Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

«Поезд Москва — Ленинград отправляется в двадцать два часа пятнадцать минут со второй платформы», — объявляет диктор радиоузла.

Итак, положение «материальной частицы» в пространстве, в данном случае железнодорожного состава, определено точно. При этом условии в соответствии с принципом неопределенности никто не смог бы определить скорость поезда, а следовательно, время его прибытия на конечный пункт.

Более того, поезд вместо Ленинграда мог бы очутиться, например, в Кременчуге.

Впрочем, если поезд действительно опаздывает либо груз засылается не по назначению (а такие случаи еще, к сожалению, наблюдаются), железнодорожникам не следует оправдываться ссылкой на квантовую механику.

Принцип неопределенности действует только в микромире, а тела «больших» масс, с которыми нам приходится встречаться в обыденной жизни, полностью подчиняются законам классической механики, которые человечество твердо усвоило еще во времена Ньютона.

Однако своенравные обитатели микромира не подчиняются твердому расписанию.

С понижением температуры постепенно «замерзают» все виды теплового движения частиц.

Наконец, при абсолютном нуле температуры всякое движение должно прекратиться и частицы должны находиться в абсолютном покое, каждая на своем месте. Следовательно, при абсолютном нуле температуры любое вещество должно было бы неминуемо перейти в твердое состояние.

Такую картину можно себе представить на основе законов классической физики. Однако, как мы уже знаем, именно в микромире действует принцип неопределенности.

Попытка локализировать частицу приводит к появлению у нее скорости. А это значит, что и при абсолютном нуле температуры частицы не могут оставаться в покое. Они совершают колебания, которые так и называются: нулевые колебания.

Амплитуда таких колебаний зависит от массы атомов и силы взаимодействия между ними. Чем меньше масса атомов и чем меньше сила взаимодействия между ними, тем больше амплитуда нулевых колебаний.

Если амплитуда нулевых колебаний превосходит или даже сравнима с межатомными расстояниями, то тела не могут затвердевать и должны оставаться жидкими вплоть до абсолютного нуля температуры.

Большинство тел успевают затвердевать прежде, чем начинают проявляться квантовые закономерности.

Гелий является единственным веществом, которое при атмосферном давлении не затвердевает при сколь угодно низкой температуре. Он оставался бы жидким даже при абсолютном нуле температуры, так как у него амплитуда нулевых колебаний достаточно велика.

Жидкий гелий может перейти в твердое состояние только при повышении давления до 25 атмосфер.

…Посторонние шумы, или, как их называют, помехи, врывающиеся подчас в репродуктор вашего приемника, мешают слушать передачу. Если приемник достаточно чувствителен, то, чуть — чуть повернув ручку, вы можете отстроиться от помех.

Тепловые колебания можно уподобить таким помехам.

По мере охлаждения жидкости интенсивность тепловых колебаний уменьшается. Уже сравнительно недалеко до абсолютного нуля температуры. Но, увы, жидкость превращается в твердое тело прежде, чем тепловые колебания успевают затухнуть в достаточной степени.

Гелий оказался исключением. При его охлаждении до достаточно низкой температуры удается «отстроиться» от тепловых помех.

Гелий является квантовой жидкостью, его свойства можно объяснить на основании законов квантовой механики.

Здесь уместно вспомнить, что камеру Вильсона, с помощью которой удалось впервые воочию наблюдать траекторию микрочастиц, физики назвали «окном в атомный мир».

По аналогии гелий II можно назвать «окном в мир квантовой механики», созданным самой природой.

Ландау был первым физиком, заглянувшим в это окно.

Мы уже говорили о том, что амплитуда нулевых колебаний атомов гелия сопоставима с межатомными расстояниями. Следовательно, в этом случае нет смысла говорить об отдельных атомах, а нужно рассматривать гелий II как единую систему взаимодействующих частиц.

Из квантовой механики известно, что такая система может поглощать и отдавать энергию только определенными порциями — квантами.

По мысли Ландау, такие поглощенные телом кванты ведут себя как особые частицы, движущиеся в объеме тела. Они получили название — квазичастицы (дословный перевод этого слова: «почти частицы»).

Не вдаваясь в подробности, заметим, что количество квазичастиц в теле тем больше, чем больше энергия тела, или, что то же самое, чем выше его температура.

Такое положение сохраняется при достаточно низких температурах, пока число квазичастиц невелико и их можно рассматривать как газ.

В обычных жидкостях происходит все иначе: они затвердевают задолго до того, как их возбуждения могут быть описаны с помощью газа квазичастиц.

Из теории Ландау следует, что вплоть до определенной скорости движения в сверхтекучем гелии II не могут образовываться новые квазичастицы, а следовательно, не может изменяться его энергия. Поэтому до достижения этой скорости гелий II должен течь как идеальная, невязкая, то есть сверхтекучая жидкость.

Произведя критический анализ экспериментальных данных, Ландау пришел к совершенно парадоксальному на первый взгляд выводу.

Гелий II мыслится как совокупность двух жидкостей, которые могут двигаться независимо. Словно привидение в старинном замке, они проходят одна через другую, не испытывая при этом никакого трения.

Читатель, разумеется, должен иметь в виду, что такая «двухжидкостная модель» гелия II является лишь удобным способом описания происходящих в нем явлений. Можно также сказать, что гелий II — это одна жидкость, которая способна совершать два движения одновременно.

— Час от часу не легче! — может воскликнуть в этом месте наш читатель.

Как это так — совершать сразу два движения: одновременно двигаться и оставаться на месте?

Такое могло произойти разве только с человеком рассеянным с улицы Бассейной — героем известного стихотворения С. Маршака. Вскочив в отцепленный вагон, он воображал, что путешествует, на самом деле не сдвинувшись с места.

Выходит, что в этом удивительном микромире можно двигаться, оставаясь в «отцепленном вагоне».

Впрочем, не следует забывать, что наши наглядные представления являются отражением того, с чем мы сталкиваемся в обыденной жизни, а квантовые явления имеют место в недоступном нашему непосредственному восприятию микромире. Поэтому здесь возможна лишь грубая аналогия.

Каждое из двух происходящих в гелии II движений сопровождается переносом определенной массы жидкости, причем сумма этих масс равна истинной массе жидкости. В этом смысле можно говорить о двух составляющих (компонентах) гелия II. Вместе с тем надо твердо усвоить, что никакого разделения атомов гелия на две категории нет.

Каждое из двух движений является коллективным свойством большого количества одних и тех же атомов жидкости.

Обе компоненты резко отличаются друг от друга своими свойствами. Одна из них не обладает вязкостью.

Ландау назвал ее сверхтекучей.

Вторая компонента, называемая нормальной, представляет собой газ квазичастиц. Квазичастицы при движении взаимодействуют между собой и со стенками сосуда.

Следовательно, нормальная компонента обладает вязкостью. Она ведет себя как обыкновенная жидкость.

Другое, не менее важное различие заключается в том, что только нормальная компонента при своем движении переносит тепло.

В самом деле, единственными носителями тепловой энергии в гелии II являются квазичастицы. Что касается сверхтекучего движения, то оно по своей природе не связано с переносом тепла.

Таким образом, в гелии II тепло как бы приобретает самостоятельное существование, отрываясь от остальной массы жидкости.

При понижении температуры уменьшается количество квазичастиц, содержащихся в жидкости, а следовательно, увеличивается доля сверхтекучей компоненты, и при температуре абсолютного нуля весь гелий II должен перейти в сверхтекучее состояние.

С повышением температуры количество квазичастиц возрастает, и вместе с тем увеличивается масса, связанная с нормальным движением. Наконец, при некоторой температуре эта масса сравнивается с массой жидкости. При этом сверхтекучее движение исчезает, и гелий II переходит в гелий I, который ведет себя как обычная жидкость.

Эта теория Ландау объяснила удивительное поведение квантовой жидкости гелия II.

В 1962 году Ландау была присуждена Нобелевская премия по физике «За пионерские теории конденсированных сред, особенно жидкого гелия».

Любую теорию только после убедительных доказательств можно считать достоверной. Недаром Ландау любил повторять: