Ирина Радунская - Безумные идеи
Несмотря на то, что в 1926 году голландец В. Кеезом справился с гелием и заставил его затвердеть, призвав на помощь морозу высокое давление, зерно сомнения было посеяно. Гелий стал одним из свидетелей против классической физики. С помощью известных законов физика не могла объяснить его поведения.
Ученые еще не перестали удивляться странному поведению благородного газа, как новая сенсация завладела их вниманием. Каммерлинг-Оннес, заставив гелий обратиться в жидкость, решил полюбопытствовать, что будет в таком холоде, например, с ртутью. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что в таком климате, который создается в ванне с жидким гелием, электрическое сопротивление ртути исчезло! Легко представить себе, как он подозрительно поглядывал на прибор, регистрирующий эту величину; как, проверяя его работу, удостоверился, что прибор цел и невредим и все-таки продолжал констатировать исчезновение в ртути сопротивления электрическому току. А потом оказалось, что еще девятнадцать чистых металлов повели себя в области низких температур таким же неподобающим образом, нарушив покой ученых. Самое большое, что ученые тогда смогли сделать, – это дать явлению название «сверхпроводимость».
Вот к каким странным, не предусмотренным тогдашней наукой событиям привел желтый след гелия.
Белая ворона
И непонятные метаморфозы олова, и неблагородное поведение одного из благородных газов, и предательство девятнадцати металлов взбудоражили научную общественность. Что это: случайные, разрозненные явления, ничем между собой не связанные? Или это внешние проявления одной непонятной еще причины? Все это противоречило основным, казалось бы, незыблемым принципам науки.
Ученые оказались в куда более затруднительном положении, чем малыши перед кубиками, никак не складывающимися в картинку. Им предстояло отдельные, разрозненные явления поставить на свои места, но, увы, образца-картинки у них не было.
Между тем опыты с гелием все больше проявляли темные стороны его характера. Выяснилось, что в условиях неслыханного холода жидкий гелий начинал в миллиард раз быстрее проводить тепло. Казалось, тепло в нем распространяется без всякого сопротивления (не промелькнула ли сейчас тень девятнадцати металлов, без всякого сопротивления проводящих электрический ток?).
Гелий становился в миллион раз более подвижным и менее вязким. Капнув жидкий гелий на гладкую охлажденную поверхность, исследователи в изумлении наблюдали, как быстро растекается он в тончайшую пленочку. 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 располнев.
И даже это было еще не самым удивительным. Что, если бы вы увидели человека, бегущего вверх по отвесной стене? Это невозможно? Законы тяготения этого не допускают? Приблизительно то же подумали ученые, когда увидели, как жидкий гелий с необычайной быстротой ползет вверх по стенкам сосуда. Это невозможно, ужаснулись многие из них, а трение, а вязкость?! И еще более изумились, услышав мнение советского ученого Петра Леонидовича Капицы: вязкости у жидкого гелия вблизи абсолютного нуля нет вовсе. Это сверхтекучая жидкость.
Так впервые в 1938 году мир услышал удивительное слово «сверхтекучесть».
Вывод П.Л. Капицы был результатом долгих и кропотливых экспериментов, итогом многих раздумий. Почему так молниеносно распространяется тепло внутри жидкого гелия? Как и обычно, его переносит сама жидкость. Ее слои перемешиваются и менее теплые нагреваются от более теплых. Так происходит всегда во всех жидкостях. Но в жидком гелии это происходит молниеносно. Как же так, ведь слои всегда трутся друг о друга, а это должно мешать быстрому перемешиванию. А если вязкость не препятствует? Значит, ее нет!
И Капица подтверждает свою догадку блестящим экспериментом. Он пропускает жидкий гелий сквозь мельчайшие щели – капилляры, через которые обычная вязкая жидкость если и проходит, то ей нужно затратить на это многие миллиарды лет. А гелий, охлажденный до 2 градусов 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, погруженному в нее? Оказала бы ему сопротивление или нет?
И экспериментатор спешит поставить такой опыт: он опускает в жидкий гелий качающийся маятник (паучок Капицы). Жидкость без трения, без вязкости не остановит его. Но что это? Совершается непонятное: маятник прекращает движение, останавливается... Жидкий гелий повел себя 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. Все происходит так, как будто одновременно в нем заключены... две жидкости. Так оно и оказалось. Вот как описывает ни на что не похожее поведение жидкого гелия замечательный советский физик 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: академик Капица – рядом убедительных экспериментов, академик Ландау – серией виртуозных логических и математических построений, которые он оформил в 1940 году в виде теории сверхтекучести. Они подарили миру прозрение тайны низких температур...
Куда привели следы
С этого времени положение в науке о низких температурах резко меняется. Ученые узнали главное – законы, правящие в царстве холода. Теперь оставалось выяснить нормы поведения, которые законы микромира – квантовые законы – диктуют различным веществам.
Приблизительно с тридцатых годов «столица холода» перемещается из Голландии в Советский Союз, Вокруг Капицы и Ландау сплачивается группа молодых ученых, работы которых в новой области физики становятся ведущими. И если раньше исследователи двигались только по серому следу оловянной чумы и желтому следу гелия, то теперь изыскания ведутся сразу во многих направлениях. Фронт исследований простирается от Москвы до Ленинграда, от Харькова до Тбилиси, от Сухуми до Свердловска.
Кольцо вокруг тайны холода сужается. Теперь ученые наблюдают уже не случайные, непредвиденные явления. Они стараются получить результаты, предсказанные теорией сверхтекучести.
Часть из них продолжает двигаться по следу гелия.
Действительный член Академии наук Грузинской ССР Э.Л. Андроникашвили изучает свойства вращающегося гелия. Гелий остается верным себе. И вращается-то он не так, как все 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. Ученый упорно ищет отгадку очередного фокуса квантовой жидкости.
Член-корреспондент Академии наук СССР А.И. Шальников, чтобы изучить взаимодействие нормальной и сверхтекучей частей жидкого гелия, «подкрашивает» его электронами. По их движению он надеется 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 вторым звуком.
Что бы вы сказали, если бы обнаружили, что вода в чайнике никак не нагревается даже при сильном огне? Сам чайник уже раскален, а вода в нем еще холодная. Нечто подобное обнаружил П.Л. Капица еще в далекие дни первых опытов с гелием.
Объяснить это странное явление удалось лишь в наши дни ученику Ландау доктору физико-математических наук И.М. Халатникову. Оказывается, жидкий гелий нагревается вовсе не так, как вода в чайнике, – от соприкосновения с его стенками. Гелий нагревают те самые неслышимые звуковые волны, которые исходят от стенок сосуда при их нагревании. А процесс этот и не быстрый и не такой уж эффективный...
Так, шаг за шагом, ученые разоблачают тайны необычного характера гелия.