Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

Это открытие, казалось, послужило убедительным доводом в пользу гипотезы о том, что пульсар — это нейтронная звезда.

Простейшим «пульсирующим телом» является равномерно вращающийся маяк, излучающий узкий пучок света. При этом на корабле, находящемся в море, наблюдаются периодические вспышки. Они повторяются через промежуток времени, равный периоду вращения маяка, а продолжительность вспышки определяется шириной пучка света.

Когда вращающаяся звезда излучает узкий пучок, то в момент, когда этот пучок направлен к наблюдателю, последний зарегистрирует импульс излучения. Интервал между двумя последовательными импульсами излучения должен соответствовать одному обороту звезды вокруг ее оси.

Нейтронная звезда долгое время была лишь математической абстракцией. Никто не мог быть уверен, что она существует в природе.

Казалось, с открытием пульсаров «голубая мечта» теоретиков получила реальное воплощение. Однако для получения убедительных доказательств того, что пульсар действительно является нейтронной звездой, теоретикам и экспериментаторам предстояло еще немало потрудиться.

В то время как физики — теоретики стремились познать природу пульсаров, радиоастрономы продолжали наблюдать поведение этих удивительных небесных тел.

Особый интерес вызвали два пульсара. С одним из них читатель уже знаком. Это «Краб» из Крабовидной туманности. Второй, который находится на другом участке нашей Галактики, называется «Парус».

У обоих пульсаров было обнаружено явление «сбоя» — скачкообразного уменьшения периода вращения.

Сам факт убыстрения вращения этих небесных тел не мог удивить астрономов. Внезапное изменение периода ряда звезд неоднократно наблюдалось и ранее. Поражало связанное со сбоями поведение пульсаров. Оказалось, что после сбоя период пульсара изменяется продолжительное время: три месяца у «Краба» и два года у «Паруса», после чего происходит следующий сбой.

Вполне возможно, что тайна «маленьких зеленых человечков» осталась нераскрытой и по сей день, если бы не были известны такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Межэлектронное притяжение в сверхпроводниках, как читатель уже знает, приводит к образованию связанных пар электронов.

Оказывается, что такое явление присуще не только электронному газу, но и многим другим системам микрочастиц. Так, в атомных ядрах, где взаимодействие между частицами очень велико, образуются связанные пары протонов и связанные пары нейтронов, похожие на электронные пары в сверхпроводниках. В этом смысле можно говорить о сверхпроводимости атомного ядра.

Разумеется, непосредственно наблюдать сверхпроводимость такой микроскопической системы, как атомное ядро, невозможно. Здесь сверхпроводящее состояние проявляется в ряде побочных явлений, например, в процессе поглощения атомным ядром падающего излучения.

Иное дело, нейтронная звезда, которая представляет собой, по сути, гигантское атомное ядро, состоящее в основном из нейтронов.

В недрах звезды нейтронное вещество находится в жидком состоянии. При этом нейтронная жидкость разбивается на связанные пары нейтронов, подобные куперовским электронным парам в сверхпроводнике, а следовательно, пребывает в сверхтекучем состоянии.

Нейтронную звезду можно себе представить как тело, состоящее из сравнительно тонкой твердой оболочки, заполненной сверхтекучей жидкостью.

Одним из первых ученых, выдвинувших гипотезу о сверхтекучем состоянии нейтронных звезд, был ученик Ландау, ныне академик А. Б. Мигдал.

В связи со сбоями была выдвинута гипотеза «звездотрясения», сущность которой вкратце заключается в следующем.

В результате быстрого вращения пульсар несколько сплющивается у полюсов.

С течением времени скорость вращения пульсара медленно уменьшается. Поэтому равновесие постепенно нарушается и звезда «старается» принять форму более близкую к сферической. Такое изменение формы происходит внезапно и приводит к частичному разрушению коры. При этом скорость вращения вокруг оси твердой оболочки звезды изменяется скачком.

Однако сверхтекучая нейтронная сердцевина звезды не увлекается корой и продолжает вначале вращаться с прежней скоростью. Напоминаем, что подобное явление наблюдается при вращении сосуда с гелием II.

Скорости вращения твердой коры и сверхтекучей нейтронной жидкости выравниваются очень медленно. Этим объясняется зависимость периода пульсара от времени.

По расчетам астрофизиков, звездотрясение — явление очень редкое. Оно может происходить один раз за несколько сот лет.

Так почему же у всех известных пульсаров интервал времени между двумя последовательными скачками скорости исчисляется несколькими годами и даже месяцами?

И физики вспомнили еще об одном явлении, наблюдаемом в гелии II.

Если сосуд с гелием II вращается, то уже при сравнительно небольшой угловой скорости вся жидкость пронизывается тонкими воронками — вихревыми нитями, параллельными оси вращения.

Не останавливаясь подробно на природе этих вихрей, заметим, что их можно уподобить квантовым вихревым нитям магнитного поля, проникающим в сверхпроводник второго рода, или, как их часто называют, вихрям Абрикосова. Напомним, что о них рассказывалось в главе восьмой.

Вращение пульсара приводит к тому, что его сверхтекучая нейтронная сердцевина оказывается пронизанной вихревыми нитями.

Возникновение и распад вихревых нитей подчиняются достаточно сложным закономерностям, на которых мы не имеем возможности остановиться в этой книге.

Оказалось, что теория, основанная на сверхтекучести нейтронной жидкости и закономерностях ее вихревой структуры, дает вполне удовлетворительное объяснение поведения пульсаров.

Здесь автор считает уместным, не опасаясь упрека в повторении, снова привести любимое изречение Ландау: «Верховным судьей каждой теории является опыт».

И на этот раз свой «приговор» предстояло вынести грузинским физикам.

После защиты докторской диссертации в Институте физических проблем, в конце сороковых годов, Элевтер Луарсабович Андроникашвили вернулся в Тбилиси.

В эти послевоенные годы физика в Грузии развивалась быстрыми темпами. Назрела необходимость организации в республике единого физического центра.

В 1951 году был основан Институт физики Академии наук Грузинской ССР. Организатором и бессменным директором этого института является академик Академии наук Грузинской ССР Э. Л. Андроникашвили. Здесь под его руководством, а в ряде случаев при его непосредственном участии проводятся исследования по многим направлениям современной физики.

Летом 1961 года Нильс Бор посетил грузинский физический институт.

Семидесятипятилетний патриарх физики был под свежим впечатлением встречи в Москве со своим любимым учеником. Ландау с юношеской прытью первым подбежал к выходу с трапа самолета на Шереметьевском аэродроме, и Бору показалось, что перед ним не прославленный академик, а тот самый молодой человек, впервые переступивший порог его института в Копенгагене сорок лет тому назад, которого он встретил тогда своим традиционным приветствием: «Хорошо, что вы приехали! Мы у вас многому научимся».

Все дни, что Бор провел в Москве, он почти не расставался с Ландау. Двум корифеям современной физики предстояло обсудить немало проблем.

В Тбилиси Бор убедился в том, что и у грузинских физиков можно «многому научиться». Некоторые из проведенных здесь работ по экспериментальной и теоретической физике явились существенным вкладом в мировую науку.

Помнят здесь и об одном из основных «заветов» Ландау, относящемуся к сверхтекучему жидкому гелию.

Эта удивительная квантовая жидкость по — прежнему вызывает неослабеваемый интерес у физиков всего мира. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования способствуют все более глубокому пониманию ее свойств. Так, в течение последних двух десятилетий возникла новая наука: квантовая гидродинамика жидкого гелия.

Немаловажную роль в становлении этой науки сыграли ученые Института физики Академии наук Грузинской ССР.

За цикл работ по исследованию свойств вращающегося гелия II, начатых в Институте физических проблем, Андроникашвили был удостоен Государственной премии. Он и сотрудники его института продолжают интенсивное исследование этой замечательной квантовой жидкости.

Не случайно, именно в грузинском институте физики были проведены эксперименты, убедительно подтвердившие гипотезу сверхтекучести в недрах нейтронных звезд.

На этот раз перед экспериментаторами стояла задача исключительной сложности.