Штурм абсолютного нуля - Бурмин Генрих Самойлович Страница 18

— 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:

«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.