Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Создание теории сверхтекучего гелия

Для объяснения теоретиков мирового класса. Дело осложнялось и тем, что пока шли все эти исследования, наступили еще более тяжелые времена: в 1939 г. в Европе началась вторая мировая война.

Тем не менее, научная работа в ряде центров, в том числе в ИФП, продолжалась. Результаты открытий П. Л. Капицы и его предшественников были опубликованы и стали известны теоретикам; некоторые из них, в частности Ф. Лондон из Оксфорда, сделали первые шаги к созданию теории Не II. Но решающие заслуги в этом связаны с именами двух еще молодых в то время людей.

Первым из них был венгерский физик Ласло Тисца (Тисса), которому в 1938 г., когда он разрабатывал теорию Не II, шел 31-й год. Он учился в Геттингенском и Лейпцигском университетах, а в 1932 г. получил докторскую степень в Будапештском университете. В 1935-1937 гг. работал в Харьковском физико-техническом институте вместе с Л. В. Шубниковым, где и приощился к криофизике. С 1937 г. работал в Коллеж де Франс в Париже, а затем с 1941 г. в Массачусетском технологическом институте (США).

Л. Тисца предложил безумную, на первый взгляд, идею, основанную на предположении, что Не II представляет собой композицию из двух взаимопроникающих жидкостей - сверхтекучей, обладающей нулевой вязкостью, и нормальной, имеющей вязкость и несущую некоторую внутреннюю энергию, обеспечивающую перенос тепла. Обе могут одновременно двигаться по одному каналу в противоположных направлениях, не взаимодействуя между собой. Такая "двухжидкостная модель" хорошо объясняла не только опыты Капицы, но и позволила предсказать некоторые другие эффекты, открытые впоследствии для Не II.

В опыте Капицы (рис. 7.10 а) при таком подходе отпадает необходимость в привлечении пристеночного течения встречного тонкого слоя для объяснения эффекта. По горловине колбочки просто идут два встречных потока: один - "нормальный" - наружу, выносящий энергию, подводимую греющей спиралью, и другой - встречный "сверхтекучий", идущий "сквозь" первый. Поскольку вязкостью обладает только нормальная жидкость, она давит на диск 4 и отклоняет его, а сверхтекучая жидкость, не имеющая вязкости, на него не действует. Смелая идея Тисцы вызвала двоякую реакцию: некоторые отвергли ее как фантастическую, но другие, в том числе Капица, хотя и не сразу, приняли ее.

П. Л. Капица предложил очень остроумную аналогию механизма "сквозного" течения двух встречных потоков частиц в Не II. Он сравнил их с потоками одетых и неодетых людей, которые движутся по проходу в раздевалке театра. Одетые будут представлять собой нормальные атомы гелия, получившие в гардеробе нужную им "энергию", а неодетые - это сверхтекучие атомы гелия, которые легко проходят мимо своих одетых собратьев. Правда, Капица замечает, что эта аналогия условна, поскольку на самом деле неодетым не так уж легко продвинуться через толпу одетых без трения; тем не менее она очень наглядна.

Двухжидкостная модель Тисцы была взята за основу рядом крупных физиков, чтобы развить ее и подкрепить основательной теоретической базой. Среди них были Ф. Лондон, Л. Ландау, Л. Онзагер, Р. Фейнман. Наибольший вкл в нее сделал Ландау, который после разгрома лаборатории Шубникова ежовскими борцами за уничтожение "шпионов и вредителей" уехал из Харькова. Его взял к себе П. Капица в Институт физических проблем заведующим теоретическим отделом. Этот переход был связан с рядом трудностей, которые все же удалось преодолеть. Однако Ландау был уже "под колпаком" НКВД.

Наивный гений Н. Бор, ничего, естественно, не знавший о ситуации, пригласил Ландау поработать в Данию. П. Л. Капица дипломатично ответил, что "говорил с ним об этом, и он сказал, что в настоящее время он очень занят своей новой теоретической работой и думает, что было бы лучше отложить его визит на более поздний срок". Но Ландау ждала другая поездка. Едва он приступил к работе в Москве, как в апреле 1938 г. был арестован. П. Л. Капица приложил огромные усилия, чтобы его освободить: писал Сталину, Молотову, был на приеме у заместителей Берии (который к этому времени уже заменил снятого Ежова). В конце концов, под письменное "личное поручительство" Капицы Ландау (который уже полностью согласился с тем, что он шпион и контрреволюционер) был освобожден. Ровно через год он вернулся на прежнее место в ИФП и активно включился в работу. Уже в 1940-1941 гг. одновременно с работами Капицы вышли в свет его исследования по теории Не II.

Рис. 7.12. Л. Д. Ландау

П. Л. Капица поддерживал положения и выводы Ландау, но все же оставалось в силе его замечание по поводу двухжидкостной теории, состоящее в том, что она звучит "как идея, которую очень трудно признать разумной". Было бы очень полезно, как он считал, провести такой эксперимент, который окончательно показал бы наличие двух жидкостей ("компонент", говоря языком физиков) в Не II. Это было сделано Э. Андроникашвили - докторантом П. Л. Капицы в ИФП.

Э. Андроникашвили начал стажировку в качестве докторанта у Капицы в ИФП в 1940 г. и продолжил ее после перерыва, связанного с войной (1945-1948 гг.). Здесь он и провел тот, ставший классическим эксперимент с Не II, о необходимости которого говорил Капица. (События, связанные с работами по криофизике в ИФП, очень интересно н правдиво, в блестящей литературной форме, описаны самим Э. Андроникашвили [14]; история заключения и освобождения Л. Ландау приведена в [17].)

Идея заключалась в том, что в сосуде с Не II нужно было двигать какой-нибудь объект с развитой поверхностью, погруженный в жидкость. Нормальная компонента, обладающая вязкостью, увлекалась бы его поверхностью, и силу ее сопротивления можно было бы измерить. Сверхтекучая компонента, напротив, никак не влияла бы на этот объект, так как не имела вязкости. Меняя температуру Не II, можно было бы определить, как изменяется соотношение нормальной и сверхтекучей компонент (если они существуют). Для этого была изготовлена стопка из 100 тонких металлических дисков (толщиной 10 мк, т.е. 0,01 мм), надетых на стержень, с расстоянием между ними 0,02 мм. Это сооружение погружалось в жидкий гелий, и длинный конец стержня, выходивший наружу, закреплялся в верхней части. Стержень (вместе с дисками) приводился в крутильные колебания. Сила, которая их тормозила, определяемая трением о нормальную компоненту, могла быть определена по уменьшению периода крутильных колебаний.

После того как были преодолены многочисленные экспериментальные трудности, стенд заработал. Результаты опытов полностью подтвердили двухжидкостную модель: при понижении температуры торможение вращения дисков, определяемое вязкостью нормальной компоненты, постепенно уменьшалось и где-то в области температур, близких к 0,5K, прекращалось совсем.

За эту работу Э. Андроникашвили получил в 1952 г. Государственную премию.

Что касается заслуг П. Л. Капицы и Л. Ландау в области исследований, связанных с криофизикой, и в частности с жидким гелием, то они были оценены с некоторым опозданием. Л. Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике "за пионерские исследования по теории конденсированных сред, особенно жидкого гелия" в 1962 г. (более чем через 20 лет), а П. Капица получил ее "за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур" (характерно, что в этой формуле отмечаются его заслуги не только научные, но и инженерные!) в 1978 г. (т.е. примерно через 40 лет после того, как они были сделаны). Лучше поздно, чем никогда!

Теоретические работы по сверхтекучему гелию к этому времени (70-е годы) нашли уже практическое применение. Развилось и новое направление в криогенной технике, которое П. Л. Капица начал еще в конце 30-х годов работами по разделению воздуха и производству кислорода. Здесь он вызвал потрясения не меньшие, чем в области исследований жидкого гелия.

Об этих и других событиях в области физики и техники низких температур пойдет речь в гл. 8. Здесь же, чтобы закончить обзор истории "сверх-явлений", нужно вернуться к дальнейшему развитию событий в области сверхпроводимости.

Следующая страница: 7.4. Сверхпроводимость – разочарования, успехи и надежды