Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

Советский академик, Герой Социалистического Труда Ландау был избран членом Лондонского королевского общества, членом Датской и Нидерландской академий наук, Национальной академии наук США, Американской академии наук и искусств.

Трудно назвать область современной физики, в которую Ландау не внес бы существенный вклад. Физика твердого тела и теория космических лучей, квантовая теория поля и физика ядра, физика элементарных частиц… Он опубликовал свыше 120 научных работ.

Благодаря его работам возник ряд новых научных направлений. Подобно цепной реакции, они вызвали сотни и тысячи теоретических и экспериментальных исследований.

Одной из наиболее значительных работ Ландау является созданная им в 1941 году теория сверхтекучести гелия И.

Теория Ландау дала полную картину всех исследованных к тому времени свойств гелия II и подсказала ряд новых явлений.

Приступая к решению загадок «солнечного газа», Ландау начал с изучения кривой зависимости теплоемкости жидкого гелия от температуры, которую в течение трех десятилетий с удивлением созерцали многие исследователи разных стран.

Взглянем и мы с вами, читатель, на эту кривую. В окрестности перехода гелия I в гелий II она удивительно напоминает греческую букву лямбда.

Поэтому температуру перехода жидкого гелия из одного состояния в другое принято называть лямбда — точкой.

По обе стороны лямбда — точки. Скупые линии графика бесстрастно регистрируют поразительные изменения удельной теплоемкости жидкого гелия в лямбда — точке.

Вправо от этой точки гелий ведет себя как обычная классическая жидкость. Влево — он приобретает удивительное свойство, сверхтекучесть.

Переход вещества из одного состояния в другое — явление далеко не новое в природе.

Простейший пример — вода, которая предстает перед нами в трех обличиях: в твердом состоянии — лед, в жидком — собственно вода и, наконец, в виде пара.

В науке такие превращения получили название фазовых переходов.

Повседневно наблюдаемые переходы, при которых происходит кипение, плавление или затвердевание вещества, сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Это и есть та цена, которой приходится расплачиваться за перевод вещества из одного состояния в другое. При этом объем тела изменяется скачкообразно.

Однако переход гелия I в гелий II происходит без скрытой теплоты.

Такие переходы были известны и ранее, например, при резком изменении магнитных свойств вещества при определенной температуре. В отличие от обычных переходов, связанных со скрытой теплотой, они получили название фазовых переходов второго рода.

Ландау был первым физиком, детально исследовавшим природу фазовых переходов и создавшим теорию этих переходов.

Он показал, что при фазовых переходах второго рода действительно не должна выделяться скрытая теплота, а объем тела будет изменяться непрерывно. При этом должны скачкообразно изменяться вторичные термодинамические параметры: теплоемкость, сжимаемость и другие.

Экспериментальные данные измерений феноменального скачка теплоемкости и некоторых других параметров в точке перехода гелия I в гелий II блестяще подтвердили теоретические расчеты Ландау.

Так была разгадана первая загадка «солнечного газа»: преобразование гелия I в гелий II есть фазовый переход второго рода.

Теперь ученому предстояло, подобно герою старой сказки, разгадать еще ряд загадок возрастающей сложности.

— Удивительная метаморфоза гелия при температуре 2,2К, — рассуждал ученый, — не просто фазовый переход второго рода. Это качественно новое явление: классическая жидкость превращается в квантовую жидкость.

Что такое квантовая жидкость?

В микромире электронов, атомных ядер, атомов и молекул действуют свои закономерности, которые невозможно описать законами обычной (классической) механики, установленными на основании изучения движения тел большой массы.

В этом микромире целый ряд физических величин при определенных условиях могут принимать только дискретный (прерывистый) ряд значений, то есть они, как говорят физики, квантуются.

Отсюда и произошло название квантовой механики, возникшей в середине двадцатых годов новой отрасли теоретической физики, изучающей законы микромира.

Другой важный принцип квантовой механики заключается в так называемом соотношении неопределенностей, согласно которому чем точнее фиксировано положение частицы в пространстве, тем больше разброс ее скорости.

Можно представить себе, что произошло, если бы принцип неопределенности оказывал существенное влияние и на события, происходящие в окружающем нас макромире.

Предположим, что мы с вами находимся на железнодорожном вокзале.

«Поезд Москва — Ленинград отправляется в двадцать два часа пятнадцать минут со второй платформы», — объявляет диктор радиоузла.

Итак, положение «материальной частицы» в пространстве, в данном случае железнодорожного состава, определено точно. При этом условии в соответствии с принципом неопределенности никто не смог бы определить скорость поезда, а следовательно, время его прибытия на конечный пункт.

Более того, поезд вместо Ленинграда мог бы очутиться, например, в Кременчуге.

Впрочем, если поезд действительно опаздывает либо груз засылается не по назначению (а такие случаи еще, к сожалению, наблюдаются), железнодорожникам не следует оправдываться ссылкой на квантовую механику.

Принцип неопределенности действует только в микромире, а тела «больших» масс, с которыми нам приходится встречаться в обыденной жизни, полностью подчиняются законам классической механики, которые человечество твердо усвоило еще во времена Ньютона.

Однако своенравные обитатели микромира не подчиняются твердому расписанию.

С понижением температуры постепенно «замерзают» все виды теплового движения частиц.

Наконец, при абсолютном нуле температуры всякое движение должно прекратиться и частицы должны находиться в абсолютном покое, каждая на своем месте. Следовательно, при абсолютном нуле температуры любое вещество должно было бы неминуемо перейти в твердое состояние.

Такую картину можно себе представить на основе законов классической физики. Однако, как мы уже знаем, именно в микромире действует принцип неопределенности.

Попытка локализировать частицу приводит к появлению у нее скорости. А это значит, что и при абсолютном нуле температуры частицы не могут оставаться в покое. Они совершают колебания, которые так и называются: нулевые колебания.