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

Глава седьмая. КРИОФИЗИКА ХХ ВЕКА

В новой области низких температур, близких к абсолютному нулю, шум и суета, связанные с тепловым движением частиц, почти исчезают; создается возможность познать глубинные свойства материи.
Г. Камерлинг-Оннес

7.1. ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ И МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Ожижение гелия Камерлинг-Оннесом в 1908 г. открыло путь в область температур, при которых с веществом, в первую очередь с самим гелием, стали происходить новые, совершенно неожиданные вещи.

До этого все газы, в том числе и "постоянные", вели себя как и полагалось любому законопослушному веществу. Ниже своей критической температуры они исправно ожижались, а при дальнейшем охлаждении, достигнув температуры тройной точки, затвердевали. Естественно было ожидать, что и гелий после того, как его ожижили, будет вести себя так же. Однако оказалось, что гелий упорно отказывается затвердевать. Камер. инг-Оннес, думая, что дело просто в недостаточном понижении температуры, охладил его откачкой пара сначала до 2,5K, понизив давление над ним приблизительно до 10-3 МПа. В 1909 г. он откачал пар до давления 267 Па, при этом температура гелия понизилась до 1,38K, но никаких признаков затвердевания не появилось. Г. Камерлинг-Оннес решил, что тройная точка гелия находится еще ниже. Он применил самые мощные вакуумные насосы, которые могла создать техника того времени, и понизил еще температуру, доведя давление пара над гелием до 26,7 Па. Но и при этом, всего на расстоянии от абсолютного нуля немного большем, чем 1° (1,04K), гелий упорно оставался жидким!

Г. Камерлинг-Оннесу не суждено было узнать разгадку этого непонятного поведения гелия; она раскрылась уже после его смерти. Забегая несколько вперед (об этом подробнее будет сказано ниже), можно сказать, что секрет заключался в невероятном факте: у гелия вообще не существует тройной точки!

Дальше вниз по температурной шкале в эти годы пойти не удалось. Вакуумная техника того времени не позволяла еще существенно уменьшить давление пара над жидким гелием и тем самым понизить его температуру. Другие же способы получения "таких "ультранизких" температур тогда еще не были известны.

Внимание исследователей было привлечено и другим, не менее загадочным явлением. Было известно, что электрическое сопротивление металлов падает с понижением температуры. Однако, как оно будет вести себя при гелиевых температурах (ниже 4,2K), было неясно.

Существовали теории, основанные на том предположении, что электроны, несущие ток, при абсолютном нуле будут плотно связаны с атомами, не смогут переходить от одного к другому, и поэтому электропроводимость тоже снизится до нуля. Были и сторонники противоположного взгляда, утверждавшие, что электроны будут совершенно свободны при абсолютном нуле температуры и сопротивление полностью исчезнет.

Чтобы внести ясность в этот вопрос, нужно было экспериментировать с очень чистыми металлами; даже самые малые примеси сильно влияли на их электропроводимость. Металлом, который наиболее удобно было очистить, была ртуть. Очистка проводилась путем ее перегонки - испарением и конденсацией. Самые первые опыты в апреле 1911 г. с проводником из ртути показали, что электрическое сопротивление при температуре ниже 4,2K исчезало. Однако по какому закону это происходило - оставалось неясным. Камерлинг-Оннес считал (и даже вывел соответствующую формулу), что это происходит постепенно, по мере понижения температуры. Однако следующая серия опытов, проведенных через месяц, дала совершенно неожиданный результат: электрическое сопротивление ртути при понижении температуры до 4,15K исчезало скачком, сразу (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Характер изменения удельного электрического сопротивления для нормального металла (1, 2) и сверхпроводника Pb (3) при понижении температуры

Сообщение Камерлинг-Оннеса об этих опытах так и называлось "О неожиданном изменении скорости, с которой исчезает сопротивление ртути". Дальнейшие его исследования (1912 г.) показали, что и некоторые другие металлы, например олово н свинец, теряют электрическое сопротивление тоже скачком (соответственно при 3,72 и 7,19K). Это явление, названное Камерлинг-Оннесом сверхпроводимостью, не вписывалось ни в какую существовавшую в то время физическую модель электропроводности металлов. В дальнейшем Камерлинг-Оннес придумал наглядный опыт, показывающий необычайные свойства саерхпроводящего металла. Его схема показана на рис. 7.2. Катушка 4 из свинцового провода помещена в сосуд дьюара 7, заполненная жидким гелием. В катушку можно пускать электрический ток от батареи 1, замыкая ключ 2 (ключ 3 разомкнут). Ток, протекая в катушке 4, создавал магнитное поле, которое фиксировали стрелки компасов 5 и 6. Если затем замкнуть ключ 3, а ключ 2 разомкнуть, то ток от батареи в соленоид уже не будет поступать; он будет замкнут накоротко. Если бы катушка 4 была сделана из обычного проводника, ток в контуре быстро бы исчез вследствие ее сопротивления; отклонение магнитных стрелок полем прекратилось. Однако, поскольку сверхпроводящая катушка не имеет сопротивления, ток в контуре продолжает циркулировать, и отклонение стрелок это показывает. Так может продолжаться практически неограниченное время, поскольку рассеяния энергии в сверхпроводящем контуре не происходит. В оставленной под наблюдением катушке с током не произошло никаких изменений; а течение двух лет ток не уменьшился.

Рис. 7.2. Соленоид из сверхпроводника с "вечно" циркулирующим током

Такое "чудо" до открытия сверхпроводимости даже представить себе никто не мог. Что же касается объяснения, то его не могли дать еще долго. Вообще дальнейшее изучение сверхпроводимости, которое продолжается и до сих пор, открыло еще много новых эффектов.

3а комплекс работ в области криогеники Камерлинг-Оннес получил в 1913 г. Нобелевскую премию по физике. В традиционной лекции, прочитанной им при получении этой премии, он пророчески сказал о том, что исследования в новой области низких температур, где шум и суета, связанные с тепловыми колебаниями, почти исчезают, приоткрывают завесу, и создается возможность познать глубинные свойства материи.

Первые шаги в эту новую область сделал он сам. В дальнейшем работы группы Камерлинг-Оннеса должны были продолжиться. Однако через год, в 1914 г. началась первая мировая война, открывшая целую полосу революционных катаклизмов и радикальных изменений в жизни всех народов не только в Европе, но и в других районах мира. Естественно, что все эти события оказали значительное влияние на развитие как науки так и техники. Не была исключением и низкотемпературная область. Война и последующие события в частности сказались на почти полном прекращении международных научных связей в Европе с 1914 по 1920 г. Лаборатория Камерлинг-Оннеса тоже оказалась на это время в изоляции и без средств. Работы в ней почти замерли.

Криофизика, развитие которой почти прекратилось, начала оживать только в 20-е годы. Оживление происходило очень быстро; в последующие десятилетия открытия в этой области пошли одно за другим. Достаточно сказать, что за работы по физике низких температур после Камерлинг-Оннеса Нобелевские премии были присуждены еще 4 раза (1920 г. - В. Нернсту, 1949 г. - У. Джиоку (интересно, что Нернст и Джиок получили премии не по физике, а по химии), 1962 г. - Л. Ландау, 1978 г. - П. Капице). Эти четыре фамилии будут ниже в соответствующих местах неоднократно упоминаться наряду с другими, обладатели которых тоже сделали крупные вклады в низкотемпературную науку, но не удостоились столь высоких наград (В. Кеезом, П. Дeбай, В. де Хаас, Л. В. Шубников, Э. Андроникашвили, В. Мейснер, В. П. Пешков и др.).

Прежде чем обратиться к новым достижениям и трудностям послевоенного периода, нужно на короткое время вернуться немного назад, к Камерлинг-Оннесу. За четыре года до смерти он предпринял последний штурм, чтобы взять еще один рубеж на пути к абсолютному нулю. Применив для откачки паров над жидким гелием 12 мощных вакуумных насосов, он понизил его температуру до 0,83K. Сообщение об этом он озаглавил: "О самой низкой температуре, полученной до сих пор". Сообщение заканчивалось обсуждением вопроса - "можно ли считать, что достигнут абсолютный предел движения к низким температурам?" Такая постановка была совершенно естественной - стало очевидно, что, применяя прямую откачку пара, дальше уже двигаться было практически невозможно. Нужно было либо найти другое вещество с еще более низкой температурой кипения, чем гелий, либо изобрести совсем другой, новый способ понижения температуры.

Г. Камерлинг-Оннес не знал, какая из этих возможностей будет реализована (впоследствии оказалось, что обе), но не сомневался в успехе: "Мы должны быть уверены, что препятствие, появившееся на нашем пути, будет преодолено, и главное, что требуется - длительное и терпеливое исследование свойств вещества при самых низких температурах, которые только можно получить". Именно на этом пути найдены были и новые способы дальнейшего понижения температуры, и еще более "холодное" вещество, чем обычный гелий.

Следующая страница: Идея магнитного охлаждения