Ирина Радунская - Проклятые вопросы

И Капица подтверждает свою догадку блестящим экспериментом. Он пропускает жидкий гелий сквозь мельчайшие щели и трубки — капилляры, через которые обычная вязкая жидкость если и проходит, то ей нужно затратить на это многие миллиарды лет. А гелий, охлаждённый до 2° выше абсолютного нуля, просочился буквально на глазах, получив «диплом» первой в истории науки сверхтекучей жидкости.

Жидкость без вязкости! Это было одним из поразительных открытий нашего века. Как такая жидкость отнеслась бы к инородному телу, погружённому в неё? Оказала бы ему сопротивление или нет?

И экспериментатор спешит поставить такой опыт: он опускает в жидкий гелий подвешенный на тончайшей нити вращающийся маятник (паучок Капицы). Жидкость без трения, без вязкости не должна остановить его. Но что это? Совершается непонятное: маятник быстро прекращает движение, останавливается… Жидкий гелий повёл себя в этом опыте как самая обычная, тривиальная жидкость.

Есть от чего прийти в смятение! В одном случае (с капилляром) жидкий гелий не имеет вязкости, в другом (с маятником) — имеет. Всё происходит так, как будто одновременно в нём заключены… две жидкости.

Так оно и оказалось. Вот как описал ни на что не похожее поведение жидкого гелия замечательный советский физик, будущий академик Лев Давидович Ландау: «…часть жидкости будет вести себя как нормальная вязкая жидкость, «цепляющаяся» при движении… Остальная же часть массы будет вести себя как не обладающая вязкостью сверхтекучая жидкость».

Так гелий доказал, что знакомая нам при нормальных температурах жизнь веществ в области предельного холода подчиняется совсем иным законам. Здесь отношения между атомами и молекулами диктуются законами микроскопического мира, неподвластными классической физике. Это поняли два замечательных советских физика и не только поняли, но и доказали: Капица — рядом убедительных экспериментов, Ландау — серией виртуозных логических и математических построений, которые он оформил в 1940 году в виде теории сверхтекучести. Они подарили миру прозрение тайны низких температур…

С этого времени положение в науке о низких температурах резко меняется. Учёные узнали главное: законы, правящие в царстве холода. Теперь оставалось выяснить нормы поведения, которые законы микромира — квантовые законы — диктуют различным веществам.

В конце тридцатых годов «столица холода» перемещается из Голландии в Советский Союз. Вокруг Капицы и Ландау сплачивается группа молодых учёных, работы которых в новой области физики становятся ведущими. И если раньше исследователи двигались только по серому следу оловянной чумы и следу гелия, то теперь изыскания ведутся сразу во многих направлениях. Фронт исследований простирается от Москвы до Ленинграда, от Харькова до Тбилиси и Свердловска.

Кольцо вокруг тайны холода сужается. Теперь учёные наблюдают уже не случайные, непредвиденные явления. Они стараются получить результаты, предсказанные теорией сверхтекучести. Для того чтобы объяснить «механизм «сверхтекучести, Ландау пришлось представить себе «квантовую жидкость», то есть признать, что квантовые законы справедливы не только в микромире, в мире молекул, атомов и элементарных частиц, но и в макромире. Пришлось признать, что свойства жидкости, которую можно создать, охлаждая гелий, невозможно понять, оставаясь в рамках классической физики.

Жидкий гелий I резко отличается от жидкого гелия II даже по виду. Первый бурно кипит по всему объёму, второй — спокойная жидкость с гладкой поверхностью и совершенно без пузырьков. Это объясняется огромной теплопроводностью жидкого гелия II, открытой Кеезомом. Согласно теории Ландау, жидкий гелий при температурах менеё 2,17 К представляет собой двухкомпонентную смесь: первый компонент — обычная жидкость (гелий I), второй — сверхтекучая (гелий II). Количество гелия I в этой смеси быстро уменьшается, когда температура стремится к абсолютному нулю. При нагревании до температуры 2,17 К сверхтекучая часть жидкости внезапно исчезает, превращаясь в гелий I.

Двухкомпонентность сверхтекучего гелия объясняет ряд наблюдаемых явлений, о которых мы ещё скажем.

Существенный шаг к построению квантовой теории сверхтекучести сделал в 1947 году академик Н. Н. Боголюбов. Он показал, что при температуре 2,17 К атомы гелия объединяются, образуя особое состояние: Бозе-конденсат. При этом они теряют индивидуальность. Они не испытывают индивидуальных тепловых движений, не взаимодействуют с окружающими телами поодиночке. Именно это придаёт их коллективу — Бозе-конденсату — свойство сверхтекучести, способность перемещаться вдоль окружающих тел, не ощущая их присутствия.

Последовательная теория сверхтекучести, полностью учитывающая квантовые свойства сверхтекучей жидкости, ещё не создана. Но и приближённая теория сверхтекучести сыграла решающую роль в понимании загадки сверхпроводимости, открытой много раньше и долго ждавшей объяснения.

Прежде чем возвратиться к сверхпроводимости, ещё несколько слов о сверхтекучести. Недавно ею занимались многие физики.

Э.Л. Андроникашвили, избранный впоследствии действительным членом Академии наук Грузинской ССР, изучал свойства вращающегося гелия. Гелий остаётся верным себе. Он и вращается не как другие жидкости. Если очень закрутить его, он начинает вести себя уже не как жидкость, а как упругое тело. Отдельные слои становятся упругими жгутами, которые упираются и противятся вращению. Учёный упорно искал отгадку очередного фокуса квантовой жидкости.

А.И. Шальников, позже ставший академиком, чтобы изучить взаимодействие нормальной и сверхтекучей частей жидкого гелия, «подкрашивал» его электронами. По их движению он надеялся проследить за отношением этих двух разных жидкостей.

Доктор физико-математических наук В. П. Пешков обнаружил «второй звук» в гелии, предсказанный теорией Ландау. Оказалось, что, кроме обычного звука, представляющего собой волны сжатия и разрежения, в сверхтекучем гелии возможны незатухающие тепловые волны, названные Ландау вторым звуком.

Что бы вы сказали, если бы обнаружили, что вода в чайнике никак не нагревается даже при сильном огне? Сам чайник уже раскалён, а вода в нём ещё холодная. Нечто подобное обнаружил Капица ещё в далёкие дни первых опытов с гелием.

Объяснить это странное явление удалось лишь ученику Ландау, доктору физико-математических наук И. М. Халатникову, тоже ставшему академиком. Оказывается, жидкий гелий нагревается вовсе не так, как вода в чайнике — от соприкосновения с его стенками. Гелий нагревают неслышимые звуковые волны, исходящие от стенок сосуда при их нагревании. А процесс этот и не быстрый и не такой уж эффективный…