Читать книгу "Лев Ландау - Майя Бессараб"

Вот как излагал сам Ландау сущность сверхтекучести в публичной лекции (стенограмма лекции приводится в некотором сокращении):

«Наиболее замечательное свойство жидкого гелия было открыто советским физиком Петром Леонидовичем Капицей. Капица показал, что жидкий гелий вовсе лишен всякой вязкости. Что такое вязкость? Это способность жидкости сопротивляться движению. Вы ясно представляете себе, насколько труднее было бы плавать в меде, чем в воде. Соответственно этому говорят, что мед — это жидкость гораздо более вязкая, чем вода.

Жидкости по своей вязкости бывают самые различные — от очень слабо вязких жидкостей, как вода, спирт, до очень вязких жидкостей типа глицерина, меда и даже стекла, которое тоже является необычайно вязкой жидкостью, и т. д. Жидкий гелий I обладает малой вязкостью по сравнению с другими жидкостями. Но эта вязкость еще вполне нормальна и измерима. Она в 500 раз меньше вязкости воды.

Петр Леонидович Капица произвел очень простой и необычайно важный эксперимент. Он наблюдал протекание гелия через очень тонкие щели. Щели эти были настолько тонкие, что даже такая с обычной точки зрения невязкая жидкость, как вода, вытекала бы через эти щели в течение многих и многих суток. Оказалось, что жидкий гелий II протекает через щели в течение нескольких секунд.

Петру Леонидовичу Капице удалось показать, что вязкость гелия отличается от вязкости воды не менее чем в миллиард раз. Это только верхний предел, связанный с точностью экспериментов, тот предел вязкости, который наблюдал Петр Леонидович Капица. Вязкость гелия II оказалась столь маленькой, что вообще не могла быть измерена. Можно утверждать, что жидкий гелий II просто лишен всякой вязкости. Это явление получило название сверхтекучести. Поэтому гелий II называют сверхтекучей жидкостью.

Открытие Петром Леонидовичем Капицей сверхтекучести сразу объяснило казавшееся почти мистическим перетекание гелия из одного сосуда в другой. Все жидкости, смачивающие стенки, покрывают эти стенки очень тонким слоем. Этот тонкий слой незаметен для глаза и обычно вообще никак не проявляется. В жидком гелии благодаря сверхтекучести жидкость довольно быстро перетекает из сосуда по тонкой пленке, которая имеет толщину стотысячной доли миллиметра.

Таким образом, одно из явлений, казавшихся мистическими, получило свое объяснение. Зато, однако, открылись многие другие явления, оказавшиеся еще более непонятными. Прежде всего, оказалось, что когда гелий течет через щель, то происходит странное явление с теплом. Если гелий протекает из одного сосуда в другой через очень тонкую щель, то оказывается, что при этом гелий в том сосуде, куда он вытекает, охлаждается, а в том сосуде, из которого вытекает, нагревается. Это явление получило название термомеханического эффекта, и само по себе представлялось крайне удивительным.

Еще более удивительным представляется другое свойство гелия. Капица показал, что гелий сверхтекуч, то есть мгновенно вытекает через всякую щель. Протекание через щель есть не единственный способ измерения вязкости. В физике известны и другие способы, которые основаны на сопротивлении жидкости движению в ней тела. Если вы хотите измерить вязкость воды, вы можете измерить ее двумя способами: можете пропускать воду через щель и можете двигать в воде тело и определять вязкость по тем силам, которые действуют на это тело.

Для гелия были применены оба эти способа, и оказалось, что в то время, когда у всех жидкостей они приводят к совершенно тождественным не только качественным, но и количественным результатам, у гелия они приводят, если можно так выразиться, к результатам противоположным. Жидкий гелий I при протекании через щель сверхтекуч, то есть не обнаруживает вовсе никакой вязкости. Он обнаруживает сопротивление движению тела, то есть в то время, когда все обыкновенные жидкости обладают обыкновенной вязкостью, жидкий гелий обладает двумя совершенно различными по природе вязкостями: одной — бесконечно малой, отсутствующей, и другой — вполне качественной, измеримой вязкостью.

Капице удалось сделать эксперименты, кажущиеся еще более удивительными.

Эксперимент заключается в следующем. В большой сосуд с гелием была погружена бульбочка с идущей от нее трубочкой, открытой и наполненной гелием. В этой бульбочке гелий слегка подогревался. Что произошло бы с какой-нибудь жидкостью? Жидкость нагревалась бы, тепло выходило бы в окружающую жидкость, и можно было бы обнаружить, что разные места жидкости обладают разной температурой.

Петр Леонидович Капица поместил напротив отверстия капилляра легкое крылышко и, двигая этим крылышком, показал, что из отверстия капилляра бьет струя гелия. Обстоятельство, удивительное во всех отношениях. Удивителен не столько сам факт, что при нагревании ни с того ни с сего бьет струя гелия. Еще более удивительным является то обстоятельство, что сосуд при этом не пустеет. Если из сосуда систематически вырывается струя жидкости, то через короткое время в сосуде не должно ничего остаться. В данном случае никаких изменений не происходит. Сосуд остается наполненным гелием, как вначале.

Получается библейский эксперимент в стиле куста, который горит и не сгорает. Так и здесь: бульбочка, из которой бьет струя и которая при этом не пустеет, а остается столь же полной, какой была и вначале.

Это обстоятельство является одним из многочисленных примеров (некоторые из которых я уже упомянул) парадоксальности свойств жидкого гелия. Его свойства на первый взгляд кажутся совершенно нелепыми, как в известном анекдоте о жирафе, про которого сказано, что такого не может быть. Такое примерно ощущение вызывают свойства жидкого гелия. Получается ощущение, что вообще такого не может быть.

Само собою, разумеется, что никаких логических противоречий здесь, как и в других областях физики, быть не может. Это показывает только на то, что причины этих свойств лежат в очень необычных вещах, очень чуждых нашему представлению. И, действительно, в дальнейшем мне удалось построить теорию, которая объяснила некоторые существенные свойства жидкого гелия.

Было бы невозможно даже в самых общих чертах попытаться объяснить вам сущность этой теории. Она основана на одном из величайших достижений физики двадцатого века, так называемой квантовой механике. Квантовая механика — это бесконечно сложная как методически, так и по заложенным в ней физическим понятиям область теории физики. Она характеризуется тем, что многие из используемых ею понятий очень плохо доступны нашему восприятию. ‹…›

Оказывается, что чисто теоретически квантовая механика наделила жидкость, находящуюся при низких температурах, близких к абсолютному нулю, при которых находится жидкий гелий, следующей особенностью. Для того чтобы объяснить эту особенность, я напомню очень старую историю о некоторой теории, которая в свое время фигурировала в физике. В свое время в физике фигурировала такая, разумеется, никогда не существовавшая, жидкость, как теплород. Считалось, что наряду с обыкновенной жидкостью существует еще тепловая жидкость и что если тело является теплым, то это значит, что в нем больше теплорода. Если же меньше теплорода, значит, оно соответственно становится более холодным. Теплород — жидкость, специально придуманная для объяснения этих явлений.