Яков Смородинский - Воспоминания о Л. Д. Ландау

В экспериментальном аспекте прямо© подтверждение предложенного Ландау спектра было дано в 1961—1964 гг. в опытах (проведенных в Швеции и США) по рассеянию нейтронов в жидком гелии. Эти опыты (описанные недавно в «Природе» М. И. Кагановым [84] См.: Природа, 1967. № 3. С. 11-18. ) дают возможность непосредственного измерения энергии и импульса отдельных квазичастиц. Их результаты оказались в блестящем не только качественном, но и количественном согласии с кривой Ландау, построенной на основании совершенно иных данных — результатов измерения тепловых характеристик жидкости. Интересно, что опыты по рассеянию нейтронов подтверждают, по-видимому, также и еще одно теоретическое предсказание: в 1959 г. Л. П. Питаевский при помощи разработанных к этому времени новых мощных методов статистической физики показал, что линия спектра должна обрываться при определенной энергии, имея в этой точке горизонтальную касательную.

В теоретическом аспекте большое значение имела опубликованная в 1947 г. работа Н. Н. Боголюбова, в которой впервые был дан последовательный вывод энергетического спектра макроскопического тела, исходя, как говорят, из «первых принципов» квантовой механики. Им рассматривалась теоретическая модель газа гелия, в котором частицы предполагаются слабо взаимодействующими друг с другом. Хотя, разумеется, такая модель не может претендовать на количественное сходство с реальной жидкостью, но для нее был получен требуемый качественный результат — начальный линейный участок спектра.

В этой статье не может бытщ конечно, дано сколько-нибудь детального изложения теории Ландау. Мы ограничимся здесь лишь описанием той весьма примечательной картины явлений, к которой эта теория приводит. Следует сказать, что примерно одновременно с Ландау, независимо от него, некоторые качественные представления описываемой ниже картины были высказаны венгерским физиком Л. Тиссой (находившимся в то время в Париже); его статья, опубликованная в 1939 г. во Франции, была получена в СССР в силу условий военного времени лишь в 1943 г.

Всякому, вероятно, представляется само собой разумеющимся, что для описания движения жидкости вполне достаточно указать ее скорость в каждом месте потока. Но уже это, казалось бы, очевидное положение несправедливо для той квантовой жидкости, которой является гелий II. Оказывается, что гелий II может совершать два движения одновременно, так что для описания его течения необходимо указать в каждой точке потока значения не одной, а сразу двух скоростей. Наглядно можно представить себе это поразительное свойство так, как если бы гелий II был смесью двух жидкостей, двух компонент, которые могут двигаться независимо «одна через другую», не испытывая при этом никакого взаимного трения. Но в действительности-то жидкость всего одна, и необходимо подчеркнуть, что эта «двухжидкостная» модель гелия и является не более как удобным способом описания происходящих в нем явлений. Как и всякое описание квантовых явлений в классических терминах, оно не вполне адекватно — совершенно естественная ситуация, если вспомнить, что наши наглядные представления являются отражением того, с чем мы сталкиваемся в обыденной жизни, между тем как квантовые явления проявляются обычно лишь в недоступном нашему непосредственному восприятию микромире.

Каждое из двух одновременно происходящих в жидком гелии движений связано с перемещением определенной части массы жидкости. В этом смысле можно говорить о массах обеих «компонент» гелия II, хотя снова надо подчеркнуть, что такая терминология ни в коем случае не означает реального разделения атомов вещества на две категории. ‘Каждое из двух движений является коллективным свойством большого числа одних и тех же атомов жидкости.

Оба движения совершенно различны по своим свойствам. Одно из них происходит так, как если бы соответствующая «компонента» жидкости не обладала никакой вязкостью; Ландау назвал ее «сверхтекучей компонентой». Другая же компонента, «нормальная», движется так, как вполне обычная вязкая жидкость.

Но этим не исчерпывается различие между двумя видами движения в гелии II. Важнейшее различие состоит в том, что нормальная компонента переносит при своем движении тепло, сверхтекучее же движение вообще не сопровождается каким бы то ни было переносом теплоты. Нормальная компонента — это совокупность распространяющихся в жидкости квазичастиц — фононов и ротонов. В известном смысле можно сказать, что это и есть само тепло, которое, таким образом, становится в жидком гелии самостоятельным, отрываясь от общей массы жидкости и как бы приобретая способность перемещаться относительно некоторого «фона», находящегося при абсолютном нуле температуры. Стоит вдуматься в эту картину, чтобы понять, сколь радикально она отличается от обычного представления о тепле как о хаотическом движении атомов вещества, неотделимом от всей его массы.

Эти представления сразу позволяют объяснить основные результаты описанных экспериментов. Прежде всего устраняется противоречие между измерениями вязкости жидкости по трению, испытываемому вращающимся цилиндром, и по протеканию жидкости через узкие щели. В первом случае цилиндр останавливается благодаря тому, что, вращаясь в жидкости, он испытывает трение о его «нормальную» часть, и мы по существу измеряем вязкость этой компоненты. Во втором же случае через щель протекает сверхтекучая часть гелия, между тем как обладающая вязкостью нормальная компонента задерживается щелью, «просачиваясь» через нее весьма медленно; таким образом, в этом опыте обнаруживается отсутствие вязкости у сверхтекучей компоненты.

Но отсюда следует новый вывод: поскольку сверхтекучее движение не переносит тепла, то при вытекании гелия через щель как бы отфильтровывается жидкость без тепла, а тепло остается в сосуде. В пдеальном пределе достаточно тонкой щели вытекающая жидкость должна была бы находиться при абсолютном нуле. В реальном же опыте следует ожидать, что она будет иметь хотя и не равную нулю, но более низкую, чем в сосуде, температуру. Такого рода явление действительно наблюдалось еще в 1939 г. Доунтом и Мендельсоном,< а Капице, продавливавшему гелий II через пористый фильтр, удалось достичь понижения температуры гелия на 0,3—0,4°; при температурах, составляющих всего 1—2°, это, очевидно, очень большая величина.

Не менее естественно объясняются явления, сопровождающие теплопередачу в гелии. В опыте Капицы при нагревании жидкости в сосуде тепло выходит из него в виде струи нормальной компоненты, которая и отклоняет стоящее перед отверстием крылышко. Но навстречу этой струе в сосуд втекает поток сверхтекучей компоненты, так что реальное количество жидкости в сосуде не меняется.