Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

Вторая область — это область изучения конденсированного состояния. По своей общности основные идеи квантовой теории, конечно, должны покрывать явления, происходящие в окружающих нас веществах, где атомы и молекулы, взаимодействуя между собой, образуют газы, жидкости и твердые тела. Но оказывается, когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая природа процессов не может обычно выявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощутимы. Это также, как если бы на качающемся в море корабле мы вздумали изучать на биллиардном столе законы соударений шаров. Очевидно, эта затея осуществима только тогда, когда море спокойно. Так и при изучении квантовой природы явлений течения процессов, происходящих в конденсированном состоянии. Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движение атомов достаточно мало. Отсюда очевиден тот большой интерес в физике к изучению явлений в веществе при очень низких температурах — той области явлений при температуре жидкого гелия, о которой я буду рассказывать.

Чтобы более конкретно иллюстрировать эту мысль, позвольте показать вам очень простой опыт (см. рисунок). Хотя это только грубая иллюстрация сказанного, но, я думаю, она позволяет тем из вас, кто не привык к представлениям о тепловом движении, несколько более конкретно его себе представить. В проекционный фонарь вставлена рамка 1, в которой между двумя параллельными стеклами положено несколько десятков шариков от велосипедных подшипников. На рисунке они видны в виде черных кружочков. Эта рамка подвешена на ряде пружинок 2 к другой рамке 3 так, что может колебаться в своей собственной плоскости.

Посредством шатуна 4 и кривошипа 5, сидящих на оси маленького электромотора 6, рамку можно заставить совершать горизонтальные колебания. При этом, как вы видите, шарики начнут бегать между стеклами. Их движение напоминает собой движение атомов при тепловом возбуждении. Чем быстрее мы заставляем колебаться рамку, тем скорее бегают шарики, и тем картина движения ближе соответствует более высокой температуре.

Теперь обратите внимание на некоторую деталь в конструкции рамки. В нижней ее части поставлен ряд перегородок 7, отделяющих от общего пространства шесть ямок. При небольших колебаниях рамки шарики, заключенные в каждой ямке, бегают только в них, и их движение не сказывается на движении шариков в соседних ямках. Это состояние изображено на верхнем рисунке. При быстром движении рамки, т. е. как бы при высокой температуре, мы получаем картину, изображенную на нижнем рисунке. Траектории шариков заполняют при своем движении всю рамку, и присутствие перегородок, образующих ячейки, как бы совсем не сказывается на этом движении.

Предположим теперь, что перед нами стоит обратная задача — обнаружить по движению шариков существование этих ямок, стенки которых были бы сделаны из прозрачного, невидимого материала. Очевидно, что мы могли бы это сделать, только изучая движение при малых колебаниях или покачиваниях рамки, т. е. при низкой температуре.

То же происходит и при изучении квантовых свойств в конденсированном состоянии. Ограничения движения шариков, которые накладываются перегородками рамки в нашей модели, несколько напоминают те, которые квантовая природа явлений накладывает на процессы в конденсированном состоянии атомов. При достаточно низкой температуре квантовая природа взаимодействия между атомами может проявить ряд физических явлений, которые при более высокой температуре не наблюдаются. Отыскание этих явлений и представляет тот исключительный интерес изучения свойств вещества при температурах, близких к абсолютному нулю.

Ожидания открытий новых свойств вещества при низких температурах уже себя оправдали. Еще в самом начале было обнаружено аномальное поведение теплоемкости тел и газов при низких температурах, которое, как показали Дебай и Эйнштейн, может быть объяснено квантовой теорией.

Согласно квантовой теории теплоемкость тел вблизи абсолютного нуля должна приблизиться к нулю; и действительно, например, в области температур, где мы работали, от 0 до 4° К, теплоемкость большинства тел в десятки тысяч раз меньше, чем при комнатной температуре. Интересно отметить, что только благодаря этому свойству вещества и возможно осуществлять те охлаждения, которые необходимы для экспериментальных работ при низких температурах. Дело в том, что жидкий гелий обладает очень малой теплотой испарения: она более чем в 1000 раз меньше, чем теплота испарения такого же объема воды. Подсчеты показывают, что при такой малой теплоте испарения практически невозможно было бы охлаждать тела, если бы они сохраняли ту же теплоемкость, которую они имеют при комнатной температуре. Исследование физических явлений в области самых низких температур было начато Камерлинг-Оннесом, когда после больших трудов, в 1908 г. ему удалось впервые ожижить гелий.

Гелий был наиболее трудно сжижаемым газом. Это объясняется тем, что атомы его чрезвычайно симметричны и испытывают очень малые силы притяжения друг к другу. При нормальном давлении его точка ожижения отстоит только на 4,2° от абсолютного нуля. Подвергая гелий испарению путем понижения давления, можно понизить его температуру до 0,8° от абсолютного нуля. Дальнейшее понижение температуры возможно недавно разработанным методом размагничивания парамагнитных солей. Так удалось подойти до нескольких тысячных градуса к абсолютному нулю. Можно надеяться, что в дальнейшем к абсолютному нулю можно будет подойти еще ближе, но достигнуть его принципиально невозможно.

Из ряда исключительно интересных физических явлений, наблюдаемых при низких температурах, пожалуй, самое интересное — сверхпроводимость, явление, о котором вы, несомненно, слыхали. Оказывается, при некоторой очень низкой температуре некоторые металлы полностью теряют свое электрическое сопротивление. Ток, возбужденный в металле, может циркулировать сколь угодно долго, если металл остается при необходимо низкой температуре.

Это явление движения без трения электричества в проводах, как показывает существующая теория, противоречит нашим обычным взглядам на движение электронов (носителей электричества в металле) через кристаллическую решетку, так как это движение нормально должно происходить с потерей энергии.

Несмотря на ряд очень интересных попыток создать теорию этого явления, до сих пор еще этого никому не удавалось. Среди физиков существует единодушное мнение, что это явление обязано своим существованием квантовой природе явлений при низких температурах, но как оно ею обусловлено, до сих пор остается необъясненным [ 2 ] Квантовая теория сверхпроводимости была построена лишь в 1957 г. Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шрифером .