5. Загадки жидкого гелия. Невидимка оставляет мокрые следы. Рассерженные змеи. Двуликий Янус. Есть вязкость, и нет вязкости. Современный рог изобилия.

5. Загадки жидкого гелия. Невидимка оставляет мокрые следы. Рассерженные змеи. Двуликий Янус. Есть вязкость, и нет вязкости. Современный рог изобилия.

Гейке Камерлинг — Оннес, первый в 1908 году получивший гелий в жидком виде, до конца своей жизни был чрезвычайно удручен тем обстоятельством, что ему никак не удавалось перевести эту жидкость в твердое состояние.

Исследуя жидкий гелий, он столкнулся с рядом не менее загадочных обстоятельств.

Оказалось, например, что при температуре 2,2К удельная теплоемкость жидкого гелия вдруг резко увеличилась. Этот результат был до того неожиданным и непостижимым, что Оннес решил его не опубликовывать: боялся прослыть мистификатором.

Загадки жидкого гелия интриговали не только лейденского исследователя.

«Солнечный газ», казалось, поставил себе целью удивить землян. Правда, при охлаждении ниже 4,2К он сначала ведет себя как обычная жидкость. «Чудеса» начинаются с понижением температуры до 2,2К. В этот критический момент резко меняется внешний вид сжиженного гелия — он внезапно перестает кипеть по всему объему и превращается в спокойную «мертвую» жидкость, испаряющуюся только на открытой поверхности и обладающую к тому же рядом поразительных свойств.

Представьте себе два открытых только сверху сосуда, расположенных один внутри другого и заполненных жидкостью, уровень которой в обоих сосудах одинаковый (рис. 1). Поднимем внутренний сосуд относительно внешнего так, чтобы он занял положение, изображенное на рисунках 2 и 3.

Если проводить этот опыт с обычной жидкостью, то ее уровень во внутреннем сосуде станет выше уровня во внешнем сосуде (рис. 2). Такое состояние будет сохраняться в течение весьма длительного времени.

Если подобный эксперимент провести с жидким гелием, охлажденным до достаточно низкой температуры, то, изменяя положение одного сосуда относительно другого, мы не сможем сделать уровни жидкости различными. Она каким?то образом переходит из одного сосуда в другой, и уровни в сосудах становятся одинаковыми (рис. 3).

Удивительное поведение жидкого гелия, охлажденного до достаточно низкой температуры. Словно влекомая какой?то неведомой силой, жидкость переходит из сосуда в сосуд.

Вполне возможно, что человека, проделавшего такой опыт в средние века, предали бы сожжению на костре. Но в наш век наука ищет материалистическое объяснение подобных «чудес».

На протяжении тридцати лет десятки и сотни исследователей провели тысячи экспериментов с жидким гелием.

Они наблюдали поразительное изменение его свойств при глубоком охлаждении.

Первым, кто произнес «магическое» слово, объясняющее природу чудесного превращения жидкого гелия, был выдающийся советский ученый — физик П. Л. Капица.

Это слово: «Сверхтекучесть».

…Петр Леонидович Капица родился 8 июля 1894 года в Кронштадте.

Его отец — Леонид Петрович, инженер в чине генерала, участвовал в строительстве Кронштадтской крепости. Мать — Ольга Иерони- мовна была педагогом и детской писательницей.

Уже во время учебы в Кронштадтском реальном училище Капица проявил способности: склонность к физике и электротехнике. Он получил свободный доступ в физический кабинет училища, где проводил физические и химические опыты и ремонтировал приборы.

В 1912 году Капица поступил в Петербургский политехнический институт. В то время физической лабораторией этого института заведовал Абрам Федорович Иоффе. Он обратил внимание на способного и трудолюбивого студента, привлек Капицу к работе в лаборатории.

Первая научная статья Капицы «Приготовление волластоновских нитей» была опубликована в 1916 году в «Журнале русского физического общества». В ней описан оригинальный метод изготовления тончайших кварцевых нитей для физических приборов.

По методу Капицы нити протягивались путем… стрельбы из лука. После обмакивания стрелы в расплавленный кварц натягивали тетиву. Увлекаемая стрелой кварцевая нить застывала на лету и падала на подостланное полотно.

Такое весьма своеобразное изготовление волла- стоновских нитей свидетельствовало о склонности молодого исследователя к оригинальным и удивительно простым решениям технических проблем. Эта особенность ученого ярко проявилась в его последующих работах.

В 1918 году, по окончании политехнического института, Капица остается в нем преподавателем и одновременно работает в одном из первых научно — исследовательских учреждений Советской России, известным ныне под названием ордена Ленина Физико — технический институт имени А. Ф. Иоффе.

Этот институт сыграл выдающуюся роль в развитии советской физики. Его основатель и первый директор Иоффе создал научную школу, воспитавшую многих видных ученых — физиков.

В 1921 году советское правительство по инициативе В. И. Ленина приняло решение направить за границу нескольких петроградских ученых. В числе первых «полпредов» советской науки был и Капица.

В мае 1921 года Капица приезжает в Англию и вскоре приступает к практическим занятиям в Кавендишской лаборатории в Кембридже.

В то время эта лаборатория, возглавляемая «отцом» ядерной физики Эрнестом Резерфордом, считалась одним из мировых научных центров. Ученые из многих стран стремились сюда попасть для приобретения опыта в казавшейся тогда фантастической области ядерной физики.

Каким образом Капица оказался в этом «храме науки»?

Вот что писал Петр Леонидович в июле 1922 года, вскоре после поступления в Кавендишскую лабораторию, своей матери Ольге Иеронимовне:

«Представь себе молодого человека, приезжающего во всемирно известную лабораторию, находящуюся при университете, самом аристократическом, консервативном в Англии, где обучаются королевские дети. И вот в этот университет принимается этот молодой человек, никому не известный, плохо говорящий по — английски и имеющий советский паспорт. Почему его приняли? Я до сих пор этого не знаю. Я как?то спросил об этом Резерфорда. Он расхохотался и сказал: «Я сам был удивлен, когда согласился вас принять, но, во всяком случае, я очень рад, что сделал это…»

Знаменитый ученый не ошибся в своем выборе.

Каждый поступающий в Кавендишскую лабораторию должен был пройти физический практикум, рассчитанный на два года. Капица, ко всеобщему удивлению, сдал зачеты за две недели.

Резерфорд довольно скоро оценил достоинства своего русского ученика и стал поручать ему ответственные задания.

Разумеется, главным направлением работы лаборатории были атомные исследования.

Уже немало было известно о «невидимках» — обитателях этого удивительного микромира.

Но существует ли невидимка на самом деле? До поры до времени скептики говорили: «Да, все ваши расчеты правильны. Но мы привыкли доверять лишь собственным глазам. И мы поверим только после того, как вы покажете нам самого невидимку».

Напомним, что герой научно — фантастического романа Г. Уэллса «Человек — невидимка» был обнаружен по следам, которые он оставлял на влажной почве.

Мы не знаем, как все обстояло в действительности, но вполне возможно, что молодой английский физик Г. Вильсон, прочитав упомянутый роман, воскликнул: — И наш невидимка может оставлять «мокрые следы»!

В 1912 году Г. Вильсон сконструировал свою знаменитую камеру, которую его восторженные современники назвали «окном в атомный мир». Принцип действия камеры Вильсона заключается вкратце в следующем.

Заряженная частица (например, электрон), попадая в герметичную камеру, заполненную газом (гелием, азотом или аргоном) и насыщенным паром воды или этилового спирта, сталкиваясь с молекулами газа, ионизирует их, образуя таким образом вдоль своего пути цепочку ионов.

Если в этот момент резко понизить температуру внутри камеры путем расширения газа (для чего одна из стенок камеры делается подвижной), то пар становится перенасыщенным и происходит конденсация пара на ионах как центрах конденсации. При этом вокруг ионов образуются капельки тумана видимых размеров, которые можно наблюдать и фотографировать, обнаруживая тем самым следы частиц.

Но одно дело регистрировать путь движения микрочастиц, другое дело уметь управлять ими. И Капица приступает к решению следующей по своей сложности задачи. Ему предстояло измерить импульс альфа — частиц, выделяющихся при радиоактивном распаде. Для этого надо было значительно искривить траекторию альфа — частицы, поместив камеру Вильсона в сильное магнитное поле. Но техника тех дней не знала способов создания магнитных полей, достаточно мощных для такой цели.

Тогда исследователи получали сильные магнитные поля с помощью электромагнита, состоящего из катушки с проводом и железного сердечника.

Пределом было поле 5 тесла. Превысить эту величину не удавалось.

Пытались увеличить размеры установки.

Парижский физик Коттон построил гигантский электромагнит весом 100 тонн, израсходовав при этом несколько миллионов золотых франков.

Эффект был мизерный.

Напряженность поля удалось повысить лишь на 25 % по сравнению с обычным лабораторным магнитом.

Капица избрал другой путь. Он использовал соленоид — катушку без сердечника. В соленоиде нет предела, обусловленного магнитным насыщением железа. Беда заключается в том, что для соленоида требуется гораздо более сильный ток, чем для электромагнита, и тут вступает в действие тепловой эффект тока. Предел роста напряженности магнитного поля наступает быстро. При дальнейшем увеличении силы тока соленоид расплавляется.

Известно, что тепловое действие тока зависит от времени. И Капица использует фактор времени.

Он пропускает через соленоид очень сильный электрический ток почти мгновенно, импульсно — в течение сотой доли секунды. За столь короткий промежуток времени катушка не успевает расплавиться, но его достаточно для проведения измерений.

Так в экспериментальную технику вошел метод мощных импульсных полей.

О результате эксперимента Капица рассказал в письме к матери от 29 ноября 1922 года:

«…Вот лежит фотография — на ней только три искривленных линии — полет альфа — частицы в магнитном поле страшной силы… Странно: всего три искривленные линии! Крокодил очень доволен этими тремя искривленными линиями. Правда, это только начало работы, но уже из этого первого снимка можно вывести целый ряд заключений, о которых прежде или совсем не подозревали, или же догадывались по косвенным фактам… Ко мне в комнату — в лабораторию — приходило много народу смотреть три искривленные линии, люди восхищались ими…»

В этом письме Крокодилом Капица называет Резерфорда.

Дело в том, что Резерфорд обладал громким голосом и не умел им управлять. Рокотание могучего баса шефа, встретившего кого?либо в коридоре, предупреждало сотрудников лаборатории о его приближении.

Это дало Капице основание прозвать Резерфорда «Крокодилом», очевидно, по аналогии с героем популярной английской детской книжки — Крокодилом, проглотившим будильник. Тикание этого будильника предупреждало детей о приближении страшного зверя.

Примечательно, что Резерфорд знал об этом прозвище и не обижался. Большой ученый понимал чувство юмора.

Сначала Капица в качестве источника тока использовал аккумулятор малой емкости.

Затем этот аккумулятор был заменен построенным по специальному проекту синхронным генератором.

В конструировании этой уникальной машины, содержащей массивный ротор весом в две с половиной тонны, вращающийся со скоростью полторы тысячи оборотов в минуту, принимал участие сам Капица. С помощью такой установки он получал импульсные поля величиной свыше 30 тесла, превысив в шесть раз предел, достигнутый техникой того времени. Впоследствии, продолжая опыты в Москве, он добился еще более высокого поля — 50 тесла.

Появление установок Капицы явилось переломным моментом в истории Кавендишской лаборатории. В период основания этот старинный научный центр расценивался современниками как некое «чудо техники». Но проходили годы, и в практике проведения физических исследований здесь существенных усовершенствований не наблюдалось. Они осуществлялись с помощью достаточно простых средств.

Капица создавал новый научно — технический фундамент физических исследований с применением достижений техники, сильного электрического тока, мощных магнитных полей.

О том, какое впечатление произвела лаборатория Капицы на «отца» кибернетики, известного американского математика Норберта Винера, свидетельствуют следующие строки из его воспоминаний: «…В Кембридже была все же одна дорогостоящая лаборатория, оборудованная по последнему слову техники. Я имею в виду лабораторию русского физика Капицы, создавшего специальные мощные генераторы, которые замыкались накоротко, создавая токи огромной силы, пропускающиеся по массивным проводам; провода шипели и трещали, как рассерженные змеи, а в окружающем пространстве возникало магнитное поле колоссальной силы… Капица был пионером в создании лабораторий — заводов с мощным оборудованием…»

В 1924 году П. Л. Капица вступил в должность помощника директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям. Овладев техникой возбуждения мощных магнитных полей, он приступает к решению еще одной задачи: изучению поведения металлов и полупроводников в магнитном поле.

Такого рода исследования обычно проводятся при низких температурах, и Капице понадобились жидкие водород и гелий.

Читатель помнит, сколько усилий пришлось затратить Камерлинг — Оннесу и его сотрудникам для того, чтобы получить лишь несколько десятков кубических сантиметров жидкого гелия. В то время техника сжижения газов недалеко шагнула вперед.

Правда, Капице для его опытов нужно было не так уж много жидкого газа, и никто не бросил бы ему и слова упрека, если бы он использовал для этой цели существующие в то время в Кембридже сжижительные установки. Но ученый предвидит, какую роль призваны сыграть в науке и технике жидкие газы, имеющие низкие температуры кипения, и приступает к самостоятельному решению проблемы сжижения газов.

Капица начал с детандерного ожижителя гелия. Это было очень смелое решение.

В то время казалось, что возможности детандера, представляющего собой цилиндр с поршнем (на-< помним, что о нем речь шла в третьей главе), полностью исчерпаны.

Поршень требует смазки, а при такой низкой температуре, при которой сжижается гелий, все смазочные материалы, как и вообще все жидкости, затвердевают.

Но Капица и на этот раз находит простое и оригинальное решение задачи. Смазку поршня должен осуществлять… сам сжижаемый газ!

В детандере своей конструкции Капица оставляет небольшой зазор, порядка нескольких сотых миллиметра, между поршнем и стенкой цилиндра. Сжатый газ пытается ускользнуть через этот зазор. Но поршень производит расширение так быстро, что успевает просочиться только маленькое количество гелия.

Так были одновременно решены две проблемы: смазка и уплотнение поршня.

Быстродействующие детандеры конструкции советского ученого получили распространение во всем мире.

Сжижение атмосферных газов можно было, как выражаются производственники, «поставить на поток».

Наступила новая эра в криогенике.

Признание выдающихся научных и инженерных достижений Капицы выразилось, в частности, в том, что его избрали членом Лондонского королевского общества.

В 1929 году П. Л. Капица был избран членом — корреспондентом Академии наук СССР (с 1939 года он действительный член Академии наук СССР).

Масштаб исследований в области низких температур, проводимых Капицей, все расширялся. В 1932 году на территории Кавендишской лаборатории была построена специальная криогенная лаборатория Лондонского королевского общества, так называемая Мондская лаборатория, директором которой был назначен П. Л. Капица.

Осенью 1934 года Капица возвратился в Москву. Уникальное оборудование Мондской лаборатории было по решению советского правительства закуплено у Лондонского королевского общества. Его смонтировали во вновь организованном научно- исследовательском институте, возглавленном П. Л. Капицей.

По предложению Капицы новое научное учреждение было названо так: «Институт физических проблем».

«Это несколько необычное название, — говорил Капица, — должно отражать собой то, что институт не будет заниматься какой?либо определенной областью знания, а будет, вообще говоря, институтом, изучающим известные научные проблемы, круг которых определится тем персоналом, теми кадрами ученых, которые в нем будут работать».

П. Л. Капица сам разработал проект вверенного ему института и принимал непосредственное участие в руководстве его строительством. Это было совсем нелегким делом: не хватало строительных материалов, мало было квалифицированных рабо- чих — строителей.

Наконец организационные трудности были преодолены, и Капица смог продолжить криогенные исследования.

Прежде всего надо было усовершенствовать существующую аппаратуру. Время неумолимо движется вперед, и техника не терпит застоя.

А что, если вместо возвратно — поступательного движения поршня, непрерывное вращение колеса? Газ, работая, теряет энергию и охлаждается. Так возникла идея турбинного детандера, или, сокращенно, турбодетандера.

— Использовать турбину для сжижения газов? Невероятно! Такая машина, если ее и удастся осуществить, будет иметь слишком маленький коэффициент полезного действия, — в один голос заявляли видные турбостроители.

Однако и на этот раз Капица — физик подсказал Капице — инженеру удачное решение задачи.

При разработке конструкции турбодетандера Капица учел, что воздух при низкой температуре ближе к жидкости, чем к газу. Построенный им в 1938 году турбодетандер реактивного типа с радиальным ходом газа больше похож на гидротурбину, чем на газовую турбину. Этот турбодетандер имеет достаточно большой коэффициент полезного действия 0,85.

Новые машины для сжижения газов отличались компактностью. Например, турбодетандер, имеющий ротор весом всего 250 граммов, обладает производительностью 600 кубических метров жидкого воздуха в час. А из жидкого воздуха достаточно просто получить кислород и азот — газы, которые жадно «вдыхает» промышленность. Без кислорода немыслимо выплавить высококачественную сталь, он питает реактивные двигатели, широко применяется в ряде других отраслей промышленности. Жидкий азот и жидкий воздух используются в машиностроении. Сейчас даже студенты на физическом практикуме в некоторых институтах получили возможность использовать для своих опытов жидкий гелий.

…Ученый в который раз наблюдал, как кипящая по всему объему жидкость, мгновенно преобразившись, мирно покоится в сосуде.

Получается так, что жидкий гелий, подобно римскому божеству Янусу, обладает двумя обличиями.

Выше температуры 2,2К существует гелий, который ведет себя как обычная «нормальная» жидкость, его назвали гелий I. Ниже этой температуры гелий приобретает необычные свойства. Его наименовали гелий II.

Уже были тщательно измерены многие характеристики гелия II. Особенно поразили ученый мир результаты экспериментов, проведенных в Лейдене нидерландскими физиками — отцом и дочерью В. и Т. Кеезомами. Оказалось, что разность температур между концами заполненного гелием II капилляра выравнивается чрезвычайно быстро. Расчеты показали, что теплопроводность гелия II превышает в три миллиона раз теплопроводность гелия I и в сотни раз больше, чем у самых теплопроводных веществ из существующих в природе — серебра и меди. В этом смысле о гелии II можно говорить как о сверхтеплопроводящей жидкости.

Капица еще и еще раз перепроверял все имеющиеся данные.

«Только когда работаешь в лаборатории сам, своими руками проводишь исследования, только при этом условии можно добиться настоящих успехов в науке. Чужими руками хорошей науки не сделаешь», — напишет впоследствии Капица в одной из своих статей…

Ученому предстояло установить, какие свойства этой удивительной жидкости являются первичными, а какие вторичными.

Одним из основных свойств жидкости является ее вязкость, то есть способность оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой. Количественно это свойство характеризуется коэффициентом вязкости.

Один из способов измерения вязкости заключается в измерении скорости вытекания жидкости из капилляра под действием силы тяжести.

Скорость жидкости имеет наибольшую величину в средней части капилляра и убывает при приближении к стенке. Различные слои жидкости движутся с разными скоростями: между ними действуют силы трения, от величины которых зависит скорость вытекания.

Проведя тщательные эксперименты по измерению вязкости жидкости таким способом, Капица установил, что гелий II протекает через капилляры диаметром в сто тысячные доли сантиметра практически без сопротивления.

Для того чтобы повысить чувствительность метода, Капица заменил капилляр длинной узкой щелью шириной в полмикрометра, через которую можно было пропускать большие массы жидкости. Через такую щель гелий I протекал едва заметно, а гелий II преодолевал это препятствие за несколько секунд.

Измерения показали, что вязкость гелия II не превышает одну триллионную долю пуаза[4], что, по крайней мере, в десять тысяч раз меньше вязкости наименее вязкого из всех известных в природе веществ газообразного водорода.

Практически гелий II — жидкость с нулевой вязкостью.

Это открытое ученым в 1938 году замечательное свойство гелия II Капица назвал сверхтекучестью.

Пройдет сорок лет. Капица завершит свои исследования свойств гелия II. Но жизнь ставит перед пытливыми исследователями все новые задачи.

Капица исследует природу шаровой молнии, разрабатывает новое направление в технике — электронику больших мощностей, усиленно работает над проблемой номер один современной физики — освоением управляемых термоядерных реакций. В решении этих и многих других проблем он добивается выдающихся результатов. Заслуги ученого высоко оценены советским правительством и мировой научной общественностью. Дважды ему присуждается Государственная премия I степени. Он дважды Герой Социалистического Труда. Международные награды: золотая медаль Ломоносова, премия Максвелла, медаль Фарадея, Большая золотая медаль Франклина, золотая медаль Нильса Бора и другие.

О своих криогенных исследованиях Капица, по собственному полушутливому признанию, начал забывать.

…В один из осенних дней 1978 года на стол директора Института физических проблем референт, как обычно, положил увесистую кипу корреспонденции. Тут свежие номера отечественных и зарубежных научных журналов, письма зарубежных коллег, многословные служебные циркуляры… Среди них не сразу можно было разглядеть небольшой телеграфный бланк.

Вот что выстучал бесстрастный телетайп:

«Дорогой академик Капица!

Мне доставляет удовольствие сообщить Вам, что Шведская королевская академия наук решила сегодня присудить Нобелевскую премию по физике в двух равных частях. Одну часть решено присудить Вам за Ваши фундаментальные исследования в области физики низких температур, а другую часть поровну разделить между доктором Арно Пензиас и доктором Робертом Уилсоном (США) за открытие ими фонового микроволнового излучения из космоса.

О. Б. Бернард, генеральный секретарь».

Вернемся, однако, к дням, ставшим ныне достоянием истории.

В то время, когда Капица у себя в лаборатории наблюдал, как через узкую щель с почти молниеносной быстротой проскакивал проворный гелий II, канадские физики из Торонто исследовали вязкость этого вещества другим способом, который заключается в измерении времени затухания крутильных колебаний диска, подвешенного на упругой струне в жидком гелии.

Жидкость вблизи диска увлекается его движением, а вдали практически находится в состоянии покоя. Различные слои жидкости перемещаются с разными скоростями, и возникающая при этом сила внутреннего трения приводит в конце концов к тому, что энергия колебаний превращается в тепло. Зная время затухания колебаний диска, можно определить вязкость.

Эксперименты, проведенные канадскими физиками, показали, что гелий II имеет вполне определенную и измеряемую вязкость.

В чем же здесь дело?.. Неужели это потому, что климат в Канаде отличается от московского?

Капица повторяет эксперименты своих канадских коллег, и крутильные колебания диска затухают с такой же интенсивностью, как и в далеком Торонто.

Это, пожалуй, единственный случай в науке, когда измерения одной и той же физической величины разными методами дали диаметрально противоположные результаты.

Выходит, что гелий II имеет вязкость и… не имеет вязкости.

Неожиданным был результат и следующего опыта Капицы.

Гелий II выпускали из сосуда через узкую щель. Оказалось, что жидкость в сосуде каким?то непостижимым образом нагревается, а вытекающий гелий, наоборот, охлаждается. Создавалось впечатление, что гелий II, покидая сосуд, «великодушно» оставляет там свое тепло.

Поиски истины упорно продолжались…

В замкнутом сосуде, частично заполненном гелием II, установлен нагреватель. Этот сосуд имеет единственный выход в окружающий гелий II. За выходным отверстием сосуда расположен лепесток. При включении нагревателя возникает движение гелия II. Действительно, лепесток отклоняется, показывая, что жидкость на самом деле вытекает из сосуда. Самое поразительное заключается в том, что при этом уровень жидкости в сосуде не понижается. Можно проводить опыт как угодно долго, а лепесток все время будет отклонен. Как из сказочного рога изобилия, жидкость все время вытекает, а ее количество не изменяется.

После каждого последующего эксперимента поведение гелия II представлялось все более и более загадочным.

Нужно было тщательно проанализировать и теоретически осмыслить результаты экспериментальных исследований.

В то время теоретический отдел Института физических проблем возглавлял Лев Давидович Ландау.

Рог изобилия, или еще один сюрприз жидкого гелия: I— нагреватель; 2— лепесток. Жидкость непрерывно вытекает из сосуда, а ее уровень в сосуде остается неизменным.

Это было счастливым стечением обстоятельств, что бок о бок работали два будущих лауреата Нобелевской премии: блестящий физик — экспериментатор, организатор науки П. Л. Капица и всемирно известный теоретик Л. Д. Ландау, связанные многолетним сотрудничеством и личной дружбой.

Капица открыл сверхтекучесть, Ландау создал теорию этого удивительного явления.