Яков Смородинский - Воспоминания о Л. Д. Ландау

Отсюда Капица сделал смелый вывод, что в действительности гелий II течет как жидкость, вообще не имеющая вязкости, и предложил назвать это явление сверхтекучестью. Тогда же им было высказано предположение, что «сверхтеплопроводность» жидкого гелия представляет собой в действительности не его первичное свойство, а является следствием сверхтекучести, приводящей к легкому возникновению конвективных потоков.

В последующие несколько лет П. Л. Капица провел обширное экспериментальное исследование механизма теплопередачи в жидком гелии в свете его сверхтекучести. Эти исследования привели к установлению основных свойств данного явления и дали надежное основание для построения теории сверхтекучести.

Упомянем здесь лишь некоторые из наиболее наглядных опытов. Было обнаружено, что если перед отверстием сосуда, наполненного жидким гелием (и погруженного в жидкий гелий), подвесить легкое крылышко, то при нагревании гелия в сосуде крылышко отклоняется (рис. 1). Тем самым непосредственно доказывается связь процесса теплопередачи в гелии с возникновением движения в нем. Но это движение имеет весьма парадоксальный характер: пз отверстия вырывается струя жидкости, отклоняющая крылышко, и в то же время количество жидкости в сосуде не меняется, он остается полным. Таким образом, необходимо было предположить, что одновременно с вытекающей струей имеет место также и какой-то «противоток» жидкости. Однако не менее парадоксальным представлялся и другой аспект этого явления. Опыт показал, что вытекающая из отверстия струя жидкости оказывает на сосуд реактивное действие (рис. 2). Реактивная сила исчезла, когда перед отверстием устанавлпвалась жестко скрепленная с сосудом заслонка, принимавшая на себя удар струи. Дело обстоит так, как если бы втекающий «противоток» сам по себе никакого механического воздействия на сосуд не оказывал.

Мы описалп выше основной опыт Капицы, приведший к открытию сверхтекучести. Но примерно в то же время исследователи в Торонто и Лейдене измеряли вязкость жидкого гелия другим способом. Подвешенный в жидкости цилиндр (или диск) совершал крутильные колебания вокруг своей осп, и мерой вязкости жидкости служило трение, приводящее к торможению колебаний. При этом у гелия II была обнаружена хотя и небольшая, но вполне измеримая вязкость. Между тем у всякой обычной жидкости оба опыта должны были бы привести к одинаковому результату.

Таковы основные факты, которые предстояло теоретически объяснить. Это было сделано в 1940—1941 гг. Львом Давидовичем Ландау, создавшим последовательную теорию сверхтекучести, основанную на принцппах квантовой механики. Замечательна та полнота, с которой эта теория была создана с самого начала: уже в первой статье Ландау содержатся почти все основные идеи как микроскопической теории жидкого гелия, так и построенной на ее основе макроскопической теории — термодинамики и гидродинамики этой жидкости.

В основе теории Ландау лежит представление об элементарных возбуждениях пли «квазичастицах» как носителях тепловой энергии жидкости. Читателям «Природы» это понятие известно из ряда уже публиковавшихся в этом журнале статей [83] См., например: Природа. 1958. № 5. С. 11—20. . Поэтому здесь будет достаточно лишь напомнить, что квазичастица — чисто квантовое понятие, с помощью которого в квантово-механической картине описывается коллективное движение атомов тела. Так, вместо классического представления о звуковых волнах в жидкости возникает представление о квазичастицах-фононах, т. е. «квантах звука» (подобно тому как классическая картина электромагнитных волн заменяется в квантовой теории картиной световых квантов — фотонов). Каждая квазичастица обладает определенной энергией ε и определенным импульсом р; о зависимости ε от р говорят как об энергетическом спектре тела. Это основная характеристика макроскопического тела в квантовой теории.

Именно Ландау впервые поставил вопрос об энергетическом спектре макроскопического тела в таком наиболее общем виде, и он же нашел характер спектра для квантовой жидкости того сорта, каким является жидкий гелий. Основные свойства этого спектра были указаны уже в работе 1941 г., а окончательный его вид установлен через несколько лет, в 1947 г.

На рис. 3 изображен знаменитый график энергетического спектра жидкого гелия. Его начальная, прямолинейная часть отвечает зависимости ε = up , где u — скорость звука; это — фононы. Квазичастицы, отвечающие участку кривой вблизи ее минимума, названы ротонами. Фундаментальное значение имеет факт существования на графике начального линейного участка, выходящего из начала координат под конечным углом. Именно это обстоятельство и приводит, как показал Ландау, к свойству сверхтекучести жидкости. Установление вида энергетического спектра жидкого гелия, исходя из одних только общих соображений и косвенных экспериментальных данных, — триумф научной интуиции и силы научного воображения.