Шутки гелия

Все это вроде бы не имело ни малейшего отношения к гелию, который продолжал оставаться жидкостью, а значит, по логике, еще не исчерпал своих "классических возможностей".

На самом же деле - как раз наоборот. Все вещества затвердевают прежде, чем их квантовые свойства проявляются в достаточной степени. Один лишь гелий потому и не затвердел, что он, будучи еще жидкостью, "успел" стать "квантовой жидкостью" (пусть это не покажется тавтологией - в словах этих заключен глубокий физический смысл). А квантовая жидкость подчиняется уже своим квантовым законам и, следовательно, не обязана затвердевать даже при абсолютном нуле.

"Квантовая жидкость" - не слышится ли нечто противоестественное в таком сочетании слов? В самом деле, квантовая механика по самому своему определению ведает микромиром. Ее законам подчиняются микрочастицы и некоторые их сообщества, а точнее - их поведение, микропроцессы, происходящие как с ними, так и между ними. А квантовая жидкость - это ведь заведомо макрообъект, видимый, так сказать, невооруженным глазом.

То есть квантовым объектом нежданно-негаданно оказалось не собрание микрочастиц, а весь жидкий гелий во всем своем макрообъеме. Таково первое противоречие или неясность, несуразность. А отсюда вытекает и второе. Известно, что частицы, подчиняющиеся законам квантовой механики, так выглядят и так себя ведут, что их вид и поведение невозможно ни представить - нам с нашим умом и зрением, воспитанными на классике,- ни описать классическим, то есть "понятным" способом. А жидкий гелий? Представлять себе в этом случае нет нужды - можно своими глазами видеть гелий и наблюдать его поведение.

И если вид гелия поначалу не очень смутил получивших его впервые голландцев, то "не такое" поведение его сразу настораживало. Сперва это были непонятные отклонения от привычных закономерностей, заставлявшие снова и снова проверять приборы и методику измерений. Потом появилось уже нечто из области "не верь глазам своим". Жидкий гелий оказался великим фокусником и иллюзионистом. И наблюдавшим это физикам все чаще приходилось повторять: "Не может быть!", "Что за чертовщина!"

Значит недаром показалось странным словосочетание "квантовая жидкость". Не случайно почудилось противоречие даже в самом соседстве двух этих слов...

Камерлинг-Оннес, продолжая нелегкие игры с гелием, чтобы принудить его стать кристаллом, упустил из виду некоторые странности, нелогичности, которые показывали приборы, или не обратил на них должного внимания, не придал им значения.

Один сигнал - правда, не очень громкий - гелий подал в 1911 году: почему-то плотность жидкости имела небольшой пик, небольшой максимум при температуре 2,2°К. Камерлинг-Оннес этот факт отметил - и только. Быть может, в ту пору внимание его было поглощено другим феноменом, другой загадкой: исчезновением электрического сопротивления у некоторых сильно охлажденных металлов. Загадка великолепно разрешилась. В том же 1911 году Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость.

Два года спустя он получил Нобелевскую премию "в связи с его исследованиями свойств тел при низких температурах, приведшими, в частности, к получению жидкого гелия"; последний стал необходимым участником работ при сверхнизких температурах.

Пройдет много лет, и физики поймут, что в поведении жидкого гелия и сверхпроводящего металла, а точнее, в тех внутренних, интимных процессах, которые там совершаются, есть нечто сходное.

Законченная теория сверхпроводимости была создана почти полвека спустя после открытия Камерлинг-Оннеса. На определенном

этапе этого долгого продвижения к исч тине весьма плодотворно потрудился и Ландау. А некоторую общность сверхпроводимости с поведением жидкого гелия Ландау отметил уже в своей первой - главной - работе о гелии.

...Гелий продолжал владеть мыслями голландских физиков. Никакой из доступных им способов воздействия, исследований, измерений не был забыт, упущен. Как и положено, измерялись различные физические характеристики жидкого гелия. И каждый раз в окрестностях загадочной температуры 2,2°К обнаруживались аномалии - экспериментальные точки "выскакивали" из плавной кривой.

Снова и снова появлялся максимум плотности гелия при этой температуре. Было ясно, что ошибки в экспериментах нет. Но по-прежнему какое-либо объяснение не приходило в голову.

И однажды прозвучал еще один сигнал. Крайне странно повела себя теплоемкость жидкого гелия - и опять при той же температуре. В этой точке она круто взметнулась вверх. А затем при дальнейшем охлаждении почти так же резко стала падать. И вообще движение к абсолютному нулю сопровождалось такой патологией в поведении кривой теплоемкости, что Камерлинг-Оннес и его сотрудники, надо думать, приписали ее каким-то внешним причинам - сложностям и неточности самих экспериментов, ошибкам в показаниях приборов, а значит, и в результатах измерений. Так или иначе, опубликованы были одни лишь "убедительные и надежные" цифры, относящиеся к температуре выше 2,2°К. То есть выше точки необъяснимого максимума плотности жидкого гелия. Другие даже не упоминались.

Когда в 1926 году, после смерти своего учителя, лейденские физики стали внимательно смотреть результаты его измерений, то оказалось, что Камерлинг-Оннес определял теплоемкость в широком диапазоне температур.

В последние месяцы жизни Камерлинг-Оннес с сотрудником обнаружил еще одну аномалию. На этот раз в поведении скрытой теплоты испарения. И тогда-то впервые - во всяком случае, впервые вслух - была высказана мысль, что, может быть, в этой точке, при этой температуре происходит какое-то превращение с самим жидким гелием.

Теперь голландских физиков все настойчивей стала преследовать мысль, что дело тут совсем не простое, что к этой загадке надо отнестись с предельной серьезностью и вниманием. Потому что, как предположил Кеезом, "получение преувеличенных значений могло иметь своей причиной... и существование нового явления природы".

Вместе с сотрудниками Кеезом многократно повторяет измерения теплоемкости и получает убедительные стабильные результаты. Действительно, в точке максимума плотности кривая круто уходит вверх. Действительно, в этой точке кривая претерпевает разрыв и начинает почти так же круто падать. Действительно, при более низких температурах теплоемкость жидкого гелия больше, чем она же при температурах выше "роковой точки".

Заинтригованные таким результатом и вообще всей серией упорных, непрекращающихся сигналов о некоем новом явлении, Кеезом и его сотрудники попытались разглядеть или, как говорят физики, визуально определить, не происходит ли чего-нибудь с самой жидкостью в этой точке. И разглядели.

Обнаружилось, что всего на протяжении примерно двух градусов гелий оставался "самим собой". Когда температура его стала 2,2°К (а по более поздним и точным измерениям - 2,19°К), он взбунтовался. Происшедшие с гелием перемены поразили: изменился внешний вид, резко иным стало поведение. (Словно речь идет о человеке, и слова эти - завязка некоего детектива. Последнее, впрочем, довольно близко к правде.) По видимости, это был "бунт на коленях". Только что бурно кипевший гелий присмирел, утих, стал прозрачным, пропали пузыри. Казалось, он вот-вот совсем замрет, полностью успокоится. И затвердеет, как при охлаждении затвердевают все "послушные" жидкости.

Но не тут-то было. Под тихой личиной стали твориться невероятные вещи. Чудеса своеволия по-настоящему теперь только и начались.

Возникает вопрос: почему же опытнейший Камерлинг-Оннес не заметил этих превращений? Оказывается, разглядеть их было не так-то просто. Например, увидеть, кипит гелий или спокоен. Это же не поднять крышку у чайника и посмотреть, кипит - не кипит.

Надо отчетливо себе представить, что коль скоро дело касается жидкого гелия, то каждая процедура превращается в почти неразрешимую проблему. Ведь даже хранение - или сохранение - жидкого гелия тоже задача крайне непростая.

Одно из самых популярных слов в физике и технике низких температур - это сосуд Дьюара, или попросту дьюар.

Жидкий гелий хранится не просто в дьюаре, а внутри целого набора их, наподобие "матрешек" вставленных один в другой. Между дьюарами обычно заливают жидкий воздух, а во внутренний, содержащий уже дьюар с гелием - жидкий водород, как самую холодную после гелия жидкость. Только при такой системе охлаждения гелий не станет сразу же испаряться и с ним можно проводить различные эксперименты.

Но чтобы увидеть его, приходится делать в посеребренных стенках дьюаров смотровые щели, что, естественно, несколько ухудшает теплоизоляцию. Поэтому без крайней нужды их и не делают.

Может быть, это желание - просто посмотреть, не случается ли чего-нибудь с гелием при переходе через температуру 2,2°К,- даже и не возникало, не успело возникнуть у Камерлинг-Оннеса. И лишь несколько позднее ученики его, озадаченные всеми странностями, упорно повторяющимися именно при 2,2°К, пришли к мысли своими глазами взглянуть на то, как поведет себя гелий при критической температуре, скажется ли переход через "особую точку" на его внешнем виде и поведении или не скажется.

Вероятно, метаморфоза, которую наблюдали голландские физики, и стала последней каплей в чаше их терпения и сомнений. Все согласились на том, что гелий выше и ниже 2,2°К - не одно и то же, что это в чем-то существенно различающиеся жидкости.