Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

Теория сверхтекучести жидкого гелия

Низкие температуры, абсолютный нуль и квантовая механика

Путь познания не бывает коротким и легким. Никогда и ни для кого. Ученый-первопроходец прокладывает пути в неизвестное, движется по целине. Ребенок, школьник идет протоптанными, но для него вечно новыми дорожками. Дорог множество. Одни существуют века, десятилетия, другие возникают на наших глазах, третьи еще предстоит замыслить. Дороги разные - все и для всех. И только единственным общим свойством они наделены - их нельзя запросто, без оглядки, проскочить в мгновение ока.

Случается, великие ученые приглашают присоединиться к себе в поисках истины, стать свидетелем того, как прокладывается новый маршрут. Иоганн Кеплер писал: "Речь ведь идет не только о том, каким образом проще всего ввести читателя в существо излагаемого предмета. Важно другое: по какой причине, с' помощью какого хитроумного приема или счастливой случайности мне, автору, удалось прийти к тому, к чему я пришел. Когда Христофор Колумб, Магеллан и португальцы (первый открыл Америку, второй - Китайский океан, а третьи - морской путь вокруг Африки) повествуют о том, как они сбивались с пути, мы не только не осуждаем их, но, наоборот, боимся пропустить что-нибудь из их рассказов - столь большое удовольствие доставляет нам их чтение. Поэтому и мне не поставят в вину, если я из любви к читателю воспользуюсь в своей работе тем же приемом. Читая о похождениях аргонавтов, мы не испытываем перенесенных ими тягот, в то время как трудности и тернии на пути моей мысли, к сожалению, вполне ощутимы для читателя. Таков уж удел всех математических сочинений. (И, прерывая Кеплера, прибавим мы, вообще работ из многих областей современной физики, как теоретических, так и экспериментальных.- А. Л.) Подобно тому, как одни люди испытывают удовольствие от того, другие - от другого, найдутся и такие, которые испытают сильнейшую радость, когда, преодолев все трудные для понимания места, они единым взглядом смогут охватить цепь моих открытий".

Лаконичнее и проще сказал Эйнштейн в работе, где он сделал первую попытку раскрыть и описать строение Вселенной на основе созданной им общей теории относительности: "Я поведу читателя по дороге, пройденной мной самим, по дороге несколько непрямой и неровной, так как только при этом я могу надеяться, что он отнесется с интересом к конечному результату".

Это прекрасные слова. И прекрасно желание сделать читателя спутником в трудном пути и вроде бы соучастником трудных поисков. Такой же должна быть и цель книги, герой которой ученый. Хотя это так непросто. И без активного сочувствия читателя тут не обойтись.

Но жизнью и творчеством ученого интересуется больше всего тот, кому интересна сама наука; тот читатель, который не прочь затратить время и умственную энергию, чтобы хоть сколько-нибудь проникнуть в тайны мироздания, узнать новое о природе вещей, совершить путешествие в такие уголки Вселенной, куда еще не ездят экскурсионные автобусы. Однако, хотя автобусы туда и не возят, эти "заповедные места" становятся доступны все большему числу людей, особенно молодых.

Это возможно потому, что идет непрерывный процесс коллективного "поумнения" человечества, все более широкого привыкания его к новым понятиям и явлениям природы. Множеству людей ныне доступно и привычно то, что недавно казалось невероятным и непостижимым самым великим умам. Иначе бы не объяснить, не понять многие удивительные факты из истории науки.

Макс Планк, отец, родоначальник квантовой теории, в 1913 году, через тринадцать лет после своего открытия, написал представление об избрании Альберта Эйнштейна в Берлинскую академию. Наряду с высокими и хвалебными словами содержалось там и такое: "То, что он в своих рассуждениях подчас стрелял мимо цели, как это было, например, с его гипотезой световых квантов, не следует ставить ему в упрек, ибо, не идя на риск, даже в области точных наук нельзя сделать ничего действительно нового".

А речь шла ни больше ни меньше как об одной из величайших работ Эйнштейна, где он приписал свету квантовую природу. Некоторые физики (хотя они в явном меньшинстве) ставят это открытие даже выше теории относительности, полагая именно его истинным фундаментом квантовой механики.

В свою очередь, Эйнштейн, в науке, казалось бы, революционер из революционеров, до конца жизни не мог принять главную,

пожалуй, идею квантовой физики - вероятностное истолкование процессов в микромире, или, как он считал, нарушение закона причинности: "Я не могу поверить, что бог играет со вселенной в кости" - эта полуироническая фраза не раз повторялась им, выражая глубокое смятение ученого перед крушением, как он был убежден, самых незыблемых основ физики. В защиту этих основ Эйнштейн много лет вел дискуссию с Бором, изыскивая все новые возражения и парадоксы, которые он выдвигал в опровержение некоторых исходных принципов квантовой механики.

Бор незадолго до смерти побывал в Москве. На встрече с учеными в Институте физических проблем он вспоминал об этой дискуссии:

- Мне хочется сегодня, когда Эйнштейна уже нет с нами, сказать, как много сделал для квантовой механики этот человек с его вечным, неукротимым стремлением к совершенству, к архитектурной стройности, к классической законченности теорий, к единой системе, на основе которой можно было бы развить всю физическую картину. В каждом новом шаге физики, который, казалось бы, однозначно следовал из предыдущего, он отыскивал противоречия, и эти противоречия становились импульсом, толкавшим физику вперед. На каждом новом этапе Эйнштейн бросал вызов науке, и не будь этих вызовов, развитие квантовой физики надолго бы затянулось...

Так движется наука - и в созидании своем и в овладевании умами.

А теперь, обращаясь к представителям школы Ландау, вспомним, как один из них сказал, что ученикам учеников все было легче, чем первому поколению,- и восприятие новых идей, и проникновение в сложности книг "Теоретической физики".

Такое происходит - естественно, на разных по степени трудности уровнях - с огромной массой людей. Им легче, чем раньше,

понимать науку и интересней в нее погружаться. Подобно тому как наука захватывает новые и новые пространства в жизни человечества в целом - а может, как раз поэтому,- она овладевает интересами все большего числа людей.

Конечно, можно уберечь читателя от излишней умственной работы, предупредив, что автор не посетует, если что-то из науки будет опущено. Но лучше вспомнить и повторить слова Маяковского: "Я - поэт. Этим и интересен". На вопрос о том, каким хотелось бы увидеть Ландау в написанной о нем книжке, один из учеников ответил:

- Таким, каким он бывал на семинарах. Дау становился наиболее блестящим и интересным человеком именно тогда, когда был физиком.

Однако чтобы почувствовать Маяковского-поэта, достаточно почитать его стихи. Не обязательно, да и просто ни к чему брать предварительно томик Державина, Или даже близкого нашему времени Блока.

Не то с учеными и их открытиями. Здесь без предыстории не обойтись. Иначе трудно и понять открытие, и оценить его сущность и роль, а также место в здании науки. Знакомя читателя с предысторией открытия Ландау, нам придется часто расставаться с героем книжки.

Ведь жидкий гелий удалось получить в 1908 году (а именно с этого эпизода и начинается предыстория открытия, выбранного для рассказа), то есть в год рождения Ландау. Естественно, что младенец, пусть ему и уготовано большое будущее, в истории науки фигурировать не может.

С самого начала своей биографии, когда еще и мысли не было ни о жидком гелии, ни о низких температурах в современном понимании этого термина, гелий предстал перед учеными как необыкновенно экзотичен ский элемент. Ландау говорил, что из всех химических элементов гелий, пожалуй, наиболее удивительный - и во многих отношениях. Что удивительными являются и его свойства и его история, кстати сказать, в какой-то мере тоже связанная с его свойствами. Имея все это в виду, Ландау очень советовал прочитать книгу друга своей ленинградской юности. Вот что он писал в предисловии к ней:

"Книга "Солнечное вещество", принадлежащая перу безвременно погибшего талантливого физика Матвея Петровича Бронштейна,- незаурядное явление в мировой популярной литературе. Она написана с такой простотой и увлекательностью, что читать ее, пожалуй, равно интересно любому читателю - от школьника до физика-профессионала. Раз начав, трудно остановиться и не дочитать до конца".

Взяв в руки эту книжку, читатель увидит, что он уже внаком со всеми тремя физиками, причастными к ней.

Последнюю главку книги - "Двадцать лет спустя" - написал А. И. Шальников. В какой-то степени она - экстракт того, о чем мы сейчас собираемся рассказывать. Шальников образно описал поведение гелия, обращенного в жидкость. И очень точно. Да и как иначе. Уж он-то не один десяток лет занимается низкими температурами и с жидким гелием давно накоротке.

Итак, для знакомства с гелием-газом адресуем читателя к книжке "Солнечное вещество".

В истории науки нередки примеры, когда какой-нибудь пункт нашей планеты становится вроде бы столицей - всеми признаваемой - целой научной области. Так Копенгаген в продолжение нескольких десятков лет был общепризнанным центром теоретической физики, где считал своим долгом побывать каждый уважающий себя теоретик. И точно также Лейден, маленький голландский городок в дельте Рейна, стал центром большой науки в области низких температур. Среди многих других для работы сюда, в "Мекку холода", приезжали и харьковские друзья Ландау - супруги О. Н. Трапезникова и Л. В. Шубников.

Наиболее значительной фигурой в этом центре был Гейке Камерлинг-Оннес, в течение сорока лет руководивший кафедрой экспериментальной физики в Лейденском университете. С именем Камерлинг-Оннеса связан последовательный спуск к все более низким температурам и серия крупных открытий на этом пути.

Первое из них, вероятно, и неправильно называть открытием. Скорее, это было действие, трудная работа, направленная к достижению заранее поставленной цели. А цель - превращение гелия из газа в жидкость, ожижение гелия. Давно уже были получены и жидкий воздух, и его составляющие - азот и кислород, и ожижен водород. Один гелий не поддавался этой процедуре.

Теоретически удалось объяснить такое поведение. Гелий недаром называется благородным или инертным газом. Атомы его чрезвычайно симметричны и испытывают очень малые силы притяжения друг к другу. Но и среди прочих инертных газов гелий тоже занимает особое место, он находится на самом фланге. Потому что у атома гелия наиболее устойчивая электронная оболочка - внутренняя оболочка, притом целиком заполненная, с двумя электронами. Поэтому-то атомы гелия не испытывают поползновений к сближению с кем бы то ни было, в том числе и с себе подобными, наоборот, величайшим образом противодействуют этому.

...Наконец, после многих трудов и ухищрений, понизив температуру гелия до -269 градусов, Камерлинг-Оннесу удалось привести его в жидкое состояние. Произошло это в 1908 году. Так физика вступила в область самых низких из возможных температур.

-269 градусов Цельсия равняются примерно 4 градусам по абсолютной шкале температур - шкале Кельвина. А точнее - гелий сжижается при 4,2°К, когда остается меньше пяти градусов до абсолютного нуля.

Вопрос о температуре и способах ее измерения и соответственно о шкалах температур - очень непрост и заключает в себе глубокое физическое содержание. Один физик как-то сказал, что полный ответ на вопрос "Что такое температура?" занял бы целую книгу и мог бы послужить хорошей иллюстрацией изменения взглядов и прогресса физики за последние четыре века. Это происходит потому, что по мере роста наших знаний простые, казалось бы, факты обретают новый смысл.

Температуру определяют по-разному. Говорят, что она есть мера средней кинетической энергии молекул тела. Или - мера нагретости тела. Или - что она есть метка, указывающая, для каких тел данное тело будет дарителем тепла, а для каких - получателем.

Мера, метка... тепла, нагретости, энергии, движения. Если вторая группа слов имеет определенный физический смысл, то первая говорит о какой-то условности, договоренности, произволе. И физики непременно подчеркивают это обстоятельство. В книге, которая называется "Физика для любознательных", сказано, например, так: "Термометры полезны нам как верные слуги. Но действительно ли за их преданным "лицом" - шкалой - скрыта Ее Сиятельство Температура?.. Все же сама температура или ее выбор остается концепцией нашего ума с возможностью выбора температурной шкалы. Далеко не все физические величины, которые мы измеряем и которыми пользуемся в науке, вытлядят столь искусственно".

Подобному взгляду близка и позиция Ричарда Фейнмана, одного из крупнейших современных теоретиков:

"Средняя кинетическая энергия молекул - это свойство только "температуры". А будучи свойством "температуры", а не газа, она может служить определением температуры. Средняя кинетическая энергия молекулы, таким образом, есть некоторая функция температуры. Но кто нам подскажет, по какой шкале отсчитывать температуру? Мы можем сами определить шкалу температуры так, что средняя энергия будет пропорциональна температуре. Лучше всего для этого назвать "температурой" саму среднюю энергию. Это была бы Самая простая функция, но, к несчастью, эту шкалу уже выбрали иначе и вместо того, чтобы назвать энергию молекулы просто "температурой", используют постоянный множитель, связывающий среднюю энергию молекулы и градус абсолютной температуры или градус Кельвина".

Физики говорят, что слова "гелий" и "низкие температуры" стали для них как бы синонимами. С одной стороны, сам гелий служит орудием для максимального охлаждения. А с другой - и это особенно важно - все удивительные события, связанные с поведением жидкого гелия, разыгрываются вблизи абсолютного нуля.

Абсолютный нуль - один из важных в физике пределов, с ним связана интереснейшая метаморфоза в жизни материи. И в самом пути к этому пределу, в сопутствующем преодолевании смущавшего всех "температурного произвола" есть тоже много интересного и небезразличного для предмета нашего рассказа. Поэтому стоит хотя бы бегло по этому пути проследовать.

Когда искали различные способы измерения температуры, то есть наполняли термометры разными веществами, выбирали точки отсчета и по-разному градуировали шкалы,- а весь этот процесс длился очень долго,- то перед наиболее дальновидными физиками все явственнее вырисовывалась необходимость найти какую-то шкалу, максимально независимую от свойств тех или иных веществ, от произвола измерителей.

Задача оказалась принципиально выполнимой. Таким идеальным работником для термометра стал идеальный газ. В середине прошлого века эта мысль пришла в голову Кельвину, и он построил газовый термометр, рабочим веществом в котором служил идеальный газ.

...Слово "газ" происходит от греческого слова "хаос" - беспорядок. Чем больше беспорядка, тем ближе газ к идеальному.

Механизм этого явления очевиден. В твердых телах, в кристаллах, тепловое движение молекул в высшей степени упорядочено. Они могут совершать лишь колебания около положения равновесия - своего "узла" кристаллической решетки. В жидкостях появляется больше свободы перемещения. Но все равно, силы взаимодействия очень велики. Молекулы живут в большой тесноте, в окружении одних и тех же соседей. В газах силы взаимодействия, препятствующие "хаосу", намного меньше, и если двигаться к пределу, к идеалу, то ясно, что чем более разрежен газ, тем все меньшую роль станет играть в нем взаимодействие между молекулами. Каждая из них практически будет жить "сама по себе" и ударяться только о стенки сосуда. Вот тогда-то газ и можно будет назвать идеальным.

Но на самом деле в очень большом интервале температур взаимодействие молекул играет такую малую роль, что им уже пренебрегают. (Слово "пренебрегать" весьма привычно в обиходе физиков; так однажды, попав в мастерскую скульптора, И. Я. Померанчук отметил, что общее между скульптором и физиком то, что оба знают, чем можно пренебречь.) Поэтому действительный ареал обитания газа, в котором он может считаться идеальным, достаточно обширен.

Кельвин, предложивший измерять температуру с помощью идеального газа, сам построил первый газовый термометр. Рабочим телом в нем был находящийся при постоянном давлении обычный атмосферный воздух. Когда воздух нагревался или охлаждался, мерой температуры служило соответствующее изменение его объема.

Но заслуга Кельвина не только в том, что он предложил наиболее точный и, по существу, не зависящий от произвола, от случайного выбора способ измерять температуру. Работа его имела важные последствия и для теории.

Если реальный газ, тот же воздух, или водород, или гелий, охлаждать все больше и больше, то поначалу - и довольно долго - он будет вести себя еще как идеальный, а потом в игру все-таки вступит взаимодействие между его молекулами. Оно будет все усиливаться с понижением температуры, пока, при определенном для каждого вещества ее значении, не заставит газ превратиться в жидкость. Конечно, при этом резко уменьшится объем по сравнению с тем, который занимал газ в своем амплуа "идеального".

Что касается того абстрактного газа, который до конца будет вести себя как идеальный, то он в пределе, при самой низкой температуре, сожмется в точку. Так как объем по природе своей, по своему существу не может быть отрицательным, то никакое дальнейшее понижение температуры невозможно. Или попросту не имеет физического смысла. Поэтому предельно низкую температуру назвали "абсолютный нуль". А шкалу, в которой отсчет ведется от абсолютного нуля, стали называть шкалой Кельвина, или абсолютной шкалой температур.

Можно, однако, мысленно проиграть и другой вариант "спуска" к абсолютному нулю. Будем охлаждать идеальный газ, сохраняя постоянным его объем. Естественно, что тогда начнет уменьшаться давление газа. И в пределе упадет до нуля. Не составляет большого труда догадаться, что давление станет равно нулю в момент, когда температура достигнет абсолютного нуля.

Что же означает нулевое давление? Давление газа есть суммарный результат ударов его молекул о стенки сосуда (и конечно, о прибор, это давление измеряющий). Как сказал однажды Ландау, непрерывная дробь ударов молекул сливается в единую силу давления. А сила давления связана со скоростью молекул и соответственно с их кинетической энергией. Но средняя кинетическая энергия частиц попросту пропорциональна абсолютной температуре газа. "Средняя кинетическая энергия молекул,- напомним слова Ричарда Фейнмана,- это свойство только температуры... а не газа".

Двигаясь назад по этой цепочке взаимосвязей физических процессов, следует сказать, что при абсолютном нуле обращается в нуль и кинетическая энергия частиц, а значит, и скорость их движения, а значит - что уже ыло получено раньше и другим путем - и их давление, таким образом, нуль давления означает прекращение "бомбежки", то есть остановку молекул, конец теплового хаотического движения частиц, конец того "хаоса", от которого произошло название "газ".

Вот в чем исключительность абсолютного нуля, его глубокий физический смысл. При абсолютном нуле прекращается движение частиц. Частицы-атомы, молекулы - останавливаются, замирают, "замерзают".

И все же оказывается, что прекращение движения при абсолютном нуле не есть "абсолютная истина". Карты здесь спутает квантовая механика. Но пока ее еще нет, пока беспредельно царствует классическая физика, а потому при абсолютном нуле застыло все, мертва не только живая, но и неживая природа...

...Абсолютный нуль, как и положено пределу, недосягаем, недостижим. К нему можно только стремиться, приближаться все больше и больше. Это следует из теории. Но и на практике физики постоянно убеждаются, что чем ближе - тем труднее. Каждый последующий шаг, каждая доля градуса дается все с большим трудом. Один физик так полушутя-полусерьезно объяснил недостижимость абсолютного нуля: "Чтобы охладить материал от 100 до 10°К (то есть примерно от температуры жидкого воздуха до температуры жидкого водорода), требуется много труда и денег. Столько же требуется и для охлаждения его еще ниже, от 10 до 1°К, столько же для охлаждения от 1 до 0,1° К и от 0,1 до 0,01° К, так что с точки зрения растущей стоимости абсолютный нуль кажется практически недостижимым".

Недостижимость абсолютного нуля станет особенно впечатляющей, если вместо какой-либо из обычных шкал температуры (Цельсия, Кельвина, Фаренгейта), где цена любого и каждого деления - один градус, воспользоваться шкалой логарифмической.

В логарифмической шкале цена каждого деления соответствует десятикратному изменению - росту или уменьшению - величины. Если 1°К соответствует 0 логарифмической шкалы (так как lg1 = 0), то одно деление шкалы будет соответствовать 10°К, два - 100°, три - 1000° и т. д. Так пойдет шкала вверх. Соответственным станет ее движение и вниз: минус единица будет означать 0,1° К, минут два - 0,01° К, минус три - 0,001° К и т. д. Так как логарифм нуля равен минус бесконечности (lg 0 = -∞), то получается, что абсолютный нуль лежит далеко-далеко; по достижимости своей он переместился в бесконечность.

Физики вообще любят пользоваться логарифмической шкалой. Вспомним, как Ландау оценивал по логарифмической шкале вклад в науку современных физиков-теоретиков. Но то была почти что шутка. С помощью логарифмической шкалы, помимо прочего, можно для наглядности сблизить большие, а потому далекие величины с величинами в десятки, сотни, тысячи и т. д. раз меньшими. В данном же случае, наоборот, логарифмическая шкала позволяет удалить в бесконечность, сделать недостижимым абсолютный нуль - и это ведь на самом деле так.

В Лейдене Камерлинг-Оннес продолжал свой давний трудный спуск к абсолютному нулю - не теоретический, а реальный, в экспериментах. В 1908 году, мы знаем, ему удалось привести к благополучному концу многолетние попытки превратить в жидкость последний, так долго и упрямо сопротивлявшийся газ. Охлажденный до температуры 4,2°К гелий стал жидкостью. Кипящей, бурлящей - словом, негодующей, но жидкостью.

Теперь в перспективе предстояло укротить упрямца окончательно - заставить затвердеть. И Камерлинг-Оннес двинулся к этой цели - далекой, хотя, как он надеялся, достижимой; ведь все вещества в конце концов затвердевали, становились кристаллами, когда их охлаждали до соответствующей температуры.

Однако у гелия "соответствующей температуры" не оказалось. Почти двадцатилетние усилия Камерлинг-Оннеса, окончившиеся с его смертью, не привели к успеху. "Вплоть до 0,83°К, самой низкой из температур, достигнутых Камерлинг-Оннесом, гелий... оставался жидким. Камерлинг-Оннес поставил перед собой задачу дальнейшего охлаждения жидкого гелия до абсолютного нуля для выяснения его агрегатного состояния при этой температуре, но ему не удалось дожить до завершения намеченных им исследований",- вспоминал его ученик Биллем Гендрик Кеезом.

Ныне известно, что неудача была предопределена, коренилась в физической природе гелия, а потому спустись Камерлинг-Оннес как угодно близко к абсолютному нулю, гелий все равно не затвердел бы.

Но и тогда уже Кеезом, не задаваясь, вероятно, целью объяснить физическую суть явления, а просто используя результаты экспериментов своего учителя, решил пойти по иному пути. Учитывая фиаско с охлаждением гелия, Кеезом стал подвергать жидкость все большему и большему давлению. Наконец, при давлениях порядка 25 атмосфер удалось заставить гелий закристаллизоваться. При нормальном же давлении твердого гелия просто не бывает. Этот факт сам по себе указывал на необычность объекта. Это был знак, сигнал, который призывал обратить на себя внимание. Однако если сигнал и расслышали, то расшифровать его в то время не могли.

Естественно, что и Камерлинг-Оннес не смог ни понять загадочного поведения гелия, ни придумать ему объяснения и упорно стремился все больше и больше охлаждать его. А не смог потому, что причины лежали в чисто квантовых свойствах этой особенной жидкости, в "квантовом" ее поведении. Но откуда это было знать КамерлинггОннесу? В начале века даже само слово "квант" звучало непривычно, а к 1926 году, когда завершилась жизнь голландского физика, квантовая механика переживала только первый период своего становления, рождения главных принципов, и было ей еще не по силам, не по возможностям вторгаться во все физические парадоксы. К гелию в те годы применяли классические законы. Однако результаты экспериментов вступали с этими законами в конфликт.

Ландау всегда интересовался различными физическими превращениями вещества, которые принято называть фазовыми переходами. Используя способ описывать поведение вещества с помощью фазовых диаграмм (их еще называют диаграммы состояний), он так объясняет неизбежность, обязательность кристаллизации при низких температурах:

"Кривая равновесия твердого тела с газом уходит в начало координат (напомним, что на осях координат отложены температура и давление), т. е. при абсолютном нуле температуры вещество при любом давлении находится в твердом состоянии. Это обстоятельство является непременным следствием обычного, основанного на классической механике, представления о температуре. Согласно этому представлению при абсолютном, нуле кинетическая энергия атомов обращается в нуль, т. е. все атомы неподвижны. Равновесным состоянием тела будет при этом то, в котором расположение атомов соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов друг с другом. Такое, расположение, отличаясь по своим свойствам от всех других расположений, должно быть как-то упорядоченным, т. е. представляет собой некоторую пространственную решетку. Это и означает, что при абсолютном нуле вещество должно быть кристаллическим".

Предыдущие страницы уже подготовили нас к необходимости распрощаться с классической физикой и обратиться к ее преемнице, квантовой механике. Впрочем, "преемственность" - не совсем правильное определение. Точнее, речь должна идти о разграничении "сфер влияния". И, вступая в новую сферу, нельзя забывать, что классическая физика, как и всякая классика, заслуживает самого глубокого уважения - пусть она и терпит провалы в некоторых экстремальных ситуациях.

Давно уже стало расхожей фразой, что квантовая механика есть физика микромира. Но ведь все тела, все вещества, все на свете состоит из тех или иных элементарных частиц. Почему же мы не наблюдаем, не ощущаем в нашей обыденной жизни, а также и в школьных физических опытах их квантовые свойства? Причина в том, что поведение вещества, тела как коллектива микрочастиц заслоняет, загораживает поведение и свойства составляющих этот коллектив частиц.

Капица говорил, что стремление обнаружить квантовую природу процессов, изучая вещество при комнатной температуре, похоже на попытку изучать законы соударения шаров на биллиардном столе, стоящем на качающемся в море корабле. А кто-то назвал тепловое движение частиц, затушевывающее их квантовую природу, шумом в чистой симфонии квантовой механики; из-за шума бывает невозможно расслышать саму музыку.

Но вот вещество охлаждается до низких температур. "Шумы" утихают, движения "затормаживаются". И тогда начинает открываться, обнаруживать тебя квантовый характер процессов. А потому, говоря словами Ландау, "по мере того, как с понижением температуры уменьшается энергия частиц, условия применимости классической механики рано или поздно нарушаются, и классическая механика должна быть заменена квантовой". Далее Ландау раскрывает глубинную физическую сущность этого явления:

"При температуре абсолютного нуля тепловое движение прекращается. Это утверждение, однако, отнюдь не означает, что прекращается всякое вообще движение частиц внутри тела. Согласно квантовой механике движение частиц никогда не прекращается полностью. Даже при абсолютном нуле должно сохраниться некоторое колебательное движение атомов внутри молекул или колебания атомов вокруг узлов кристаллической решетки твердого тела. Это движение - его называют нулевыми колебаниями - представляет собой квантовое явление" Энергия этого движения является характерной величиной для "квантовости" того или иного объекта. Сравнение энергии теплового движения частиц с энергией их "нулевого" движения может служить критерием применимости классической механики; последняя пригодна для описания теплового движения частиц, если его энергия достаточно велика по сравнению с "нулевой энергией".

Наиболее ярким примером "нулевого движения", полностью сохраняющегося и при абсолютном нуле, является движение наиболее легких частиц - электронов - в атомах".

При низких температурах стали проявляться различные, поначалу необъяснимые особенности поведения вещества. Давно было замечено, что странно ведет себя теплоемкость. Но оказалось, что совсем не странно, если на ее поведение взглянуть с "квантовых позиций". У некоторых металлов и сплавов появилась сверхпроводимость - электрическое сопротивление их упало до нуля, и ток в таком проводнике мог течь практически бесконечно долго. Это тоже, как впоследствии выяснилось, был чисто квантовый эффект.

предыдущая главасодержаниеследующая глава








© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru