Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Рис. 187. а) Утечка медленных, "холодных" молекул гелия через тонкопористый фильтр создаёт разницу температур; б) Нагрев ампул ведёт к притоку в них сверхтекучего гелия и выбросу его через сопло.
Существует и термомеханический эффект. В нём, наоборот, нагрев одного из двух сосудов, соединённых фильтром, ведёт к притоку сверхтекучего гелия в нагретый сосуд (Рис. 187.б). Это происходит оттого, что нагретый гелий, имея большую вязкость, практически не проходит через фильтр, в то время как гелий из холодного сосуда, за счёт малой вязкости, легко проходит сквозь капилляры в нагретый сосуд, повышая в нём уровень гелия. При сильном нагреве сосуда приток в него сверхтекучего гелия столь силён, что струя фонтаном бьёт через сопло.
Аналогично объясняется интересный опыт Капицы, где струя из нагретого сосуда, погруженного в сверхтекучий гелий, отклоняла лёгкое крылышко. Через поры и трещины стекла сверхтекучий гелий поступал внутрь нагретого сосуда, одновременно вытекая через сопло (поэтому уровень сверхтекучего гелия в сосуде не менялся), как в случае фонтанирования. Струя из сопла и отталкивала крылышко. Как видим, для трактовки этих и других аномалий сверхтекучего гелия вполне достаточно классической физики. Так что мы имеем дело, хоть и с редким, необычным, но — классическим явлением, понять которое можно без сложного представления сверхтекучего гелия квантовой жидкостью из двух бессвязных компонент. А, вскоре, классическая трактовка свойств гелия найдёт и точное количественное обоснование.
Кроме того, что явление сверхтекучести может стать ключом к разгадке сверхпроводимости, оно представляет и самостоятельный интерес, может иметь важные практические применения. Однако, так же, как в случае сверхпроводимости, для этого надо добиться увеличения температуры перехода в "сверхсостояние". А, значит, надо искать новые вещества и условия, рождающие сверхтекучесть. Гелий — вряд ли исключение. Причина его сверхтекучести — лишь в способности гелия пребывать в жидком и даже газообразном состоянии возле точки абсолютного нуля, на что не способны другие вещества. Но теперь физики, пусть и с большим трудом, научились сохранять в виде газа и атомарный водород вплоть до T=0,08 K [134]. А, потому, есть надежда обнаружить сверхтекучесть и у него. К тому же, водород — это второй после гелия газ с наинизшей температурой перехода в жидкое и твёрдое состояние (Таблица 12).
Удалось перевести в сверхтекучее состояние и изотоп гелия 3He, хотя у него сверхтекучесть наступала лишь при температурах ниже 0,0027 К. Столь низкая температура перехода связана, видно, с меньшей на 25 % массой атомов изотопа. Соответственно, скорость движения атомов 3He, при той же температуре, — больше, чем у простого 4He. Недаром газообразный 3He переходит в жидкость лишь при температурах ниже 3,35 К. По той же причине, атомы 3He с большим трудом сливаются вместе, рождая "гелевый лёд" и сверхтекучее состояние. У сверхтекучего гелия есть сходство и с потоками реонов, тоже летящими сквозь поры тел без сопротивления, за счёт инертности, отсутствия взаимодействий. Эта аналогия электродинамической среды со сверхтекучим гелием, предложенная Сотиной и Болдыревой [22], восходит к идеям ещё одного исследователя низких температур и критических, переходных состояний вещества, — Д.И. Менделеева, который сравнивал частицы-переносчики света и гравитации, без трения пронизывающие тела, — с атомами гелия и прочих инертных газов (§ 1.5, § 3.21). Выходит, классик Менделеев, в отличие от кванторелятивистов, смог предсказать в своих работах и феномен сверхтекучести этих экстравагантных элементов.
Так что, есть смысл поискать сверхтекучесть и у других инертных газов, скажем, у неона, стоящего на третьем месте (после гелия и водорода) — по малости температур кипения, плавления и всё чаще применяемого как хладагент. Загадочна причина сверхмалой вязкости жидкого кислорода, тоже обладающего одной из самых низких температур кипения, плавления и необычными магнитными свойствами. Так что, обнаружение новых и, даже, высокотемпературных сверхтекучих газов — вполне возможно. Многих поражает, как за век, почти истёкший с момента, когда Камерлинг-Оннес, — такой же трудяга-экспериментатор, как Менделеев и Капица, — открыл сверхпроводимость и осуществил сжижение гелия, эти два явления так и не произвели революции в технике. Видно, лишь отказ от созданных Ландау и Гинзбургом квантовых теорий сверхпроводимости и сверхтекучести, откроет новые пути применения и исследований сверхсостояний, чуть не на век закрытых и замороженных квантмехом.
§ 4.21 Сверхпроводимость
Эренфест и его товарищ Вальтер Ритц совершили совместную поездку в Лейден. Надо сказать, что Лейден того времени славился не только Лоренцем, но и Камерлинг-Оннесом, директором криогенной лаборатории, в которой велись захватывающе интересные исследования низкотемпературных свойств твёрдых тел. И вот вместе с Ритцем Эренфест придумал остроумный метод выбора тем для диссертационных работ: они брали учебник физики и обращались к предметному указателю. Один зачитывал собранные там термины, а другой добавлял сакраментальное: "при низких температурах".
В.Я. Френкель [171]Во многом напоминает явление сверхтекучести и магнетизма феномен сверхпроводимости [71], открытый, подобно жидкому гелию, Камерлинг-Оннесом. Как многие отмечали, квантовая теория сверхпроводимости в корне ошибочна, с чем и связано крайне ограниченное применение сверхпроводников, которые, по идее, должны бы уже давно произвести революцию в технике. Поэтому, большие надежды в последнее время возлагают на классическую теорию сверхпроводимости. Любой газ, в том числе электронный, постепенно теряет вязкость с падением температуры (Рис. 177). То есть, согласно классической теории, при абсолютном нуле сопротивление должно стать нулевым, тогда металл и перейдёт в сверхпроводящее состояние. Но реально сверхпроводящее состояние наступает, даже, — немного не доходя до абсолютного нуля. Электроны, образующие электронный газ, подобно атомам обычных газов, обладают разными скоростями, подчиняющимися максвелловскому распределению (Рис. 188). Поэтому, в металле всегда есть электроны с почти нулевой скоростью. При комнатной температуре их ничтожно мало. Однако, возле абсолютного нуля процент таких электронов уже заметен, и они способны создавать токи достаточной величины.
Конечно, быстрых электронов больше, но, образуя электронный газ высокой вязкости, они фильтруются "микропорами" металла (§ 4.17), создавая лишь слабые токи, в сравнении с токами медленных электронов, так что вносимое ими сопротивление — ничтожно. Сепарация газа медленных электронов, рождающих ток сверхпроводимости, идёт тем эффективней, чем тоньше "поры" металла, через которые сочится электронный газ (так же отделяются в порах фильтра быстрые и медленные молекулы сверхтекучего гелия § 4.20). Поэтому в сверхпроводящее состояние легко переходят сплавы и металлы типа олова, ртути, свинца, тантала, ниобия, обычно обладающие высоким сопротивлением (так и сверхтекучесть проявляется лишь в тонкопористых фильтрах, оказывающих повышенное сопротивление току нормальных жидкостей), тогда как у металлов низкого удельного сопротивления (серебро, медь, золото) переход в сверхпроводящее состояние затруднён. Наличие токов медленных и быстрых электронов — аналогично протеканию тока через два параллельных резистора, первый с малым сопротивлением R1, второй — с большим R2: почти весь ток, выбирая путь наименьшего сопротивления, пойдёт по резистору R1, а сопротивление второго почти не повлияет на величину тока, если R2>>R1 (Рис. 178). Впрочем, именно быстрые электроны могут порождать ничтожно малое, но ощутимое сопротивление сверхпроводника. Не исключено, что их ток и задаёт величину критических токов и магнитных полей, разрушающих сверхпроводимость. С ними же, видимо, связана и низкая (в сравнении с нормальным состоянием) остаточная теплопроводность сверхпроводника [90], поскольку основной ток медленных, низкоэнергичных электронов почти не переносит тепла.
Рис. 188. Распределение частиц электронного газа по скоростям.
Настоящей загвоздкой для квантовой теории стало открытие сверхпроводников, которые в нормальном состоянии, при высоких температурах, являются диэлектриками. Зато, по классической теории, при низких температурах диэлектрик вполне может стать сверхпроводником. Диэлектрик лишь потому не проводит ток, что в нём почти нет свободных электронов: все электроны связаны с атомами. Считалось, что, по классической теории, диэлектрики вообще не проводят ток [32, с. 22]. На деле же, и в классике, из-за разброса скоростей (Рис. 188) в диэлектрике всегда есть электроны со скоростью, достаточной для отрыва от атомов. С ростом температуры и скорости электронов, всё большая их часть отделяется от атомов и переносит заряд, с чем и связан рост проводимости диэлектриков при нагреве. Но у диэлектриков с высокой степенью теплового расширения возможен заметный рост проводимости и при охлаждении. Ведь охлаждаемый диэлектрик, уменьшаясь в объёме, сближает атомы, их поля всё больше перекрываются, высвобождая много электронов (§ 4.17). Для этих диэлектриков сжатие охлаждением — аналогично сжатию давлением, превращающим их в проводники (за счёт обобществления части электронов и высвобождения оставшихся), как, например, в случае серы. Так что у диэлектриков при низких температурах вполне могут открыться металлические и сверхпроводящие свойства, поскольку, как нашли выше, сверхпроводниками легче становятся вещества, обладающие обычно повышенным сопротивлением. И диэлектрик, в обычном состоянии представляющий для тока такое же серьёзное препятствие, как микропористый фильтр — для газа, благодаря "узким порам" может стать сверхпроводником даже при меньшей степени охлаждения, чем металл. От разной ширины межатомных "пор" разнятся и температуры перехода в сверхпроводящее состояние у разных кристаллических модификаций одного металла, имеющих разные плотности (§ 4.17).
