Наум Рейнов - Физики — учителя и друзья

Для чего нужна лаборатория низких температур, мы, конечно, приступая к ее созданию, представляли себе ясно. Изучая структуру какого-либо вещества, ученые исследуют его и в обычном состоянии и подвергают давлению — высокому и сверхвысокому, нагревают, плавят, переводят в газообразное и даже плазменное состояние. С каждым днем методы исследований становятся все тоньше и сложнее, появляются все новые хитроумные методики. Времена, когда можно было сделать открытие с помощью стеклянной колбы, куска пециина и электрометра, увы, миновали. Но сколь ни хитры способы исследований, они не помогут узнать о веществе все, интересующее нас, если мы не проведем эти работы и в условиях глубокого холода.

Когда мы нагреваем исследуемое вещество, тут как будто нет предела, вопрос лишь в том, каковы наши технические возможности и чего мы хотам достигнуть. Температура плазмы, например, определяется миллионами градусов. Охлаждению же природа поставила жесткий предел, переступить который невозможно. Это абсолютный нуль, или —273,16° по Цельсию. И вот, чем ближе к данной точке, тем больше интересного обещает исследование. Когда вещество охлаждается до температур сверхнизких, приближающихся к абсолютному нулю, в нем практически прекращается тепловое движение. Если при обычной комнатной температуре движение атомов и молекул носит хаотический характер, скрывающий многие интересные явления, происходящие в веществе, то с прекращением движения их уже можно наблюдать. Это относится и к тонким физическим явлениям, зависящим от энергии взаимодействия между частицами; такие явления настолько малы, что при обычных температурах их просто не измерить.

Исследования в глубоком холоде позволили открыть новые удивительные свойства вещества. Одно из них — сверхпроводимость металлов и сплавов, исчезновение у них электрического сопротивления. Это уже сулит огромные возможности для техники. Известно, что при передаче электрической энергии на расстояние значительная часть ее теряется именно из-за сопротивления, уходит на ненужное и вредное нагревание проводов. Порой приходится создавать дорогие и сложные приборы, снимающие перегрев. Потери энергии от электросопротивления ставят предел возможности передавать ее на очень дальние расстояния вообще. В конце концов сопротивление может поглотить всю энергию. Однако, если передавать ее по линиям из сверхпроводящих материалов, такие ограничения совершенно исчезнут, расстояния перестанут играть существенную роль. Уже это одно делает изучение сверхпроводимости исключительно заманчивым.

Скажу еще о другом явлении, тоже возникающем в глубоком холоде. Это сверхтекучесть гелия. Охлажденный до 2,19° по Кельвину, гелий переходит в новое состояние, когда жидкость может без всякого трения проникать через любые мельчайшие, микроскопические поры. Вязкость ее уменьшается в тысячи раз и практически исчезает. Это качество тоже может хорошо послужить в технике.

Перечислить все возможности, открывающиеся перед наукой и техникой при использовании низких температур, теперь уже просто трудно. В глубоком холоде, например, можно получать чистые газы, разделять газы на фракции и т. д.

Поведение различных материалов при низких температурах мы изучали и до войны, в частности в эльбрусских экспедициях. Со временем важность таких исследований возросла. В глубоком холоде свойства материалов сильно меняются. Одни становятся хрупкими, у других, наоборот, возрастает пластичность, они делаются более прочными. Появились новые области науки — низкотемпературное материаловедение и низкотемпературная электроника. Они должны ответить на многочисленные вопросы, возникающие у создателей космических аппаратов и приборов.

В то время, когда мы приступили к организации своей лаборатории, первый искусственный спутник Земли еще не взлетел в космос, но ученые уже думали о нем, работали над ним, так что их вопросы к низкотемпературному материаловедению настоятельно требовали ответа. Знание физических свойств, которыми обладают в глубоком холоде твердые тела, позволяет создавать и новые материалы с заранее заданными качествами.

Можно перечислить немало замыслов и проектов, казавшихся в наши молодые, годы чистой фантастикой и блестяще осуществленных уже на наших глазах. Этому в большой мере способствовали исследования в области низких температур.

В наши дни радиосвязь осуществляется на космических расстояниях во многие миллионы километров, а возможным это стало благодаря использованию глубокого холода, помогающего избавляться от теплового» шума, который при обычных условиях создают детали приборов. Или возьмем, к примеру, быстродействующие радиоэлектронные устройства. Чтобы разрабатывать такие приборы, необходимо знать электрические и магнитные свойства металлов, полупроводников и диэлектриков в условиях низких температур.

Глубокий холод работает и тогда, когда нужно добиться особенно большого разрежения воздуха, без чего нельзя наладить гигантские ускорители элементарных частиц. Да и мало ли где еще нужны низкие и сверхнизкие температуры.

Во втором десятилетии нашего века в мире была известна лишь одна лаборатория низких температур — Лейденская в Голландии. В ней удавалось достигать холода в 90° по Кельвину (—183 °C). Потом был получен жидкий водород, с помощью которого температура доводилась уже до —253°, и, наконец, сжиженный гелий, позволяющий при нормальном давлении понижать температуру до 4,2° К (— 269 °C).

Не буду здесь описывать методы, с помощью которых газы переводят в жидкое состояние. Эти методы довольно сложны, хотя и не представляют для ученых чрезмерных трудностей. Поэтому количество низкотемпературных лабораторий во всем мире начало быстро расти. В нашей стране на рубеже 1940—1950-х годов существовало два низкотемпературных центра: один в Институте физических проблем в Москве, другой— в харьковском Физтехе. Туда я и решил поехать, прежде чем начать строительство лаборатории в Ленинграде. Надо было постигнуть премудрость работы с низкими температурами, позаимствовать опыт, определить тематику, наконец раздобыть сложное оборудование. С такими надеждами я и начал свои путешествия.

Меня очень хорошо приняли в Москве, показали все приборы и машины, работавшие в лаборатории низких температур, обещали помочь в выборе тем для исследований, которые мы сможем начать, оборудовав свою лабораторию в Ленинграде. Бывая на предприятиях и в научных институтах, я давно подметил одно характерное явление. Предприятия часто страдают от недостатка смелой технической инициативы, в институтах же, наоборот, инициатива почти всегда в избытке. Идей, тем для исследований хоть отбавляй, дело лишь за возможностью их осуществления. И вот институты охотно делятся своими замыслами с производственниками.