В 1933 году Кеезом, работая вместе со своей дочерью, обнаружил необычайно высокую теплопередачу через тоненькие трубочки, заполненные жидким гелием. Эта аномалия возникала каждый раз, когда температура жидкого гелия опускалась ниже 2,17К, причём она проявлялась спонтанно, скачком.
Вот к каким странным, не предусмотренным тогдашней наукой событиям привёл след гелия в солнечном спектре.
ЕЩЁ РАЗ «СВЕРХ…»
Непонятные метаморфозы олова, неблагородное поведение одного из благородных газов и тайна сверхпроводящих металлов взбудоражили научную общественность. Что это: случайные, разрозненные явления, ничем между собой не связанные? Или это внешние проявления одной непонятной ещё причины? Всё это противоречило основным, казалось бы незыблемым, принципам науки.
Учёные оказались в куда более затруднительном положении, чем малыши перед кубиками, никак не складывающимися в картинку. Им предстояло поставить на свои места отдельные, разрозненные явления, но, увы, картинки-образца у них не было.
Между тем опыты с гелием всё больше проявляли тёмные стороны его характера. Выяснилось, что в опытах Кеезома и его дочери, в условиях неслыханного холода, именно жидкий гелий, а не охлаждённые стенки трубочек, начинал в миллиард раз быстрее проводить тепло. Казалось, тепло в нём распространяется без всякого сопротивления (не промелькнула ли сейчас тень металлов, без всякого сопротивления проводящих электрический ток?).
Гелий становился в миллион раз более подвижным и менеё вязким. Капнув жидкий гелий на гладкую охлаждённую поверхность, исследователи в изумлении наблюдали, как быстро растекается он в тончайшую плёночку. Как будто не испытывает никакого сопротивления со стороны поверхности!
Если проделать такой же опыт с любой другой жидкостью, ничего подобного не увидишь. Капля как бы застынет, чуть сплющившись.
И даже это было ещё не самым удивительным.
Что, если бы вы увидели человека, бегущего вверх по отвесной стене? Это невозможно? Закон тяготения этого не допускает! Приблизительно то же подумали учёные, когда увидели, как жидкий гелий с необычайной быстротой ползёт вверх по стенкам сосуда. Это невозможно, ужаснулись многие из них, а трение, а вязкость?!
И ещё более изумились, услышав мнение советского учёного Петра Леонидовича Капицы: у жидкого гелия вблизи абсолютного нуля вовсе нет вязкости. Это сверхтекучая жидкость.
Так впервые в 1938 году мир услышал удивительное слово «сверхтекучесть». Через год Капица был избран членом Академии наук СССР.
Вывод Капицы был результатом долгих и кропотливых экспериментов, итогом многих раздумий. Почему так молниеносно распространяется тепло внутри жидкого гелия? Ведь остальные жидкости ведут себя иначе. Их слои перемешиваются, и менее тёплые нагреваются от более тёплых, а это требует времени. Но в жидком гелии тепло переносится молниеносно. Как же так, ведь слои всегда трутся друг о друга, а это должно мешать быстрому перемешиванию. А если вязкость не препятствует? Значит, её нет!
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…
КРОССВОРД
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.
