6. Арифметика на песке. Окно в мир квантовой механики. Удивительные законы мира невидимок. Путешествие в отцепленном вагоне. Тепло отделяется от материи. Еще одна загадка.

6. Арифметика на песке. Окно в мир квантовой механики. Удивительные законы мира невидимок. Путешествие в отцепленном вагоне. Тепло отделяется от материи. Еще одна загадка.

«В городском саду Баку крошечный мальчик пишет на дорожках длинный — предлинный ряд цифр, потом идет вдоль написанного и готовит ответ. Сразу видно, что занят он обыкновенным сложением и вычитанием, но для него это самая интересная игра. По цифрам на песке его находит мама, берет за руку и ведет домой.

Математику четыре с половиной года. Он очень хорош: глаза огромные, ясные, умные, приветливые. Зовут мальчика Лева, для мамы он Левенька…»[5].

Маленький математик — в будущем всемирно известный ученый — физик. Но об этом пока ничего неведомо его родителям: отцу — видному бакинскому инженеру — нефтянику Давиду Львовичу Ландау и матери — врачу Любови Вениаминовне. Они серьезно озабочены необычным поведением своего младшего сына, совершенно несвойственным его возрасту. Самое большое для него удовольствие — уединиться в укромном месте и производить нескончаемые математические операции с числами.

В гимназии Ландау восхищает преподавателей своими успехами в точных науках. Но отметками по словесности он очень огорчает своих родителей.

Не следует, однако, думать, что, кроме мира чисел, для мальчика ничего не существует. Он увлекается произведениями Пушкина, Гоголя, Некрасова, а стихи и поэмы своего любимого поэта М. Ю. Лермонтова он знает наизусть…

Но вот Лева приносит свое сочинение по произведению А. С. Пушкина «Евгений Онегин», проверенное учителем. Написано оно хорошим слогом и ни одной орфографической ошибки. Подчеркнута карандашом лишь одна фраза: «Татьяна была довольно скучная особа». И… жирная единица.

— Неужели нельзя свое суждение иметь? — возмущается мальчик.

В 1921 году тринадцатилетний Ландау получил аттестат зрелости.

Что делать дальше? В таком возрасте в университет не примут… И один год Ландау учится в Бакинском экономическом техникуме. Самостоятельно изучает высшую математику. В тринадцать лет освоил дифференциальное исчисление, в четырнадцать лет — интегралы.

В 1922 году Ландау поступил в Бакинский университет, где учился сразу на двух факультетах: физико — математическом и химическом.

Великовозрастные студенты с удивлением взирали на своего малолетнего сокурсника:

— Мальчик, не ошибся ли ты адресом? Лучше ступай на двор, поиграй в бабки.

Но вскоре удивление сменяется восхищением, а покровительственный тон превращается в заискивающий.

К концу семестра студент Ландау первым блестяще сдает все зачеты. Он чуть ли не всему курсу помогает выполнять контрольные задания.

На лекциях по математике он не ведет конспекта. То, о чем рассказывает преподаватель, ему давно знакомо. Но не сидеть же без дела. И, отрешившись от окружающего мира, он исписывает формулами лист за листом, решая ведомую только ему проблему.

Наконец профессор обращает внимание на самого молодого студента, занятого, по всей видимости, «посторонним делом»…

— Ландау, к доске!.. Мой юный друг, очевидно, уже все знает, — говорит профессор. — Так не потрудитесь ли вы решить следующую э… э… задачку.

Студент некоторое вермя неподвижно стоит у доски: надо собраться с мыслями. И когда терпение профессора начинает иссякать, юноша поднимается на цыпочки и начинает писать с левого верхнего угла доски.

Профессор скептически следит за ходом решения. Уж очень оно не вяжется с учебной программой.

Но вот поставлена последняя точка. Ответ в точности совпал с приведенным в задачнике.

Теперь в растерянности находится профессор. Он еще и еще раз внимательно изучает написанное на доске.

— Поздравляю вас, юноша, — наконец произносит профессор. — Вы нашли новое, оригинальное решение…

В 1924 году Ландау добивается перевода в Ленинградский университет.

Тогда Ленинград был научным центром России. Лидеры русской физики А. Ф. Иоффе, Д. С. Рождественский, Д. А. Рожанский и другие выдающиеся деятели науки готовили здесь молодых ученых для молодой Советской Республики.

В то время научный мир был взбудоражен каскадом открытий в физике, коренным образом преобразовавших эту науку. Закладывались основы современной ядерной физики, квантовой механики, физики твердого тела… Создавались предпосылки овладения атомной энергией.

Кипели страсти на семинарах и диспутах.

Студент Ландау стремился быть всюду, где решаются научные проблемы. Приходилось работать по четырнадцать — пятнадцать часов в сутки.

Студенческие работы Ландау посвящены принципиальным вопросам новой, волнующей умы ученых области физики — квантовой механике. В журнале «Zeitschrift fur Physik» публикуется его первая научная статья.

По окончании университета Ландау поступает в аспирантуру Ленинградского физико — технического института в группу теоретиков, руководимую Я. И. Френкелем.

В 1928 году в Москве состоялся VI съезд физиков. Старанием Иоффе этот съезд превратился в событие большого научного значения. Он собрал всех видных советских физиков. Среди иностранных участников съезда были: Нильс Бор — основоположник современной теории строения атома, один из создателей квантовой механики Поль Дирак и другие.

Съезд открылся в большой физической аудитории университета на Моховой докладом аспирантов Ленинградского физико — технического института Л. Д. Ландау и Д. Д. Иваненко «Основы квантовой механики». Ландау сделал на съезде еще два доклада, вызвавших всеобщий интерес и оживленный обмен мнениями.

В конце 1929 года Ландау, как лучшего аспиранта, направляют в заграничную научную командировку.

Много соблазнов подстерегают молодого человека, впервые попавшего за границу. Но у Ландау на первом плане увлечение всей его жизни — наука.

В Берлине он встречается с творцом теории относительности Альбертом Эйнштейном. В Геттингене он участник семинара одного из светил мировой физики Макса Борна, а в Лейпциге он обсуждает проблемы квантовой механики с одним из ее основоположников Вернером Гейзенбергом.

Затем он едет в Копенгаген. Здесь его радушно встречает Нильс Бор.

— Хорошо, что вы приехали! Мы от вас многому научимся, — говорит маститый ученый, пожимая руку молодому советскому физику.

Легко представить себе, как был польщен таким приемом юный аспирант.

Правда, через несколько дней Ландау узнал, что Бор по доброте душевной так встречает каждого прибывшего к нему на семинар.

Участие в семинаре знаменитого датского физика сыграло громадную роль в формировании Ландау как теоретика. Этот семинар привлекал физиков- теоретиков всей Европы. В результате дискуссий здесь решались ключевые проблемы теоретической физики. Впоследствии Ландау не прекращал связи с Бором, который считал его своим лучшим учеником.

Далее Ландау держит путь к берегам туманного Альбиона. В знаменитой Кавендишской лаборатории он встречается со своим соотечественником Петром Капицей, прибывшим сюда на несколько лет раньше. Тогда Ландау не мог знать, что этот человек в дальнейшем сыграет немаловажную роль в его научной судьбе.

По возвращении на континент Ландау спешит в Цюрих. Он предвкушает радость общения с Вольфгангом Паули, чьи работы сыграли огромную роль в познании строения атомов.

Заграничная научная поездка Ландау длилась полтора года. Все это время он работал так же интенсивно, как у себя на родине. В этот период Ландау построил свою знаменитую теорию электронного диамагнетизма металлов, получившую мировое признание и вошедшую в физику под его именем.

Вскоре после возвращения в Ленинград Ландау переехал в Харьков. Здесь в Украинском физико — техническом институте он в 1932 году возглавил теоретическую группу.

С 1937 года до конца своей жизни (он скончался 1 апреля 1968 года) Ландау работал в Москве в Институте физических проблем Академии наук СССР, В 1946 году Ландау избирают действитель — ным членом Академии наук СССР. Трижды ему присуждалась Государственная премия, а за цикл книг по теоретической физике он был удостоен Ленинской премии (совместно с Е. М. Лившицем).

Советский академик, Герой Социалистического Труда Ландау был избран членом Лондонского королевского общества, членом Датской и Нидерландской академий наук, Национальной академии наук США, Американской академии наук и искусств.

Трудно назвать область современной физики, в которую Ландау не внес бы существенный вклад. Физика твердого тела и теория космических лучей, квантовая теория поля и физика ядра, физика элементарных частиц… Он опубликовал свыше 120 научных работ.

Благодаря его работам возник ряд новых научных направлений. Подобно цепной реакции, они вызвали сотни и тысячи теоретических и экспериментальных исследований.

Одной из наиболее значительных работ Ландау является созданная им в 1941 году теория сверхтекучести гелия И.

Теория Ландау дала полную картину всех исследованных к тому времени свойств гелия II и подсказала ряд новых явлений.

Приступая к решению загадок «солнечного газа», Ландау начал с изучения кривой зависимости теплоемкости жидкого гелия от температуры, которую в течение трех десятилетий с удивлением созерцали многие исследователи разных стран.

Взглянем и мы с вами, читатель, на эту кривую. В окрестности перехода гелия I в гелий II она удивительно напоминает греческую букву лямбда.

Поэтому температуру перехода жидкого гелия из одного состояния в другое принято называть лямбда — точкой.

По обе стороны лямбда — точки. Скупые линии графика бесстрастно регистрируют поразительные изменения удельной теплоемкости жидкого гелия в лямбда — точке.

Вправо от этой точки гелий ведет себя как обычная классическая жидкость. Влево — он приобретает удивительное свойство, сверхтекучесть.

Переход вещества из одного состояния в другое — явление далеко не новое в природе.

Простейший пример — вода, которая предстает перед нами в трех обличиях: в твердом состоянии — лед, в жидком — собственно вода и, наконец, в виде пара.

В науке такие превращения получили название фазовых переходов.

Повседневно наблюдаемые переходы, при которых происходит кипение, плавление или затвердевание вещества, сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Это и есть та цена, которой приходится расплачиваться за перевод вещества из одного состояния в другое. При этом объем тела изменяется скачкообразно.

Однако переход гелия I в гелий II происходит без скрытой теплоты.

Такие переходы были известны и ранее, например, при резком изменении магнитных свойств вещества при определенной температуре. В отличие от обычных переходов, связанных со скрытой теплотой, они получили название фазовых переходов второго рода.

Ландау был первым физиком, детально исследовавшим природу фазовых переходов и создавшим теорию этих переходов.

Он показал, что при фазовых переходах второго рода действительно не должна выделяться скрытая теплота, а объем тела будет изменяться непрерывно. При этом должны скачкообразно изменяться вторичные термодинамические параметры: теплоемкость, сжимаемость и другие.

Экспериментальные данные измерений феноменального скачка теплоемкости и некоторых других параметров в точке перехода гелия I в гелий II блестяще подтвердили теоретические расчеты Ландау.

Так была разгадана первая загадка «солнечного газа»: преобразование гелия I в гелий II есть фазовый переход второго рода.

Теперь ученому предстояло, подобно герою старой сказки, разгадать еще ряд загадок возрастающей сложности.

— Удивительная метаморфоза гелия при температуре 2,2К, — рассуждал ученый, — не просто фазовый переход второго рода. Это качественно новое явление: классическая жидкость превращается в квантовую жидкость.

Что такое квантовая жидкость?

В микромире электронов, атомных ядер, атомов и молекул действуют свои закономерности, которые невозможно описать законами обычной (классической) механики, установленными на основании изучения движения тел большой массы.

В этом микромире целый ряд физических величин при определенных условиях могут принимать только дискретный (прерывистый) ряд значений, то есть они, как говорят физики, квантуются.

Отсюда и произошло название квантовой механики, возникшей в середине двадцатых годов новой отрасли теоретической физики, изучающей законы микромира.

Другой важный принцип квантовой механики заключается в так называемом соотношении неопределенностей, согласно которому чем точнее фиксировано положение частицы в пространстве, тем больше разброс ее скорости.

Можно представить себе, что произошло, если бы принцип неопределенности оказывал существенное влияние и на события, происходящие в окружающем нас макромире.

Предположим, что мы с вами находимся на железнодорожном вокзале.

«Поезд Москва — Ленинград отправляется в двадцать два часа пятнадцать минут со второй платформы», — объявляет диктор радиоузла.

Итак, положение «материальной частицы» в пространстве, в данном случае железнодорожного состава, определено точно. При этом условии в соответствии с принципом неопределенности никто не смог бы определить скорость поезда, а следовательно, время его прибытия на конечный пункт.

Более того, поезд вместо Ленинграда мог бы очутиться, например, в Кременчуге.

Впрочем, если поезд действительно опаздывает либо груз засылается не по назначению (а такие случаи еще, к сожалению, наблюдаются), железнодорожникам не следует оправдываться ссылкой на квантовую механику.

Принцип неопределенности действует только в микромире, а тела «больших» масс, с которыми нам приходится встречаться в обыденной жизни, полностью подчиняются законам классической механики, которые человечество твердо усвоило еще во времена Ньютона.

Однако своенравные обитатели микромира не подчиняются твердому расписанию.

С понижением температуры постепенно «замерзают» все виды теплового движения частиц.

Наконец, при абсолютном нуле температуры всякое движение должно прекратиться и частицы должны находиться в абсолютном покое, каждая на своем месте. Следовательно, при абсолютном нуле температуры любое вещество должно было бы неминуемо перейти в твердое состояние.

Такую картину можно себе представить на основе законов классической физики. Однако, как мы уже знаем, именно в микромире действует принцип неопределенности.

Попытка локализировать частицу приводит к появлению у нее скорости. А это значит, что и при абсолютном нуле температуры частицы не могут оставаться в покое. Они совершают колебания, которые так и называются: нулевые колебания.

Амплитуда таких колебаний зависит от массы атомов и силы взаимодействия между ними. Чем меньше масса атомов и чем меньше сила взаимодействия между ними, тем больше амплитуда нулевых колебаний.

Если амплитуда нулевых колебаний превосходит или даже сравнима с межатомными расстояниями, то тела не могут затвердевать и должны оставаться жидкими вплоть до абсолютного нуля температуры.

Большинство тел успевают затвердевать прежде, чем начинают проявляться квантовые закономерности.

Гелий является единственным веществом, которое при атмосферном давлении не затвердевает при сколь угодно низкой температуре. Он оставался бы жидким даже при абсолютном нуле температуры, так как у него амплитуда нулевых колебаний достаточно велика.

Жидкий гелий может перейти в твердое состояние только при повышении давления до 25 атмосфер.

…Посторонние шумы, или, как их называют, помехи, врывающиеся подчас в репродуктор вашего приемника, мешают слушать передачу. Если приемник достаточно чувствителен, то, чуть — чуть повернув ручку, вы можете отстроиться от помех.

Тепловые колебания можно уподобить таким помехам.

По мере охлаждения жидкости интенсивность тепловых колебаний уменьшается. Уже сравнительно недалеко до абсолютного нуля температуры. Но, увы, жидкость превращается в твердое тело прежде, чем тепловые колебания успевают затухнуть в достаточной степени.

Гелий оказался исключением. При его охлаждении до достаточно низкой температуры удается «отстроиться» от тепловых помех.

Гелий является квантовой жидкостью, его свойства можно объяснить на основании законов квантовой механики.

Здесь уместно вспомнить, что камеру Вильсона, с помощью которой удалось впервые воочию наблюдать траекторию микрочастиц, физики назвали «окном в атомный мир».

По аналогии гелий II можно назвать «окном в мир квантовой механики», созданным самой природой.

Ландау был первым физиком, заглянувшим в это окно.

Мы уже говорили о том, что амплитуда нулевых колебаний атомов гелия сопоставима с межатомными расстояниями. Следовательно, в этом случае нет смысла говорить об отдельных атомах, а нужно рассматривать гелий II как единую систему взаимодействующих частиц.

Из квантовой механики известно, что такая система может поглощать и отдавать энергию только определенными порциями — квантами.

По мысли Ландау, такие поглощенные телом кванты ведут себя как особые частицы, движущиеся в объеме тела. Они получили название — квазичастицы (дословный перевод этого слова: «почти частицы»).

Не вдаваясь в подробности, заметим, что количество квазичастиц в теле тем больше, чем больше энергия тела, или, что то же самое, чем выше его температура.

Такое положение сохраняется при достаточно низких температурах, пока число квазичастиц невелико и их можно рассматривать как газ.

В обычных жидкостях происходит все иначе: они затвердевают задолго до того, как их возбуждения могут быть описаны с помощью газа квазичастиц.

Из теории Ландау следует, что вплоть до определенной скорости движения в сверхтекучем гелии II не могут образовываться новые квазичастицы, а следовательно, не может изменяться его энергия. Поэтому до достижения этой скорости гелий II должен течь как идеальная, невязкая, то есть сверхтекучая жидкость.

Произведя критический анализ экспериментальных данных, Ландау пришел к совершенно парадоксальному на первый взгляд выводу.

Гелий II мыслится как совокупность двух жидкостей, которые могут двигаться независимо. Словно привидение в старинном замке, они проходят одна через другую, не испытывая при этом никакого трения.

Читатель, разумеется, должен иметь в виду, что такая «двухжидкостная модель» гелия II является лишь удобным способом описания происходящих в нем явлений. Можно также сказать, что гелий II — это одна жидкость, которая способна совершать два движения одновременно.

— 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.

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.

Казалось, что такие частицы, как электроны, которые, как бы чувствуя взаимную антипатию, обладают свойством отталкиваться друг от друга, не могут ни при каких условиях образовать соединение, состоящее из четного числа частиц.

Значит ли это, что электронная жидкость не способна перейти в сверхтекучее состояние, а следовательно, металлы не должны обладать свойством сверхпроводимости?

Физики — теоретики продолжали усиленно работать над проблемой природы сверхпроводимости.

Никто не хотел очутиться в положении ребенка, который, впервые увидев в зоологическом саду жирафа, воскликнул:

— Этого не может быть!


Следующая глава >>