему при сверхнизких температурах и оказалось столько чудесного. Движутся частицы медленно, почти замерли. Уже нельзя пренебрегать их взаимодействием. Тут-то квантовые законы сильны, как нигде. Частицы объединяются, двигаются вместе. Ученые образно назвали эти объединения ансамблями. Это не молекулы и не сборища одинаковых молекул — вещество, а просто временные объединения частиц.