Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

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

«Верховным судьей всякой физической теории является опыт».

В 1944 году в Институт физических проблем для подготовки к защите докторской диссертации прибыл грузинский физик Элевтер Луарсабович Андроникашвили.

Молодой ученый обладал незаурядными способностями экспериментатора. Проведенный им эксперимент с «двухжидкостным» гелием стал ныне классическим.

Сущность опыта Э. Л. Андроникашвили заключается в следующем. Представьте себе цилиндрический сосуд с гелием II, вращающийся так медленно, что жидкость увлекается стенкой сосуда. При этом должна прийти в движение только нормальная компонента гелия II, а его сверхтекучая компонента остается неподвижной.

Андроникашвили заменил вращение сосуда крутильными колебаниями стопки параллельных металлических дисков, погруженной в гелий II. Такой метод позволил значительно увеличить площадь соприкосновения вращающегося тела и жидкости.

Стопка содержала 100 дисков из алюминиевой фольги толщиной десять микрометров каждый. Расстояние между соседними дисками составляло 0,02 миллиметра.

При вращении стопки сверхтекучая компонента легко проходила между дисками, а нормальная компонента, увлекаемая дисками, участвовала во вращении.

Эксперимент проводился в температурном диапазоне от точки перехода гелия I в гелий II до 1,ЗК.

С понижением температуры уменьшалась масса нормальной компоненты, а следовательно, уменьшался период крутильных колебаний стопки.

Измеряя периоды крутильных колебаний, экспериментатор определил отношение масс нормальной и сверхтекучей компонент для каждого значения температуры.

Так двухжидкостная модель гелия II получила убедительное экспериментальное подтверждение.

Ознакомившись, правда, в самых общих чертах, с теорией Ландау, читатель может попытаться сам найти объяснение результатов экспериментов, описанных в предыдущей главе.

При опыте с узкой щелью вязкость гелия II не обнаруживается, поскольку сверхтекучая компонента весьма быстро вытекает через щель без трения.

Нормальная же компонента, обладающая вязкостью, медленно просачивается. Что касается измерений с помощью колеблющегося диска, то они приводят к отличной от нуля вязкости, так как диск движется в жидкости, содержащей обе компоненты. Затухание его колебаний происходит из‑за взаимодействия с нормальной компонентой.

В эксперименте с узкой щелью действует сверхтекучая компонента, а в опыте с диском — нормальная.

Теперь не вызовет удивления читателя, что при истечении из сосуда с узкой щелью гелия II температура жидкости в сосуде повышается, а вытекший гелий охлаждается. Поскольку через узкую щель вытекает сверхтекучая компонента, которая тепло не переносит, все тепло остается в сосуде.

Так как это тепло уже относится к меньшему количеству жидкости, то естественно, что температура жидкости повышается.

В экспериментах Капицы вытекшая из сосуда жидкость охладилась на 0,2–0,4К. Это достаточно большая величина, если учесть, что весь температурный диапазон существования гелия II составляет немногим более 2К.

Чем объясняется «сверхтеплопроводность» гелия II?

Если в сосуде с гелием II между какими‑либо двумя точками жидкости имеется разность температур, то в нем возникают внутренние движения нормальной и сверхтекучей компонент «друг через друга» без трения.

Несущая при механическом движении тепло нормальная компонента приводит к аномально большой теплопроводности гелия II.

Почему же в следующем опыте Капицы уровень жидкости в замкнутом сосуде остается все время постоянным, несмотря на то что из него непрерывно вытекает жидкость?

Легко понять, что под действием тепла из сосуда вытекает только нормальная компонента, которая и вызывает отклонение лепестка. В обратном направлении возникает движение сверхтекучей компоненты.

Скорость сверхтекучего движения устанавливается такой, чтобы суммарного переноса массы не было. На перенос же тепла сверхтекучее движение влияния не оказывает, так как оно вообще тепла не переносит.

Наконец о самом интригующем эксперименте, описанном в начале предыдущей главы.

«Таинственный» переход гелия II из внутреннего сосуда во внешний объясняется следующим образом.

Стенки сосуда в той их части, которая расположена выше уровня жидкости, покрываются очень тонкой (толщиной порядка одной миллионной доли сантиметра) пленкой жидкости. Это происходит потому, что молекулы жидкости притягиваются к поверхности твердых тел.

В обычных жидкостях наличие такой пленки практически не проявляется, так как столь тонкая пленка может из‑за большой вязкости двигаться лишь с ничтожной скоростью.

Однако сверхтекучий гелий II способен протекать по пленке с большой скоростью, что приводит к быстрому выравниванию уровней.

После того как в 1941 году был получен ответ на вопрос «что такое сверхтекучесть?», казалось, что наконец стала ясной и природа сверхпроводимости.

Предполагалось, что свободные электроны в металле можно рассматривать как электронную жидкость, а исчезновение сопротивления — как потерю вязкости электронной жидкостью.

Но последующие эксперименты с жидким гелием заставили усомниться в этом предположении.

Природный гелий состоит из двух устойчивых изотопов: гелия 4 и гелия 3.

Напомним читателю, что изотопами называют разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массами атомов.

Изотопы имеют одинаковое число электронов в атомной оболочке и занимают одно и то же место в Периодической системе элементов Менделеева. Отсюда и их название — от греческих слов «изо» — «одинаковый» и «топос» — «место».

До сих пор наш рассказ относился к гелию 4.

В природном гелии содержится гелия 3 примерно в десять миллионов раз меньше, чем гелия 4. Поэтому можно с полным основанием сказать, что гелий 3 является наиредчайшим среди наиболее редких веществ, встречающихся в природе.

В начале нынешнего века получение чистого гелия представляло нелегкую задачу.

Техника сегодняшнего дня обеспечивает исследователей нужным количеством его редчайшего изотопа — гелия 3, который получают искусственным путем при ядерных реакциях в результате радиоактивного распада одного из изотопов водорода — трития.

Гелий 3 является квантовой жидкостью, по некоторым своим свойствам отличающейся от гелия 4. В частности, температура кипения жидкого гелия 3 составляет 3,2К, а не 4,2К, как у гелия 4.

Таким образом, говоря о жидком гелии, мы подразумеваем не одну, а две различные квантовые жидкости.

Так вот, гелий 3 не удавалось перевести в сверхтекучее состояние даже при охлаждении до температуры, оцениваемой в десятые доли кельвина выше абсолютного нуля.

Исследователи вспомнили, что в квантовой механике различают два типа квантовых жидкостей. К какому из них относится жидкость, зависит от особой характеристики частиц, называемой спином, из которых она состоит.

Из‑за сложности этого понятия трудно, в рамках нашего рассказа, объяснить, что такое спин.

Вместо этого приведем качественное правило, которое позволяет определить тип квантовой жидкости.

Известно, что каждая жидкость состоит из отдельных частиц. Так жидкий гелий состоит из атомов гелия, жидкий водород — из молекул водорода, и т. п.

Каждая частица жидкости в свою очередь состоит из так называемых элементарных частиц: электронов, протонов, нейтронов.

Свойство сверхтекучести тесно связано с четностью числа элементарных частиц в каждой частице жидкости.

В системах, которые состоят, например, из атомов, содержащих четное число элементарных частиц, может возникнуть состояние сверхтекучести.

Итак, в природе имеются два типа квантовых жидкостей — обладающие свойством сверхтекучести и не обладающие этим свойством. Первые получили название Бозе — жидкости, вторые Ферми- жидкости, в честь физиков, которые первыми описали их свойства.

Атом гелия 4 состоит из ядра, содержащего два протона и два нейтрона, и двух электронов, а значит, имеет четное количество частиц.

Атом гелия 3 состоит из ядра, содержащего два протона и один нейтрон, и двух электронов. Следовательно, он имеет нечетное число частиц.

Будто все стало на свое место: в соответствии с теорией гелий 4 обладает сверхтекучестью, а ге — лию 3 это свойство не присуще. Такое утверждение можно было встретить в монографиях по сверхтекучести, опубликованных еще сравнительно недавно.

А как обстоит дело с электронной жидкостью?

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что электроны в металле ведут себя как ферми — частицы.