Скачать (78,7 Кб)

"Когда такой случай подвернулся, нельзя было его упускать"

П. Л. Капица
Химия и Жизнь №11, 1987 г., с. 45-53

3 декабря 1937 года академик П., Л. Капица отправил в редакцию журналов "Доклады Академии наук СССР" и "Nature" короткую заметку, в которой сообщал об открытии явления сверхтекучести. Эта дата стала как бы днем рождения одного из выдающихся открытий нашего времени, которое положило начало новой области науки - физике квантовых жидкостей.

Позднее, в конце 1940 года, Капица дважды выступил с подробным рассказом о своих исследованиях свойств жидкого гелия: 4 декабря - перед сотрудниками газеты "Известия", которые пришли к нему в Институт физических проблем, и 28 декабря - на Общем собрании АН СССР. "Проблемы жидкого гелия" - так назывался доклад, прочитанный в Академии наук. Он широко известен, публиковался в журналах в 1941 году и вошел в книгу П. Л. Капицы "Эксперимент. Теория. Практика". Стенограмма первого выступления обнаружена совсем недавно в личном архиве Петра Леонидовича.

Известинцы - аудитория для Капицы непривычная. Сугубым гуманитариям нужно было рассказать о сложных и очень тонких экспериментах из той области физики, в которой и профессионалы чувствовали себя в те годы не совсем уверенно. В то же время аудитория была очень ответственная - журналисты, популяризаторы науки, которым, возможно, предстояло писать о работах Капицы.

Такова история этой беседы, этого доверительного рассказа физика о своих исследованиях, предлагаемая в сокращенном виде вниманию читателей "Химии и жизни".

П. Е. РУБИНИН

Как рассказать о проблеме жидкого гелия? Проблема только тогда будет ясна для слушателя, когда ему будет ясно ее значение; она будет только в том случае интересна, если ему будут понятны те трудности, которые пришлось преодолеть при ее решении.

Однажды в беседе с Б. Н. Агаповым¹ я пытался объяснить ему, как мне удалось разработать новую холодильную турбину. Б. Н. очень скептически отнесся к моему рассказу и сослался при этом на Эдгара По, который тоже пытался объяснить, как он написал своего "Ворона". У него из этого ничего не вышло. Может быть, в поэзии это сложнее, но в науке ученым руководит вполне ясная идея и он может рассказать, почему он выбирает ту или иную проблему, как он ставит ее и как выбирает наиболее короткий путь для ее решения.

Физика, как и всякая наука, состоит из двух частей. Прежде всего существует физическая теория, которая обнимает законы, то есть основы теории, уже установившиеся и вполне достоверные; в теорию входят предположения большей или меньшей достоверности и, наконец, те или иные гипотезы относительно неясных еще явлений. Затем в науке существуют факты. Теория уточняется... этими фактами. Для того чтобы составить теорию, надо прежде всего иметь какую-то картину природы, например той области природы, которой занимаются физики. Разумеется, всякое наше представление будет лишь приближением к истинной картине, мы последовательно будем идти от одного приближения к другому. Теория по существу не остается постоянной - она будет всегда меняться. Хороший же факт остается навсегда. Он представляет собой нечто постоянное. Работники науки, принадлежащие к английской школе, очень любят вспоминать по этому поводу слова Дэви: "Хороший факт стоит теории Ньютона"² . Это, конечно, гипербола, но в ней есть большой смысл.

Если мы хотим воспроизвести ход развития всякой науки, то мы должны будем нарисовать его таким образом: крупнейшие этапы наука переживает тогда, когда находятся факты, которые противоречат существующей теории, не согласуются с теми теоретическими предположениями, которые мы имеем (хотя бы эти предположения были высказаны в форме гипотезы)...

Ученые, которые занимаются только проверкой теории, ищут и находят ей подтверждения, - не двигают науку. Здесь уместна аналогия с геологами. Одни думают о возможности расширить существующие разработки полезных ископаемых, другие - о совершенно новых месторождениях. Ученые, так же, как и геологи, отправляющиеся в поиски новых месторождений, ищут новые факты, еще неизвестные науке.

Но, конечно, так-же, как и геологи не будут искать интересующую их драгоценную руду вообще по всему земному шару, точно так же и другие ученые имеют какое-то руководящее начало в своих поисках. Они должны в общих чертах знать, где можно найти противоречия, в каких областях теории вести свои поиски. Понятно, что они обращаются к теориям, наименее установившийся. Мне кажется, что это распространяется на все естественные науки.

Какие же проблемы в физике открывают наибольшие возможности для поисков этих противоречий?

Если мы взглянем на физику за последние пятьдесят лет, мы легко убедимся, что две области подверглись за этот период наибольшим изменениям. Прежде всего, в этот период достоверно установлена атомарная структура природы. Гипотетическую атомистическую теорию строил еще Аристотель, но он говорил общие слова, а теперь мы можем исследовать отдельные атомы, определять их структуру, размеры, вплоть до свойств составляющих его частиц.

Вторая область, которой, насколько мне известно, даже Аристотель не предвидел, это квантовые процессы. В природе процессы не идут непрерывно. Они протекают с известной прерывностью. И только отдельные квантовые состояния и возможны. Развитие этих воззрений оказалось чрезвычайно плодотворным и по существу изменило наши взгляды на природу. Открытие явлений, неожиданных и для физиков, и для философов, повлекло за собой самые разнообразные пертурбации в точках зрения на вещи. Можно указать, например, на процессы, в которых проявляется так называемое квантовое вырождение - они представляют собой исключительный интерес для физика. Здесь можно ждать много нового, много такого, что не предсказано теорией.

Что же это за области, в которых можно ожидать выявления новых для науки фактов?

Во-первых, это сам атом. Атом нами понят довольно основательно. Но вот применение квантовой теории для атомов, составляющих твердое тело, представляет собой область, гораздо менее разработанную. Меньше тут сделано вот почему. В узком интервале температур, в котором мы живем, дискретные значения или квантовые состояния размываются. Можно показать, что энергетические ступеньки квантовых процессов настолько малы по сравнению с теми колоссальными энергиями, которые замешаны в физических процессах, происходящих при комнатной температуре, что они становятся практически неразличимыми и ими можно пренебречь. Точно так же, если по улице едет большой танк, то для него вряд ли будут ощутимы неровности булыжной мостовой; между тем для катающихся на роликовых коньках эти неровности будут достаточно заметны. Изучая твердое тело или вообще агрегат атомов и молекул, нам надо учитывать такие процессы, где эти квантовые состояния уже начинают сказываться достаточно отчетливо. Возможность наблюдать подобные процессы открывается нам в области низких температур. Я имею в виду температуры, лежащие вблизи абсолютного нуля. Именно в этих условиях мы можем ждать явлений квантового вырождения, когда даже в твердом теле некоторые процессы вместо плавного хода начинают развиваться аномально.

На возможность явлений квантового вырождения было уже много указаний.

Первое было получено при изучении классического случая теплоемкости. Новые факты были впервые опубликованы Эйнштейном и более подробно исследованы Дебаем. Оказалось, что вблизи абсолютного нуля теплоемкость тела становится нулевой - тела теряют теплоемкость. Это можно истолковать с точки зрения квантовой теории так, что передача энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями, причем этим порциям могут быть отведены только определенные "места"; а при низких температурах этих "мест" остается, грубо говоря, так мало, что тело почти теряет возможность удерживать тепло. Например, при одном градусе Кельвина у меди теплоемкость меньше, чем при комнатной температуре, в сто тысяч раз.

Но самый, может быть, поразительный факт в этом ряду - противоречащий всем нашим взглядам на физические процессы в твердом теле, есть открытое Камерлинг-Оннесом явление сверхпроводимости. Явление это заключается в следующем: электрический ток - это поток электронов через вещество; в случае сверхпроводимости нет обмена энергией между потоком электронов и металлом, через который эти электроны текут. Они текут совершенно свободно, говоря попросту, без всякого трения, без всяких потерь. Это настолько противоречит всем нашим установившимся взглядам, что ученые-теоретики никак не могут найти никакого адекватного объяснения этого явления³.

И еще один факт за последние восемь лет привлек к себе внимание. При изучении сверхпроводимости, имеющей место при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю, в качестве холодильного агента употребляется жидкий гелий. Эта жидкость во всех отношениях чрезвычайно интересна.

Гелий - газ, который сжижается при наиболее низких температурах,- при 4 К. Жидкий гелий замечателен тем, что, как бы ни понижалась температура, он не переходит в твердое состояние. Это единственное вещество в мире, которое остается жидким при любых температурах. И только тогда, когда под действием внешней силы оболочки атомов гелия начинают друг в друга проникать, можно получить твердый гелий - такие условия создает повышенное давление. При обыкновенном же давлении твердого гелия получить нельзя.

И в других отношениях жидкий гелий - совершенно исключительная жидкость. Он очень легок - в семь раз легче воды; очень подвижен, почти совершенно прозрачен, показатель преломления у него очень мал. Далее, он обладает, по сравнению с водой, очень маленькой теплотой кипения: для того чтобы испарить один литр гелия, вам надо примерно в тысячу раз меньше тепла, чем для испарения одного литра воды. Он очень легко кипит. С такой жидкостью нечего было бы делать, если бы природа не пришла на помощь, обеспечив уменьшение теплоемкости тела с понижением температуры. Только благодаря этому счастливому обстоятельству нам удается работать при низких температурах.

Но есть еще одно - самое замечательное - свойство жидкого гелия, которое было случайно открыто Камерлинг-Оннесом. Этот ученый первым получил жидкий гелий и много работал над изучением его свойств. В частности, он пытался продолжать понижать температуру жидкого гелия вниз от точки кипения. Понижается температура очень простым приемом: сосуд, в котором находится жидкость, начинают откачивать; жидкий гелий при этом интенсивно кипит, при кипении поглощается тепло и температура начинает падать. Камерлинг-Оннес довел вакуум над гелием до 0,05 атмосферы - 38 миллиметров ртутного столба, при этом температура упала до двух с небольшим градусов. И вот тогда Камерлинг-Оннес впервые наблюдал ту картину, которую- мы имеем возможность часто наблюдать сейчас. Вы смотрите в дьюар и видите кипящую жидкость; температура ее подходит к 2,2 К, и вдруг кипение прекращается. Поверхность жидкого гелия приобретает спокойный вид, и дальнейшее испарение идет без всякого кипения. Обнаружилось, что это есть переход гелия из одной модификации в другую, переход, который физиками принято называть переходом второго рода. Он происходит без выделения или поглощения скрытой теплоты, но при этом обнаруживается скачок теплоемкости. В обоснование этого перехода развита целая термодинамическая теория. До перехода гелий называется гелием-I, после точки перехода при 2,19 К гелий называется гелием-II и приобретает совершенно новые свойства.

Это явление представляет собой совершенно исключительный интерес, и его начал изучать один из учеников Камерлинг-Оннеса - Кеезом.

Кеезом открыл удивительную вещь. Он установил, что теплопроводность гелия-II необычайно велика. Для своих опытов он взял капилляр - очень тонкую стеклянную трубочку с жидким гелием - и пропускал по этой трубочке тепловой поток, потом вычислял тепловое сопротивление жидкости. С явлением теплопроводности вы сталкиваетесь каждый раз, когда опускаете серебряную ложечку в стакан с горячим чаем и она очень быстро начинает обжигать вам пальцы. Так происходит потому, что тепловое сопротивление серебра мало, или, что то же самое, теплопроводность его велика. Гелий оказался в капилляре Кеезома более теплопроводен, чем серебро,- в десять миллионов раз, причем теплопроводность носила исключительно интересный характер. Она имела максимум при 1,9 К и падала с приближением к абсолютному нулю. Кеезом решил, что это явление вызывается сверхтеплопроводностью жидкого гелия. Это был интересный факт. Мы о нем знали.

Года четыре назад в Торонто (Канада), где тоже работают с жидким гелием, Бартон и его ученики Аллен и Майзнер изучали вязкость гелия. Они брали цилиндр и заставляли его колебаться в жидком гелии. Постепенно колебание цилиндра затухает из-за трения о гелий. Исследователи нашли, исходя из данных этого опыта, что вязкость жидкого гелия очень мала - почти такая же, как вязкость воздуха в газообразном состоянии. Когда происходит переход гелия-I в гелий-II, вязкость падает раза в два-три.

И вот перед нами были эти два факта. Эти факты находятся между собой в противоречии. В самом деле, что такое теплопроводность? Тепло мы понимаем как колебание атомов в каком-нибудь веществе, и в свете этого представления механизм теплопроводности рисуется так. Один ряд атомов, перпендикулярный плоскости, в которой проходит тепло, начал колебаться. Он передает это колебание следующему ряду, который вслед за ним начинает колебаться сильнее, тот следующему, и так тепло передается всему веществу. Таким образом теплопроводность есть свойство передавать колебания атомов от одного слоя к другому. А вязкость - что она собой представляет? Если у вас один слой жидкости движется, а другой, рядом, стоит спокойно, то движущийся слой несколько увлекает покоящийся. Насколько один слой увлекается другим - настолько вязка жидкость. Эту способность одного слоя атомов влиять на другой слой мы и называем вязкостью; чем сильнее это влияние, тем более вязка жидкость. И вот, когда мы пытаемся оба эти механизма приложить к объяснению того, что происходит при переходе в жидком гелии-II, то приходим к большому противоречию. С одной стороны, гелий-II становится более теплопроводен, то есть передача тепла от одного слоя атомов к другому делается легче, эффективней. С другой стороны, влияние одного слоя атомов, движущегося над другим, уменьшается. Передача тепла растет, передача движения уменьшается, и все это происходит одновременно в одной и той же жидкости. Как это возможно? Это противоречие относится к фундаментальным понятиям о передаче тепла и о передаче момента движения от одного слоя к другому. Надо либо признать, что неправильна наша теория, либо признать несовместимыми эти факты и попытаться найти истинное содержание наблюдаемых явлений.

Как выйти из наметившегося противоречия?

Это противоречие можно было решить таким путем. Может быть, передача тепла у нас происходит не путем теплопроводности, не путем движения от одного слоя атомов к другому. Существует другой способ передачи тепла - конвекцией. Если вы протянете к горящей свече руку, то сможете приблизить ладонь к пламени на очень небольшое расстояние. Это позволит вам сделать малая теплопроводность воздуха (о сравнительно небольшой теплопроводности лучеиспусканием мы говорить не будем). Но если вы поместите руку над свечкой, то обожжетесь даже на большом удалении от пламени. Так произойдет потому, что горячий поток воздуха поднимается кверху - он несет с собой много тепла, которое и обжигает вашу руку. В данном случае тепло переносится потоком газа.

Почему бы не представить себе, что нечто подобное происходит и в гелии, то есть Кеезом измерял перенос тепла именно потоком, который существует в капилляре? С этим предположением хорошо согласуется малая вязкость гелия, так как она как раз способствует возникновению потока, переносящего тепло.

Но простые расчеты показали, что для возникновения достаточно интенсивного потока, переносящего тепло, вязкость жидкого гелия должна быть очень мала. Во всяком случае, она должна быть гораздо меньше, чем та вязкость, которую обнаружили у жидкого гелия канадские исследователи. Так возник вопрос: правильны ли измерения вязкости, сделанные в Торонто?

Как выяснилось вскоре, физики, измерявшие там вязкость, недостаточно хорошо знали гидродинамику. Расчеты их были неправильны, и вот почему. Когда вы изучаете трение какого-нибудь тела о воздух или изучаете вязкость жидкости, то у вас в процессе эксперимента могут получаться вихреобразные движения. Примерно то же самое происходит у крыла аэроплана, который обладает плохой обтекаемостью, - за этим крылом возникают вихри и его сопротивление воздуху растет. Поэтому надо делать гладкие крылья обтекаемой формы. В опытах канадских исследователей, которые изучали колебания цилиндра в жидкости с очень малой вязкостью, вокруг цилиндра мог устанавливаться вихревой, так называемый турбулентный, режим. Скорее всего, исследователи работали как раз в области турбулентных режимов. Избежать этого при малой вязкости жидкости - очень трудное дело. Однако возможное. Надо поставить другой опыт - пропускать гелий через очень тонкий зазорчик, сквозь щель между двумя пластинками, настолько сближенными, чтобы вихревые движения в этом пространстве не могли возникнуть. Мы придумали и разработали такой вискозиметр (прибор для измерения вязкости).

Гелий в наших опытах пропускался через щель толщиной всего-навсего 0,5-1 микрон. Эту щель образовывали две тщательно, с оптической точностью отшлифованные стеклянные пластинки. Я не буду касаться технических подробностей эксперимента, скажу лишь, что здесь возникает много трудностей. Однако нам удалось направить поток гелия через такую щель. Результат получился поразительный. Гелий проваливался через щель с исключительной легкостью. Это свидетельствовало, что вязкость его в тысячи раз меньше той величины, которую получили исследователи из Торонто. Не в два раза меньше вязкость гелия-II, чем у гелия-I, а в тысячи раз! И чем больше мы совершенствовали эксперимент, тем меньшую вязкость получали.

Основываясь на этом, мы высказали предположение, что гелий есть сверхтекучая жидкость. Во всяком случае, нет никаких указаний на то, что она обладает какой-то конечной вязкостью. Чтобы проиллюстрировать, насколько гелий-II сверхтекуч, можно сравнить его с водой. Один литр воды сможет просочиться через щель нашего вискозиметра за две тысячи лет. Гелий-II через такое же отверстие прольется в одну секунду. Вот вам сравнение вязкости гелия с вязкостью воды.

Противоречие, о котором я упоминал раньше, достигло чрезвычайной остроты. В самом деле, в одном и том же веществе мы имеем, с одной стороны, теплопроводность, которая в миллион раз выше нормальной, с другой стороны, вязкость, которая гораздо ниже нормы. Так что нам нужно выбирать и признать истинной либо одну величину, либо другую.

Эти заключения были встречены недоброжелательно. Бартон и Джонс указывали, что я не принял во внимание явление перетекания гелия. Сущность этих возражений заключалась в следующем. Если у вас есть погруженный в гелий сосуд, в который налит жидкий гелий и уровень его выше уровня наружного гелия, то происходит перетекание гелия из сосуда наружу (рис. 1). На это явление и ссылались Бартон и Джонс, считая, что я мерил не вытекание гелия через щель, а его переползание. И поэтому получал заниженную вязкость.

Рис. 1. В сосуд Дьюара, наполненный жидким гелием, погружается пробирка тоже с жидким гелием. Довольно быстро уровни жидкости выравниваются, так как гелий выползает из пробирки наружу по тонкой поверхностной пленке.

Между тем возможность такого возражения была мною учтена, но, публикуя краткое описание результатов своей работы, я не упоминал всех мер предосторожности, которые были приняты, чтобы получить наиболее надежный результат. Я сделал контрольный эксперимент, в котором закрыл щель каплей масла. Тогда у меня гелий не перетекал совсем. Это исключало всякие возражения.

Но все-таки надо было объяснить механизм конвекции, который бы истолковали как причину аномально высокой теплопередачи в жидком гелии. Надо было выяснить, как конвекция возникает, каких пределов она достигает.

Так как теплоемкость гелия низка, мы можем вычислить скорость конвекционных потоков в капилляре только при условии, что удастся наблюдать очень маленькие разности температур. Мы разработали метод, позволяющий измерять температуру с точностью до одной миллионной градуса.

Что же оказалось? Оказалось, что скорость конвекции должна быть порядка 1000 метров в секунду. Это примерно скорость вылета снаряда из орудия. Скорость пули обычного ружья - около 300 метров в секунду, а здесь должно было быть в 3 раза больше. Такое быстрое движение гелия, конечно, совершенно невозможно представить, потому что ему неоткуда взять кинетическую энергию, которая позволила бы такие скорости развить. Таким образом, я сам себя привел в тупик - гипотеза о сверхтекучести гелия не помогала уже больше.

Как работать дальше? Я сидел в этом тупике ни больше ни меньше как месяцев девять. У меня не было никакой теории, которая помогла бы из этого тупика выйти. Наблюдаемые явления полностью противоречили теории, и мы могли только описать их характер.

В таких случаях приходится поступать так, как поступают путники, заблудившиеся в лесу. Заблудившись, вы испробуете все направления вокруг, пока не выйдете на прогалинку, где солнце поможет определить, где юг, где север, где запад и где восток. Надо было начать пробовать.

Мы раздумывали над тем, чем вызывается скорость конвекционного потока. Почему воздух поднимается от свечи кверху? Потому что плотность нагретого воздуха меньше, чем воздуха при обычной температуре, и нагретый воздух всплывает в нем. Может быть, и в гелии происходит то же самое? Может быть, от нагревания меняется плотность гелия? И это способствует конвекции? Чтобы узнать, так это или не так, надо посмотреть, не зависит ли передача тепла от направления, в котором она происходит. Мы построили соответствующий прибор и измеряли теплопроводность по направлению к источнику тепла и против него. Во всех направлениях теплопроводность оказывалась одинаковой...

Но вот совершенно неожиданно случайное маленькое наблюдение дало нам ключ для дальнейшего решения.

Изучая влияние давления на теплопроводность, мы пользовались гелием, находящимся в нашей институтской сети под небольшим давлением. Когда нужно было повысить давление гелия в приборе, мы пускали гелий из сети, открывая кран, затем этот кран закрывали. И вот обнаружилось следующее. Когда мы прикладывали одну атмосферу давления и кран, ведущий в сеть, был открыт, теплопроводность гелия резко уменьшалась, а если при том же самом давлении кран был закрыт, то теплопроводность повышалась и достигала прежних аномальных значений. Так как давление оставалось неизменным, то дело было явно не в нем.

Но что может изменять закрытие или открытие крана?

Вот объяснение, которое мы в конце концов нашли. Сеть, в которой протекает гелий, - общая для всей лаборатории. Эксперименты с гелием ведутся в разных местах одновременно. Гелий посылают в общий трубопровод маленькие насосы, которые действуют толчками, по принципу поршневых машин. Благодаря этому давление в системе слегка пульсирует. При открытом кране эти пульсации доходят до нашего прибора, когда кран закрыт - они, естественно, устраняются. Очевидно, эти ничтожные пульсации и влияли на изменение теплопроводности. Почему же?

Здесь уже заключение сделать было проще. Гелий, ко всем своим замечательным свойствам, имеет еще одно - это довольно легко сжимаемая жидкость. Гелий-I можно сжать, например, на 30 процентов, то есть он в 600 раз более легко сжимаемая жидкость, чем вода, спирт и так далее. Пульсации давления могли сжимать гелий, и чередующиеся сжатия и разряжения могли создавать потоки гелия в капилляре.

Это наблюдение наталкивало на естественную мысль: попробовать измерять теплопроводность текущей в капилляре жидкости и посмотреть - увеличится она или не увеличится. Такой прибор был сделан (рис. 2). Он заключает в себе маленькую бульбочку с капилляром и нагревателем. Прибор опускают в жидкий гелий и меряют теплопроводность по капилляру. С помощью этого прибора было установлено, что в движущейся жидкости теплопроводность становится очень малой. Этот эксперимент варьировался.

Рис. 2. В сосуд Дьюара с жидким гелием погружена стеклянная бульбочка с нагревателем. При нагревании гелий вырывается из бульбочки через капилляр на ее конце и отклоняет коромысло с крылышком, подвешенное на тонкой кварцевой нити. Угол закручивания нити регистрируется по отклонению светового луча, падающего на зеркало

Вместо того чтобы заставлять жидкость протекать по капилляру, мы ее вращали, продолжая одновременно измерять теплопроводность и так далее. Оказалось, что всякое движение жидкости уменьшает теплопроводность.

Так как связь между движением жидкости и теплопроводностью становилась несомненной, надо было посмотреть, не является ли все-таки теплопроводность каким-то гидродинамическим механизмом. Возникла мысль, что внутри капилляра при передаче тепла возможны какие-то потоки.

Поскольку капилляр открыт наружу, можно ждать, что поток будет вырываться из него и у конца капилляра возникнут какие-нибудь пертурбации гелия. Поэтому около конца капилляра мы подвесили крылышко. Это крылышко через тонкую кварцевую нить было соединено с зеркальцем. Таким образом, каждое отклонение крылышка передавалось зеркальцу, и по световому зайчику можно было судить о том, насколько велико исходное отклонение крылышка. Каково же было наше удивление, когда мы убедились, что крылышко отклонилось очень сильно. Эффект был колоссальный.

Вот какой вид имеет бульбочка, из которой вырывается струя гелия, очень слабо расходящаяся (рис. 3). Этакий прекрасный брандспойт из гелия.

Рис. 3. При нагревании из капилляра вырывается струя жидкого гелия. Но жидкость в бульбочке не убывает, так как по стенкам капилляра в нее встречным потоком непрерывно вползает гелий из внешней среды

Но все эти наблюдения ставили нас перед новыми загадками. Представьте себе: у нас есть бульбочка, из которой все время жарит гелиевая струя, а количество гелия в бульбочке не уменьшается. Откуда же берется гелий, который пополняет эти потери?

Тут, конечно, можно было сделать предположение, что струя выходит только из центральной части капилляра. А гелий заползает внутрь бульбочки по стенкам. ... Таким образом, идут как бы два встречных потока. Дальнейшие опыты показали, что гелий действительно вползает в капилляр - по очень тонкой пленке⁴. Когда были произведены расчеты скорости движения гелия в тонкой пленке и определено сопротивление, оказалось, что все это может происходить только в том случае, если жидкость сверхтекуча...

Таково содержание работы. Теперь позвольте сделать некоторое обобщение.

Мне в жизни в первый раз удалось найти такое фундаментальное свойство вещества. Я много делал экспериментов в разных областях, но это уже вопрос везения или невезения. Когда такой случай подвернулся, нельзя было его упускать.

Лет десять-двенадцать тому назад, когда я делал опыты с получением сверхсильных магнитных полей, мы беседовали с Эйнштейном о теории относительности. К теории относительности вообще существуют различные отношения: некоторые физики в нее не верят, другие утверждают ее как некий догмат. Любопытно, какой точки зрения держится на этот счет ее создатель. По теории относительности получается, что магнитное поле не должно влиять на скорость света, так как скорость света есть константа - величина постоянная. А Эйнштейн сказал мне: "Капица, почему бы вам не измерить влияние магнитных полей на скорость света?" "Позвольте, Эйнштейн, - возражаю я, - ведь если я обнаружу, что это влияние существует, это же будет противоречить вашим взглядам". "Я не верю, - отвечает он мне, - что der Hebe Gott⁵ создал природу так, чтобы магнитное поле не влияло на свет. Пока этого не найдено, и теории не существует, а когда мы найдем такое явление, нужно будет создавать новую теорию". Я думал над тем, чтобы измерить влияние магнитного поля на скорость света. Но этот опыт очень труден. На него надо положить два года очень кропотливых и мелких подготовительных работ. А если мы не обнаружим влияния магнитного поля на свет? Это будет очень неинтересно. Но зато, если найдем, - это станет одним из самых фундаментальных опытов, какие только можно сделать. Я думаю, лет через пять - десять, когда я покончу с областью низких температур, мне удастся заняться этим вопросом⁶.

От сверхтекучести - к сверхпроводимости

Академик И. М. Халатников

Пятьдесят лет назад я прочел в газете "Известия" небольшое сообщение об открытии сверхтекучести, сделанном П. Л. Капицей. Был я тогда студентом второго курса Днепропетровского университета и еще не знал, что судьба сведет меня с Петром Леонидовичем и что значительная часть моей научной деятельности будет посвящена изучению открытого им явления. Но совершенно необъяснимым образом я запомнил эту публикацию на всю жизнь...

Квантовую природу явления, открытого П. Л. Капицей, быстро понял Л. Д. Ландау и построил теорию, которая не только объясняла наблюдения Капицы, но и предсказала новые явления, например "второй звук" - незатухающие температурные волны, наблюдаемые в жидком сверхтекучем гелии. Исследования П. Л. Капицы и Л. Д. Ландау были удостоены Нобелевских премий.

В наше время влияние науки на научно-технический прогресс столь велико, что может быть задан вопрос: какое же практическое применение получило открытие сверхтекучести? На этот вопрос я категорически отвечу: никакого. Открытое П. Л. Капицей явление - это классический пример важнейшего достижения в области фундаментальной физики.

Явление сверхтекучести положило начало исследованиям в новой области - физике квантовых жидкостей. Теперь мы знаем, что свойством сверхтекучести могут обладать только частицы с целым спином. Эти частицы называют бозонами (их поведение описывается статистикой Бозе). Жидкий гелий состоит из атомов изотопа ⁴Не, которые как раз и относятся к бозонам. Это первая квантовая жидкость, изученная физиками.

Сверхтекучесть оказалась ключом для понимания другого замечательного явления - сверхпроводимости. Сверхпроводимость была открыта в 1911 году, она заключается в том, что при низких температурах исчезает сопротивление электрическому току. Это явление десятки лет не поддавалось теоретическому объяснению. Лишь в 1957 г. удалось построить теорию сверхпроводимости. Представлялось заманчивым найти аналогию между явлениями сверхпроводимости и сверхтекучести. Казалось бы естественным, что за сверхпроводимость ответственна сверхтекучесть электронов. Только в одном случае без трения "текут" атомы, а в другом - без сопротивления "текут" электроны.

Но мы знаем, что свойство сверхтекучести присуще только частицам с целым спином, а у электронов спин "полуцелый", он равен 1/2. Выход сумел найти американский теоретик Л. Купер, он показал, что из двух электронов может образоваться связанная пара с суммарным спином, равным нулю. Такая пара будет вести себя как бозон, и, следовательно, станет возможной сверхтекучесть уже не электронов, а электронных пар, то есть сверхпроводимость.

Вот как случилось, что явление сверхтекучести помогло объяснить явление сверхпроводимости. Поистине, пути господни неисповедимы.

Однако на этом история со сверхпроводимостью не кончается. Около года тому назад произошел буквально революционный прорыв в физике. Теория сверхпроводимости предсказывала, в согласии с экспериментом, очень низкие температуры для перехода в сверхпроводящее состояние (порядка 20 К и ниже). Многие годы не удавалось преодолеть этот температурный барьер. Однако за последнее время были открыты окислы (обязательно включающие медь и редкие земли), в которых сверхпроводимость наблюдается даже при 100 К. Теперь ясно, что и это не предел, что сверхпроводимость можно получить даже при комнатных температурах.

Пока что механизм спаривания электронов, обеспечивающий высокотемпературную сверхпроводимость, не понят. Однако нет сомнения, что все сведется к сверхтекучести электронов. И это будет новым подтверждением фундаментальности открытия, сделанного П. Л. Капицей.

Мне хотелось бы сказать еще об одном развитии этих работ. Я имею в виду исследования жидкого ³Не. Атомы этого изотопа имеют полуцелый спин, то есть это фермионы, и сверхтекучесть у них не должна возникать. И действительно, даже при 1 К такая жидкость не переходит в сверхтекучее состояние. Но теория сверхпроводимости предсказала возможность образования пар из атомов ³Не - такие пары должны обладать целым спином и вести себя как бозоны. То есть сверхтекучесть ³Не в принципе возможна. И действительно, она была обнаружена при 0,002 К - температуре, в тысячи раз более низкой, чем та, при которой работал Капица.

Итак, нам стала известна еще одна квантовая жидкость. У нее открылось немало необыкновенных свойств. Например, у 3Не есть две сверхтекучие фазы. А структура напоминает жидкий кристалл. Это еще одно интереснейшее научное направление, которое вызвано к жизни замечательным открытием Петра Леонидовича Капицы.

¹Б. Н. Агапов - писатель, известный популяризатор науки.

²В другом докладе П. Л. Капица привел эту цитату в более полном виде: "Один хороший эксперимент стоит больше изобретательности ньютоновского ума".

³Квантовая теория сверхпроводимости была построена в 1957 г. Дж. Бардиным, Л. Купером и Дж. Шриффером.

⁴Здесь мы опускаем описание множества проверочных экспериментов, а также обсуждение термодинамических свойств поверхностной пленки гелия - Ред.

⁵Дорогой господь бог (нем.).

⁶Таких интересных явлений в природе еще есть немало. Чем явление непонятнее, чем больше оно противоречит современным взглядам - тем оно значительнее. Распутывать эти явления, не боясь противоречий, и должна передовая наука. Это намерение П. Л. Капицы так и осталось неосуществленным. Заметить влияние магнитного поля на скорость света невозможно в лабораторных условиях, в магнитных полях величиной до 10⁶ гаусс. Но эффект этот отнюдь не противоречит теории относительности. Современная квантовая электродинамика предсказывает влияние магнитного поля на распространение света в полях порядка 10¹² гаусс. Такие условия складываются, например, на поверхности пульсаров - нейтронных звезд. - Ред.