Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Это явление Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью, он предположил, что объяснение сверхпроводимости будет дано квантовой теорией, но так его и не дождался — оно было дано только через 46 лет. Явление сверхпроводимости бросило вызов физикам и не было, по-видимому, ни одного, кто ни пытался бы как-то его понять, но все усилия оставались тщетными. Требовались совершенно оригинальные, «безумные», по определению Н. Бора, идеи — мы к ним вернемся чуть позже.

Петр Леонидович Капица (1894–1984, Нобелевская премия 1978 г.) в 1921–1934 годах работал в Англии с Э. Резерфордом. Там он в 1924 г. создал устройство с магнитным полем напряженностью в 0,5 миллиона гаусс — рекорд, продержавшийся до 1956 г. Затем он переключается на физику низких температур, и в 1932 г. специально для него в Кембридже строится Мондовская лаборатория Королевского общества. Однако во время очередного ежегодного приезда в СССР в 1934 г. у него отбирают иностранный паспорт и заставляют остаться в Москве.

В 1935 г. после ряда ходатайств и переговоров для него в Москве открывается Институт физических проблем, а Резерфорд добивается перевоза к нему всего оборудования кембриджской лаборатории (его привез сам П. Дирак): Капица может продолжать работу.

Здесь он завершает конструирование и постройку турбодетандера — мощной установки сжижения газов. Со времен Г. Дэви охлаждение газа проводили откачкой газа — его внутренняя энергия при этом тратится на расширение, и газ охлаждается, если же откачивается газ над поверхностью жидкости, то охлаждение происходит благодаря затратам энергии на испарение. В установке Капицы расширяющийся газ совершает добавочную работу, вращая турбину, и поэтому его температура понижается быстрее — таким образом возникает возможность получения промышленных количеств жидкого воздуха и его отдельных компонент[20].

Газообразный гелий переходит в жидкое состояние при охлаждении до температуры ниже 4,2 К (т. е. ниже -269 °C). И тут. продолжая изучение свойств жидкого гелия. П.Л. Капица в 1938 г. вдруг обнаруживает совершенно неожиданный эффект: при охлаждении жидкого гелия ниже температуры в 2,17 К (т. е. ниже -270,96 °C) гелий или какая-то его часть, которую Капица назвал гелием-II, в отличие от обычного гелия-I, начинает проявлять необычайные свойства.

Гелий-II протекает сквозь мельчайшие отверстия с такой легкостью, будто у него полностью отсутствует вязкость — он может проходить через капилляры так, словно сопротивление его течению скачком падает до нуля. (Важно подчеркнуть, что это не какое-нибудь очень-очень малое значение сопротивления, а точно нуль!) Он поднимается по стенке сосуда, словно на него не действует сила тяжести, и обладает теплопроводностью, в сотни раз превышающей теплопроводность меди — Капица назвал гелий-II сверхтекучей жидкостью. Но при проверке стандартными методами, например измерением сопротивления крутильным колебаниям диска с заданной частотой, выяснилось, что гелий-II не обладает нулевой вязкостью.

Полное объяснение явлению сверхтекучести дал Л. Д. Ландау[21] на основе введения новых физических механизмов: он рассмотрел квантовые состояния объема жидкости почти так же, как если бы та была твердым телом.

Можно было бы объяснить необычное свойство жидкого гелия возникновением каких-то квантовых эффектов — они проявляются только при очень низких температурах, но при таких, когда жидким остается только гелий, он — единственное вещество, не затвердевающее при обычных давлениях вплоть до абсолютного нуля. В 1938 г. Л.Тисса предположил, что жидкий гелий в действительности представляет собой смесь двух фаз: гелия-I (нормальная жидкость) и гелия-II (сверхтекучая жидкость), доля которого растет с понижением температуры. Когда температура падает почти до абсолютного нуля, доминирующим компонентом становится гелий-II. Эта гипотеза позволяла объяснить, почему при разных условиях наблюдается различная вязкость.

Мы уже говорили о том, что при достаточно низких температурах возбуждения в твердом теле можно рассмотреть как наличие фононов — квантов звуковых колебаний, описывающих относительно нормальное прямолинейное распространение звуковых волн при малых значениях импульса и энергии. Помимо фононов, Ландау постулировал существование еще одного типа квазичастиц — ротонов, появляющихся при температуре больше 0,6 К при более высоких значениях импульса и энергии и вносящих различные вклады в теплоемкость, энтропию и т. д. Ротоны доминируют при температуре выше 1 К, фононы — ниже 0,6 К, и при температурах ниже 1,7 К систему квазичастиц можно рассматривать как идеальный газ.

Жидкий гелий, согласно этой теории (1941), можно рассматривать как «нормальную» компоненту, погруженную в сверхтекучий «фон». При истечении гелия сквозь узкую щель сверхтекучая компонента течет, а фононы и ротоны сталкиваются со стенками, которые их и удерживают. Аналогично в эксперименте с крутильными колебаниями диска фононы и ротоны сталкиваются с диском и замедляют его движение, тогда как сверхтекучая компонента на эти колебания не влияет. Отношение концентраций нормальной и сверхтекучей компонент зависит от температуры[22].

Согласно квантовой теории, одиночный атом, помещенный к круговой сосуд (бублик) при абсолютном нуле, может вращаться только с определенными скоростями, включая, конечно, и нулевую. В обычной жидкости — например, в воде — при закручивании такого кольца температурные колебания быстро и по-разному изменят скорости отдельных частиц, так что вся жидкость будет вращаться вместе с сосудом. А в сверхтекучей жидкости атомы должны иметь нулевой полный момент и подчиняться статистике Бозе-Эйнштейна. Газ таких атомов при некоторой температуре TB переходит в состояние бозе-конденсата, в котором все частицы, как правило, имеют наинизшую энергию, соответствующую абсолютному нулю. Принимается, что лямбда-переход изотопа гелия-4 как раз и является точкой бозе-конденсации (все другие вещества успевают задолго до этой температуры отвердеть).

Теорией Ландау исследование явления сверхтекучести не закончилось: много нового внесли в нее Н. Н. Боголюбов, Р. Фейнман и др. Принятое сейчас объяснение сверхтекучести основывается на том, что огромное количество атомов оказываются при температуре ниже точки перехода (она называется лямбда-точкой) абсолютно одинаковыми, а поэтому должны описываться одной функцией. Но раз так, то всю систему в целом можно сравнить, скажем, с одним электроном, который не может, согласно Бору, вращаться по произвольной орбите.

Таким образом, ниже лямбда-точки какая-то часть всех атомов кооперируется и занимает одно из возможных квантовых состояний. Если сосуд вращать со сравнительно небольшой скоростью, эти конденсированные атомы останутся в покое относительно лаборатории, т. е. не будут вращаться, в то время как остальные атомы будут вращаться вместе с сосудом. С понижением температуры все больше атомов будут переходить в такое покоящееся состояние. По той же причине при течении сквозь капилляры конденсированные атомы не могут поодиночке сталкиваться со стенками (испытывать трение): поскольку они должны сохранять, согласно статистике Бозе, прежнее состояние, сталкиваться они могут только всем коллективом, а так как такое столкновение мало вероятно, то они протекают через капилляр без трения.

Самое интересное и загадочное свойство сверхпроводников, после открытия этого явления Камерлинг-Оннесом, обнаружил в 1933 г. Вальтер Мейснер (1882–1974): оказалось, что они являются совершенными диамагнетиками, т. е. препятствуют проникновению магнитного поля внутрь металла. Так, если попытаться опустить магнит на сверхпроводник, то он останется висеть над ним в воздухе: малейшее опускание магнита под действием собственного веса вниз вызывает в сверхпроводнике ток, создающий отталкивающее магнитное поле, но при движении магнита вверх — возникает поле, притягивающее его вниз — в итоге магнит слегка колеблется около положения равновесия[23]. Если, однако, приложенное магнитное поле достаточно велико, сверхпроводник теряет свои свойства и ведет себя подобно обычному металлу.

В 1935 г. Фриц Лондон (1900–1954) предположил, что диамагнетизм является фундаментальным свойством сверхпроводников и что сверхпроводимость представляет собой некий квантовый эффект, проявляющийся каким-то образом во всем теле. Вместе со своим братом Гейнцем Лондоном (1907–1970) он построил феноменологическую теорию[24] сверхпроводимости, предположив, что имеется определенная глубина проникновения магнитного поля внутрь сверхпроводника. Эта теория была далее развита уже в виде квантовой феноменологической теории В.Л. Гинзбургом и Л.Д. Ландау в 1950 г., что позволило рассматривать явления в сильных магнитных полях.