Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

Однако мало кто из лейденских жителей мог предполагать, что в этот день — 10 июля 1908 года — в старинных стенах Лейденского университета происходит событие важного научного значения.

Накануне были заготовлены необходимые для начала эксперимента 75 литров жидкого воздуха.

«5 часов 45 минут утра. Установка настроена на сжижение водорода.

13 часов 30 минут. Завершено сжижение 20 литров водорода, необходимых для использования в гелиевом ожижителе.

16 часов 30 минут. Начинается циркуляция жидкого гелия».

Эти короткие, словно строки боевого рапорта, записи в лабораторном журнале отнюдь не отражают подлинную картину волнующих событий, предшествующих покорению последней крепости на пути к абсолютному нулю.

При предварительном охлаждении аппаратуры с помощью жидкого водорода требовалась исключительная осторожность. Случайное проникновение в систему ничтожного количества атмосферного воздуха при осуществлении одной из многочисленных операций поставило бы заключительный эксперимент под угрозу срыва.

Войдя в контакт с жидким водородом, воздух мог бы отвердеть и примерзнуть к стеклу гелиевого сосуда, что помешало бы дальнейшему наблюдению. Но этого не случилось. Тщательно отлаженная аппаратура работала безукоризненно.

Во внутреннем криостате ожижителя в качестве индикатора был размещен особый термометр, показывающий, насколько успешно проходит эксперимент.

В течение длительного времени индикатор почти не смещался, и создавалось впечатление, что нет даже малейшего признака охлаждения. Проводились всевозможные манипуляции с регулированием расширительного клапана и корректировкой давления, пока наконец не было замечено постепенное снижение температуры. Казалось, что температура центрального сосуда падает медленно и скачкообразно, а затем снижение температуры и вовсе прекратилось. И хотя уже был израсходован весь имеющийся в наличии жидкий водород, никакого признака сжижения гелия не наблюдалось.

Трудно описать уныние, охватившее всех участников эксперимента. Похоже было на то, что попытка сжижения гелия потерпела крах.

Между тем университет весь день жил слухами, что идет выдающийся эксперимент, и коллеги Оннес а устремились в его лабораторию, чтобы собственными глазами увидеть, как обстоит дело.

Когда стало казаться, что эксперимент обречен на неудачу, один из профессоров университета высказал догадку, что отсутствие отклонения индикатора объясняется тем, что он погружен в кипящую жидкость.

— Может быть, гелий всё‑таки сжижен, но его просто не видно? — спросил он.

К счастью, одному из участников эксперимента пришла в голову мысль осветить сосуд снизу. И вдруг неожиданно появился уровень жидкости, теперь ясно различимый благодаря отра — женйю света снизу. Центральный сосуд был почти полностью заполнен жидким гелием.

Последняя крепость на пути к абсолютному нулю была взята.

В первом эксперименте было получено более 60 кубических сантиметров жидкого гелия.

Перед завершением опыта Оннес сделал попытку получить гелий в твердом состоянии, осуществляя дальнейшее понижение температуры путем уменьшения давления в объеме, где кипела жидкость. С этой целью он испарял жидкость до тех пор, пока ее осталось лишь 10 кубических сантиметров. Затем подсоединил криостат к сильному вакуумному насосу, понижающему давление над кипящей жидкостью до одной сотой атмосферного. И… никаких признаков затвердения гелия!

В следующем, 1909 году Оннес вернулся к попытке получить твердый гелий. Ему удалось снизить давление пара над жидкостью до двух миллиметров ртутного столба, что соответствовало 1,38К. Затем, используя более мощные вакуумные насосы, он довел давление до 0,2 миллиметра ртутного столба, снизив температуру жидкого гелия до 1,04К. Еще через несколько лет, используя батарею из двенадцати новых диффузионных насосов, он довел температуру до 0,83К. Увы, гелий «не хотел» переходить в твердое состояние даже при таких температурах!

Оннесу не суждено было дожить до того момента, когда эта загадка была окончательно объяснена.

Но интерес Оннеса и его школы к проблеме достижения очень низких температур несколько ослаб после того, как в 1911 году в исследовательской работе Лейденской лаборатории появилось существенно новое направление.

Имея в своем арсенале новую область температур, так называемые «гелиевые температуры», Ка- мерлинг — Оннес приступил к исследованию свойств веществ в температурном интервале от нескольких кельвинов до абсолютного нуля.

Измерение, которое можно было сравнительно легко провести при столь низких температурах, заключалось в определении электрического сопротивления провода. Вопрос о величине электрического сопротивления чистых металлов при низких температурах к тому времени приобрел важное значение.

Немецкий физик Вальтер Нернст высказал предположение, что при понижении температуры электрическое сопротивление чистого металла должно постепенно уменьшаться, совсем исчезая при абсолютном нуле.

Этим же вопросом занимался Дьюар, проводивший измерения при температуре жидкого азота. Он обнаружил, что сопротивление платины при понижении температуры падает с меньшей скоростью, чем предполагалось.

Считалось, что этот результат подтверждает другую теорию, согласно которой носители заряда при абсолютном нуле должны быть прочно связаны с атомами. Следовательно, электрическое сопротивление при самых низких температурах должно быть бесконечно большим.

Итак, существовали две взаимно противоположные точки зрения. Чему же, в конце концов, должно быть равно электрическое сопротивление при абсолютном нуле: нулю или бесконечности? При таких обстоятельствах к попыткам решить эту проблему подключился Камерлинг — Оннес.

Оннес начал эксперименты с той стадии, на которой их окончил Дьюар: он приступил к определению сопротивления платины уже при гелиевых температурах.

Результаты сначала были мало обнадеживающими: они не подтверждали и не опровергали никакую теорию. Электрическое сопротивление ни падало, ни росло при понижении температуры — оно оставалось постоянным. Оннес заметил, что абсолютная величина сопротивления в его экспериментах не зависит от температуры — она меняется от образца к образцу, и чем чище металл, тем ниже сопротивление. Скорее всего, прав был Нернст, решил Оннес, и сопротивление должно уменьшаться при снижении температуры, но этому препятствуют примеси.

Надо уничтожить примеси. Оннес знал, что золото легче очистить от примесей, чем платину, и он приступил к экспериментам с проводами из самого чистого золота, которое ему удалось достать. Хотя полученные при измерениях значения сопротивления были много ниже, чем у платины, однако и на сей раз сопротивление золота падало с увеличением степени его чистоты.