Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления
Предположим теперь, что перед нами стоит обратная задача — обнаружить по движению шариков существование этих ямок, стенки которых были бы сделаны из прозрачного, невидимого материала. Очевидно, что мы могли бы это сделать, только изучая движение при малых колебаниях или покачиваниях рамки, т. е. при низкой температуре.
То же происходит и при изучении квантовых свойств в конденсированном состоянии. Ограничения движения шариков, которые накладываются перегородками рамки в нашей модели, несколько напоминают те, которые квантовая природа явлений накладывает на процессы в конденсированном состоянии атомов. При достаточно низкой температуре квантовая природа взаимодействия между атомами может проявить ряд физических явлений, которые при более высокой температуре не наблюдаются. Отыскание этих явлений и представляет тот исключительный интерес изучения свойств вещества при температурах, близких к абсолютному нулю.
Ожидания открытий новых свойств вещества при низких температурах уже себя оправдали. Еще в самом начале было обнаружено аномальное поведение теплоемкости тел и газов при низких температурах, которое, как показали Дебай и Эйнштейн, может быть объяснено квантовой теорией.
Согласно квантовой теории теплоемкость тел вблизи абсолютного нуля должна приблизиться к нулю; и действительно, например, в области температур, где мы работали, от 0 до 4° К, теплоемкость большинства тел в десятки тысяч раз меньше, чем при комнатной температуре. Интересно отметить, что только благодаря этому свойству вещества и возможно осуществлять те охлаждения, которые необходимы для экспериментальных работ при низких температурах. Дело в том, что жидкий гелий обладает очень малой теплотой испарения: она более чем в 1000 раз меньше, чем теплота испарения такого же объема воды. Подсчеты показывают, что при такой малой теплоте испарения практически невозможно было бы охлаждать тела, если бы они сохраняли ту же теплоемкость, которую они имеют при комнатной температуре. Исследование физических явлений в области самых низких температур было начато Камерлинг-Оннесом, когда после больших трудов, в 1908 г. ему удалось впервые ожижить гелий.
Гелий был наиболее трудно сжижаемым газом. Это объясняется тем, что атомы его чрезвычайно симметричны и испытывают очень малые силы притяжения друг к другу. При нормальном давлении его точка ожижения отстоит только на 4,2° от абсолютного нуля. Подвергая гелий испарению путем понижения давления, можно понизить его температуру до 0,8° от абсолютного нуля. Дальнейшее понижение температуры возможно недавно разработанным методом размагничивания парамагнитных солей. Так удалось подойти до нескольких тысячных градуса к абсолютному нулю. Можно надеяться, что в дальнейшем к абсолютному нулю можно будет подойти еще ближе, но достигнуть его принципиально невозможно.
Из ряда исключительно интересных физических явлений, наблюдаемых при низких температурах, пожалуй, самое интересное — сверхпроводимость, явление, о котором вы, несомненно, слыхали. Оказывается, при некоторой очень низкой температуре некоторые металлы полностью теряют свое электрическое сопротивление. Ток, возбужденный в металле, может циркулировать сколь угодно долго, если металл остается при необходимо низкой температуре.
Это явление движения без трения электричества в проводах, как показывает существующая теория, противоречит нашим обычным взглядам на движение электронов (носителей электричества в металле) через кристаллическую решетку, так как это движение нормально должно происходить с потерей энергии.
Несмотря на ряд очень интересных попыток создать теорию этого явления, до сих пор еще этого никому не удавалось. Среди физиков существует единодушное мнение, что это явление обязано своим существованием квантовой природе явлений при низких температурах, но как оно ею обусловлено, до сих пор остается необъясненным [ 2 ].
Из других явлений при низкой температуре, не имеющих подобия при обычных температурах и также, по-видимому, связанных с их квантовой природой, наиболее интересными оказываются свойства самого гелия, о которых я предполагаю говорить более подробно.
Жидкий гелий имеет очень малый удельный вес: примерно в 7 раз меньше воды. Он чрезвычайно прозрачен и, например, по сравнению с водой, трудно видим.
Изучение свойств жидкого гелия привело к открытию целого ряда интересных явлений. Еще Камерлинг-Оннес обнаружил, что .гелий имеет два состояния: первое состояние — это нормальное, называемое гелий-I. Оно существует до температуры 2,19° К, ниже его модификация меняется. Оставаясь жидким, он переходит в состояние, называемое гелий-II. В этой модификации он остается до самых низких температур, пока достигнутых.
При внимательном рассмотрении гелий-I представляет кипящую жидкость, потому что даже свет, падающий на него, уже заставляет его кипеть. Чтобы защитить его от окружающего тепла, сосуд с жидким гелием окружают двумя рядами вакуумных оболочек, между которыми налит жидкий воздух. Без этих предосторожностей жидкий гелий испарился бы в несколько десятков минут.
Второе состояние гелия резко отличается от первого. Гелий-II не кипит, и на вид его свободная поверхность образует совершенно неподвижную плоскость. Гелий-II обладает рядом совершенно исключительных физических свойств. Из них, пожалуй, самым замечательным свойством является его чрезвычайно большая теплопроводность, обнаруженная Кеезомом и его дочерью. Это явление было обнаружено, когда теплопроводность гелия-II мерилась в тонких трубках (капиллярах). Наиболее теплопроводными веществами, которые нам известны при комнатной температуре, являются металлы, из них наиболее теплопроводны медь и серебро. Многие из вас, наверное, испытали на опыте, что если нагревать конец медного стержня и держать его за другой конец в руке, то легко можно обжечь себе руку. Так вот, гелий в капиллярах оказался теплопроводнее, чем медь, больше, чем в миллион раз. Совершенно естественно, что Кеезом назвал это свойство по аналогии со сверхпроводимостью металлов — сверхтеплопроводностью.
Опытами, проводившимися в Канаде, было также показано, что у жидкого гелия-II очень малая вязкость — она в несколько раз меньше, чем у гелия-I.
Вязкость — это свойство жидкости, определяющее ее текучесть. Если через одну и ту же трубку под одним и тем же напором мы будем пропускать разные жидкости, то легко убедимся, что одни из них будут протекать легче, другие — труднее. Чем хуже протекает жидкость, чем меньше ее текучесть, тем больше в ней вязкость. Следовательно, вязкость есть как бы мерило внутреннего трения при течении. Из опыта мы, например, находим, что у масла большая вязкость, у смолы еще больше, а у воды меньшая вязкость. Если поставить точный эксперимент, то мы найдем, что у газа есть вязкость, хотя она мала. Оказалось, что у жидкого гелия она примерно в 1000 раз меньше, чем вязкость воды, и при переходе гелия-I в гелий-II даже было наблюдено некоторое уменьшение этой вязкости. Это явление нас очень заинтересовало. Как нетрудно показать, в этих свойствах жидкого гелия можно найти противоречие с нашими обычными представлениями о механизме вязкости и теплопроводности.
В самом деле, как себе представить механизм теплопроводности? Мы считаем, что тепло есть движение атомов в веществе. Когда одна часть тела более нагрета, чем другая, атомы в ней приобретают более энергичное колебательное движение, чем в другой. Благодаря силам взаимодействия более энергичное движение атомов нагретой части тела передается менее нагретой. Неравномерность в энергии колебаний как бы стремится выравняться по всему телу, и это влечет за собой то, что тепло распространяется по всему телу. Значит, теплопроводность надо рассматривать как способность атомов передавать свои колебания друг другу, и чем больше это свойство передачи, тем больше значение для теплопроводности данного вещества.
Теперь попытаемся представить себе механизм, обусловливающий вязкость. При течении, например, в трубочке, слой жидкости, прилегающий к стенке, неподвижен, следующий слой уже движется с некоторой скоростью, над ним движется другой слой с несколько большей скоростью и т. д. Между этими слоями существует скольжение, которое происходит с трением. Это трение вызывается тем, что атомы одного слоя в своем движении отстают от атомов следующего слоя и благодаря тем же силам взаимодействия мешают движению. В результате получается потеря энергии, которая и обусловливает вязкость жидкости. Из такой картины следует, что вязкость должна быть тем больше, чем больше движение атомов одного слоя влияет на движение атомов другого слоя, т. е. чем легче в теле распространяется тепло.
Поэтому при увеличении в веществе его теплопроводности естественно ждать также и увеличения его вязкости, а не наоборот, как это происходит в гелии. Спрашивается, почему же при таком колоссальном увеличении теплопроводности гелия-II вязкость его уменьшается?
