Федор Кедров - Цепная реакция идей

Капица создает новый тип ожижителей, применив в них вместо детандера, т.е. поршня, турбодетандер — турбину. Этому предшествовало серьезнейшее исследование работы высокооборотных турбодетандеров и решение других сложных задач.

Компактные турбодетандеры Капицы имели высокий коэффициент полезного действия. Применение таких турбодетандеров позволяло также получать большие количества газообразного кислорода из воздуха. Эти работы, в которых проявился многогранный талант Капицы как ученого-физика в инженера, позволили создать новые методы ожижения и разделения газов. Таким образом, существенно изменилось развитие техники получения больших количеств кислорода. Чисто технологическими проблемами получения кислорода Капице пришлось заняться в годы второй мировой войны.

Жидкий гелий был впервые получен голландским физиком лауреатом Нобелевской премии Гейке Камерлинг-Оннесом в начале века. К тому времени уже удалось ожижить все другие газы, в том числе инертные, кроме гелия, оказавшегося самым «неподдатливым» для ожижения. Гелий превращается в жидкость при температуре, близкой к абсолютному нулю, который соответствует — 273,13° Цельсия.

Жидкий гелий сам по себе чрезвычайно интересный объект для изучения. Он служит холодильным агентом для всех исследований, проводимых вблизи абсолютного нуля. В отличие от всех известных газов жидкий гелий не переходит в твердое состояние даже при температурах вплоть до тысячных долей градуса от абсолютного нуля. Его можно превратить в твердое тело только при давлении, начиная от 25 атмосфер. Эти краткие сведения позволяют объяснить то, что многие физики, начиная от самого Камерлинг-Оннеса, с большим увлечением исследовали жидкий гелий. Они надеялись, что именно здесь можно открыть совершенно неожиданные явления, не существующие в обычных условиях.

Одним из блестящих подтверждений этих надежд было открытие самим Камерлинг-Оннесом в своей Лейденской лаборатории существования двух состояний жидкого гелия, в связи с чем и приняты два названия: гелий-I и гелий-II Экспериментально полученные данные глубоко противоречили теоретическим представлениям о теплопроводности. Иначе говоря, объяснить столь высокую теплопроводность с помощью общепринятого механизма теплопроводности оказалось невозможным. Но тепло в жидкостях и газах может передаваться еще посредством так называемых конвекционных потоков.

Если интенсивную передачу тепла в гелии-II нельзя объяснить с точки зрения обычного механизма теплопроводности, то здесь, вероятно, происходит как раз конвекционная передача тепла. Так думал Капица. Он предположил, что в гелии-II легко возникают потоки жидкости, чем и объясняется чрезвычайно большая способность его переносить тепло. Капица подсчитал, что интенсивная передача тепла могла осуществляться только такими конвекционными потоками, которые должны течь с необычной легкостью. Поэтому он предположил (по аналогии со сверхпроводимостью, давно открытой Камерлинг-Оннесом), что гелий-II при сверхнизких температурах представляет «чрезвычайно текучую, т.е. такую жидкость, которая не имеет вязкости».

Тончайшие и остроумнейшие эксперименты Капицы, с помощью которых он измерял вязкость гелия-II, хорошо известны физикам. По осуществленным Капицей измерениям вязкость гелия-II оказалась почти в 10 тысяч раз меньше, чем вязкость наиболее подвижного из известных веществ — жидкого водорода. Вода же обладала в миллиард раз большей вязкостью, чем жидкий гелий.

Капица сделал весьма смелое заключение из своих опытов: гелий-II течет как жидкость, вообще не имеющая вязкости. Он предложил назвать открытое им свойство гелия-II сверхтекучестью. В последующие годы Капица продолжал изучать сверхтекучесть и открыл некоторые поразительные свойства гелия-II. Один из замечательных экспериментов Капицы заключался в том, что перед отверстием сосуда, наполненного жидким гелием (и погруженного в жидкий гелий), подвешивалось легкое крылышко. При нагревании гелия в сосуде крылышко отклонялось.

Тем самым было доказано, что процесс теплопередачи в гелии был связан с возникновением движения в нем. Но это движение носило поразительный и совершенно парадоксальный характер. Из отверстия вырывается струя жидкости, отклоняющая крылышко, но в то же время количество жидкости в сосуде не меняется; сосуд продолжает оставаться полным.

Изучая открытое им явление сверхтекучести, Капица весьма убедительно показал, что в области температур ниже 2,2° Кельвина жидкий гелий состоит из двух компонентов — сверхтекучего и нормального. Сверхтекучий компонент имеет нулевую энтропию, т.е. в определенном отношении представляет собой жидкость, находящуюся при абсолютном нуле.

Явление сверхтекучести привлекло внимание многих советских и иностранных физиков — теоретиков и экспериментаторов. Открытие Капицы стало фундаментом новых открытий.

Сотрудник Капицы выдающийся теоретик академик Л.Д. Ландау (1908...1968) теоретически объяснил сверхтекучесть на основе квантовых представлений и показал, что жидкий гелий — это первая из известных квантовых жидкостей.

Ландау изучал многие явления, связанные со сверхтекучестью, в результате чего он дал полную картину всех известных тогда свойств гелия-II и предсказал некоторые совершенно новые явления, позднее обнаруженные экспериментаторами и подтвердившие правильность идей Ландау. Приведем в качестве примера вывод, сделанный Ландау о существовании в гелии-II, помимо обычного звука, колебаний другого типа, названных им «вторым звуком». Ландау показал, что в противоположность обычному (первому) звуку, представляющему собой в основном колебания давления, во втором звуке основными являются колебания температуры. Ученик Капицы В.П. Пешков позднее экспериментально открыл второй звук в полном количественном согласии с теорией Ландау.

До сих пор явления, связанные со сверхтекучестью гелия, продолжают быть объектом исследования во многих странах. Некоторые наблюдавшиеся Капицей и его сотрудниками эффекты были объяснены лишь через много лет. Примером этому может служить получение новой квантовой жидкости — жидкого изотопа гелия 3He (природный гелий состоит из двух изотопов: 4He и 3He). С теоретической точки зрения квантовая жидкость 3He представляет большой интерес. Теория ее была разработана Л.Д. Ландау в 1956...1957 годах. Это и другие открытия, связанные с жидким гелием, рассматривались Нобелевским комитетом, и в результате Л.Д. Ландау была присуждена Нобелевская премия по физике 1962 года за его «исследования по теории конденсированных сред, особенно жидкого гелия».

В 1969 году по просьбе Королевского общества Капица написал биографический очерк о Ландау — своем близком сотруднике, с которым работал вместе с 1937 года. Он писал о Ландау: «Основная его сила как ученого была в четком и конкретно логическом мышлении, опирающемся на очень широкую эрудицию. Но такой строгий научный подход не мешал ему видеть в научной работе и эстетическую сторону, что приводило Ландау к эмоциональному подходу не только в оценках научных достижений, но и в оценке самих ученых. Рассказывая о научной работе или об ученых, Ландау всегда готов был дать свою оценку, которая обычно бывала остроумной и четко сформулированной. В особенности остроумным Ландау был в своих отрицательных оценках. Такие оценки быстро распространялись и, наконец, доходили до объекта оценки. Конечно, это усложняло для Ландау его взаимоотношения с людьми, в особенности, когда объект критики занимал ответственное положение в академической среде».