Капица изучает поведение гелия II и открывает сверхтекучесть

Большинство физических концепций рождается из необходимости объяснить то, что необъяснимо старыми, уже существующими теориями. Учение Ландау о квантовых жидкостях родилось так и не так, Так - потому что оно тоже объяснило необъяснимое. А не так - потому что никаких "существующих теорий" просто не было. Еще предстояло раскрыть и "открыть" само поведение гелия II. Еще надо было в точных и достоверных экспериментах обнажить физическую сущность тех странных процессов, которые в нем обнаружились.

Такое удалось сделать Капице в остроумных и тонких исследованиях. До опытов Капицы фундамента для создания теории не существовало. Серия работ, проделанных в Институте физических проблем, раскрыла так много удивительных явлений, что сразу привлекла внимание и настоятельно потребовала своего осмысления.

Необходимо отметить, что и на экспериментальной стадии исследований сложности и загадки тоже возникали одна за другой, точнее, шли густым косяком, не оставляя времени для роздыха, для малейшей самоуспокоенности от сознания, что главная трудность - позади.

Капица часто и с охотой воспевает необходимость противоречий как двигателя науки. Тут его любимые противоречия с избытком вознаградили его. Казалось, они толпой стояли за дверями лаборатории и по очереди послушно являлись на каждом очередном этапе исследований. Являлись, чтобы свести на нет все едва возникавшие объяснения. Прямо скажем, уж чего не было в работе Капицы - это монотонности, однообразия и скуки.

Вероятно, ни для кого и никогда ни одно занятие не может выглядеть столь привлекательным и захватывающим, как для непосредственного исполнителя, увлеченного этой работой, живущего ею. Здесь одна из тех ситуаций, где быть "третьим лишним", вообще зрителем, не очень весело. Потому что это не спектакль, не концерт. И зрителю, хоть и понимающему что к чему, все равно не может быть так интересно, как участнику творческого процесса.

Капица подчеркивал, что даже руководить научной работой, хорошо в ней ориентируясь, но принимая минимальное участие, и то не дело для настоящего ученого: "Я уверен, что в тот момент, когда даже самый крупный ученый перестает работать сам в лаборатории, он не только прекращает свой рост, но вообще перестает быть ученым". И еще: "Только когда работаешь в лаборатории сам, своими руками, проводишь эксперименты, пускай даже в самой рутинной их части, только при этом условии можно добиться настоящих успехов в науке. Чужими руками хорошей науки не сделаешь".

Не один исследователь убеждался на собственном примере в справедливости этих слов. Потому что "самая рутинная" работа никогда не бывает работой без мысли и без эмоций. Казалось бы, всего лишь показания приборов... Но для того, кто эксперимент ведет,- это обнаженная картина явления, может, впервые увиденная, может, ожидаемая, даже привычная, а может, путающая все карты,- всякое бывает,- но никогда не безразличная. Вот почему жизнь экспериментатора так богата не только трудом, но и переживаниями.

За повторяющимися, обычно долго, утомительно, однообразно, измерениями исследователь всегда пытается разглядеть процесс, угадать его ход, его результат. Редко сопутствует тут удовлетворение, постоянно - надежда, а часто и разочарование. Приходит, конечно, и "госпожа удача". Однако куда чаще результаты удручают. Но и тогда следует быть предельно внимательным, потому что, случается, в самом противоречии и запрятано зерно удачи.

Едва ли наберется много случаев в практике науки, когда идея и схема экспериментальной работы, вроде бы убедительно и четко задуманная и рассчитанная, не претерпевала бы всяческих изменений в ходе исследования. Сами результаты ставят новые вопросы, дают новые повороты, вызывают необходимость непредусмотренных ранее экспериментов. Здесь надо постоянно думать и перестраиваться на ходу. А такое ведь не перепоручишь сотрудникам. Надо все видеть своими глазами, делать своими руками, чувствовать собственной кожей. Так и только так можно стать хозяином исследования.

Капица приступил к экспериментам с гелием с начала 1937 года. И в течение нескольких месяцев сделал свою первую, основополагающую работу, которая и завершилась открытием сверхтекучести гелия II.

Потом еще около трех лет ушло на тщательные исследования поведения гелия в различных ситуациях; на то, чтобы путем множества проверок и перепроверок убедиться, что все дикие выходки, которые позволяет себе гелий, не случайность, не фикция и не следствие ошибок экспериментатора; на то, чтобы поверить, что Есе эти загадочные эффекты отражают истинную физическую природу неизвестного прежде феномена, что они точны, достоверны и ждут своего теоретического истолкования.

От тех времен остались свидетельства в виде многочисленных подробных записей - опытов, измерений, которые шли последовательно, день за днем. Дневники эти Бел и хранит постоянный и непременный помощник Капицы во всех его работах - Сергей Иванович Филимонов.

Никто из научных сотрудников не участвовал в этих исследованиях Капицы (Филимонов был тогда механиком), он провел их сам от начала и до конца. Но помогали ему два отличных мастера.

"Создание аппаратуры - это тоже творческая работа",- любил повторять Капица. И еще: "Ничего так не тормозит, не расхолаживает и не угнетает научную работу, как медленное изготовление приборов для опытов".

Александр Васильевич Петушков мог все в стеклодувном деле - к примеру, изготовить любой формы и конструкции дьюары, впаять в них какие угодно устройства и сделать, чтобы то, что задумано движущимся, двигалось, а то, что должно стоять, стояло бы на месте, и чтоб вакуум можно было получить какой требуется, и тому подобное. Для Филимонова, похоже, тоже не было невозможного, когда дело касалось механических и электрических частей установки. Каждая идея, замысел Капицы тут же понимались, подхватывались, воплощались в действующую установку. Любое видоизменение опыта требовало изменений и в аппаратуре. И очень часто то, что было придумано вечером, наутро уже оказывалось готовым к работе. В этой части действительно ничто "не тормозило, не расхолаживало и не угнетало" Капицу. Работа его с Филимоновым шла в таком тесном контакте и полном взаимопонимании, что лучшего нечего было и желать. К тому же Филимонов был и неизменным участником экспериментов Капицы с гелием II.

Каждый день Капица, а чаще Филимонов заполняли протоколы опытов. Маленький схематичный рисуночек, показывающий основные задачи и принципы сегодняшнего эксперимента. Исходные данные. Затем колонки цифр, результатов. И если было возможно, если результаты позволяли, то следовали выводы.

Толстые подшивки этих ежедневно заполняемых листков хранят в себе подробнейшую информацию о том, как Капица шел и пришел к открытию. И только дважды за три с лишним года работы на протоколах крупными буквами цветным карандашом Капица написал: "Опыт обречен" (потому, что подвирал один прибор) и "Опыт забракован" (по сходной причине - что-то не сработало). Остальные сотни опытов были достоверны и надежны.

Итак, первой задачей и целью Капицы стало точное определение вязкости гелия II. Известно, что главный враг точности здесь - турбулентность. Именно завихрения, легко возникающие в маловязкой жидкости, искажают, увеличивают истинное значение вязкости., Поэтому, чтобы максимально уменьшить, если не исключить полностью, турбулентность, жидкость заставляют течь сквозь тонкие капилляры. Искомая вязкость определяется по скорости протекания жидкости.

"Измерение вязкости жидкого гелия - трудная задача, ввиду необходимости создания такого метода, в котором можно было бы сохранить ламинарное движение даже при малой кинематической вязкости гелия",- писал Капица.

В придуманном им приборе Капица сохранил преимущество капилляров - их тонкость, препятствующую турбулентности. Но при этом он сильно увеличил чувствительность метода тем, что через его прибор могло протекать гораздо большее количество жидкости, чем через капилляр.

Капица стал измерять вязкость при протекании гелия через минимально узкие щели - сквозь которые, казалось бы, даже самая невязкая жидкость едва-едва сумеет просочиться. И действительно, когда в прибор был налит гелий I, то за несколько минут сквозь щель "протиснулось" лишь еле заметное его количество. Но вот в дьюаре гелий II. Всего несколько секунд понадобилось на то, чтобы через щель протекло огромное - по сравнению с гелием I - количество жидкости.

Однако Капица думал, что и ему не удалось полностью избавиться от турбулентности, достичь чисто ламинарного течения гелия сквозь щель. Ставя новые и новые опыты, улучшая методику, уменьшая ширину щели, он все явственней убеждался, что полученные им поистине феноменально малые значения вязкости - тоже еще не предел. Похоже, что предела уменьшению ее просто нет. Такая мысль все настойчивей посещала Капицу.

Заключая этот этап исследований, Капица писал, что жидкий гелий II "уже обладает вязкостью по крайней мере в 10 000 раз меньшей, чем водород в газообразном состоянии при самой низкой температуре, при которой вязкость его имеет наименьшее значение. Как известно, вязкость газообразного водорода считалась наименьшей измеренной вязкостью, известной для какой-либо текучей среды. Мне кажется, что этого предела уже достаточно, чтобы по сравнению с явлением сверхпроводимости считать, что жидкий гелий ниже точки К принимает особую модификацию, которую ввиду ее исключительно малой вязкости можно было бы назвать "сверхтекучей".

Так было произнесено слово "сверхтекучесть". Собираясь обнаружить истоки и причины явно ненормальной "сверхтеплопроводности", измеренной Кеезомами, Капица открыл действительно новое в физике явление - сверхтекучесть гелия II. Так и просится сравнение с Колумбом, который поплыл искать путь в Индию, а открыл Америку. Может, это сравнение несколько поверхностно. Потому что, хотя само явление сверхтекучести было неожиданным, Капица открыл его вовсе не случайно и быстро понял, что Америка - это Америка. Среди физиков, а в XX веке особенно, были Колумбы, и они сумели доплыть до своих "Америк"...

Открытие сверхтекучести, этого неизвестного прежде свойства материи, положило начало целому циклу работ Капицы по изучению особенностей гелия II. Ведь даже загадочно гигантская теплопроводность пока не нашла своего объяснения (и не была еще измерена самим Капицей). Интуитивно представлялось, что разгадка связана именно со сверхтекучестью, благодаря которой, как полагал Капица, легко возникают и конвективные потоки, и завихрения жидкости, ее турбулентность, а оба эти процесса должны сильно увеличивать теплопередачу.

Капица оказался правым в своем исходном предположении. Но насколько - прямо-таки неизмеримо - более сложными, непредугадываемыми, непредсказуемыми оказались все те процессы и явления, изумленным зрителем, свидетелем которых становился он во время своих разнообразных экспериментов. Об этом - чуть позже...

- Наиболее замечательное свойство жидкого гелия,- сказал Ландау в популярной лекции,- было открыто советским физиком Петром Леонидовичем Капицей. Капица показал, что жидкий гелий вовсе лишен всякой вязкости. Он произвел очень простой и необычайно важный эксперимент. Он наблюдал протекание гелия через очень тонкие щели. Щели эти были настолько тонкие, что даже такая с обычной точки зрения невязкая жидкость, как вода, вытекала бы через эти щели в течение многих и многих суток. Оказалось, что жидкий гелий II протекает через щели в течение нескольких секунд. Капице удалось показать, что вязкость гелия отличается от вязкости воды не менее чем в миллиард раз. Это только верхний предел, связанный с точностью экспериментов, тот предел вязкости, который наблюдал Петр Леонидович Капица. Вязкость гелия II оказалась столь маленькой, что вообще не могла быть измерена. Можно утверждать, что жидкий гелий просто лишен всякой вязкости. Это явление получило название сверхтекучести. Поэтому гелий II называют сверхтекучей жидкостью.

Ландау рассказал и еще об одном удивительном явлении - гелий постоянно демонстрировал физикам фокус, который они никак не могли разгадать:

- Жидкий гелий ниже 2°,- сказал Ландау,- обладает странным свойством переходить непонятным образом из одного сосуда в другой. Если имеются два сосуда с гелием, находящиеся в непосредственном соприкосновении, и уровень в одном из них выше, чем в другом, то через некоторое время уровни сравниваются.

(Всем известно, что такое сообщающиеся сосуды. А ведь Ландау говорит о сосудах, вовсе в таком смысле не сообщающихся: в одной половине перегороженного непроницаемой стенкой сосуда налито гелия больше, а в другой - меньше.)

- Открытие Капицей сверхтекучести,- продолжал Ландау,- сразу объяснило казавшееся почти мистическим перетекание гелия из одного сосуда в другой. Все жидкости, смачивающие стенки, покрывают эти стенки очень тонким слоем. Этот тонкий слой незаметен для глаза и обычно вообще никак не проявляется. В жидком гелии благодаря сверхтекучести жидкость довольно бы* стро перетекает из сосуда по этой тонкой пленке, которая имеет толщину стотысячной доли миллиметра. Еще более удивительным представляется другое свойство гелия. Капица показал, что гелий сверхтекуч, т. е. мгновенно вытекает через всякую щель. Протекание через щель есть не единственный способ измерения вязкости. В физике известны и другие способы, которые основаны на сопротивлении жидкости движению в ней тела.

Если вы хотите измерить вязкость воды, вы можете измерить обоими способами: вы можете воду пропускать через щель и можете двигать в воде тело и определять вязкость по тем силам, которые действуют на это тело. Для гелия были применены оба эти способа, и оказалось, что в то время, когда у всех жидкостей, они приводят к совершенно тождественным не только качественным, но и количественным результатам, у гелия они приводят, если можно так выразиться, к результатам противоположным. Жидкий гелий II при протекании через щель сверхтекуч, т. е. не обнаруживает вовсе никакой вязкости. Но он обнаруживает сопротивление движению тела, т. е. в то время, когда все обыкновенные жидкости обладают обыкновенной вязкостью, жидкий гелий обладает двумя совершенно различными по природе вязкостями: одной бесконечно малой, отсутствующей, и другой вполне ощутимой, измеряемой вязкостью.

Пришел черед браться за разрешение загаданной Кеезомами загадки о "сверхтеплопроводности" гелия II, выяснить, что она такое на самом деле и откуда взялась огромная ее величина.

Прежде всего наметилась простая, ясная и, казалось, достоверная картина. Гелий II - сверхтекучая жидкость. Значит, тепло в нем может и должно распространяться путем конвекции. Притом, опять же благодаря сверхтекучести, распространяться очень быстро.

Такое объяснение, пока оно было чисто качественным, словесным, не могло вызывать возражений. Но физика - наука точная. И коль уже речь зашла о конвекции, то существует ее количественная характеристика. Скорость конвективной теплопередачи тесно связана со скоростью движения самого вещества.

Чтобы проверить численное соответствие скоростей конвекции и передачи тепла, Капица разработал филигранную технику измерения обеих этих величин. Так, для получения точного значения теплопередачи он мог измерять разность температур в несколько миллионных долей градуса.

И опять завязался клубок противоречий. Капица получил еще большую величину, чем измеренная Кеезомами. Соответствующая ей скорость конвекции должна была доходить до тысячи метров в секунду.

- Немыслимо предположить,- рассказывал потом П. Л. Капица,- что гелий в капилляре двигается со скоростью, которая превышает скорость полета пули. Можно показать, что отсутствуют источники энергии для таких мощных конвекционных потоков. Полученные нами результаты, оказывается, вели к еще большим затруднениям, если механизм теплопередачи путем конвекции отпадал.

Но и механизм обычной, нормальной теплопроводности - передачи теплового движения от одних атомов к другим - тоже никак не согласовывался с остальными цифрами, вступал с ними в противоречие.

Становилось ясно, что в гелии II происходит теплопередача каким-то особенным, не известным способом.

- Как же дальше искать механизм этой теплопередачи, не имея никакой руководящей идеи?- рассказывал Капица, вспоминая те месяцы.- Ведь наши результаты в основном противоречили всем известным теоретическим представлениям. На поиски выхода из этих противоречий мы затратили около года. Тут пришлось идти ощупью, пробовать самые разнобразные физические факторы, под влиянием которых, может быть, будет меняться теплопроводность. Мы испробовали влияние на теплопередачу в гелии II давления, силы тяжести, времени и т. д. Результаты получились отрицательные - теплопроводность не изменялась, оставаясь такой же большой.

Капица надеялся, что, нащупав какие-то способы воздействия на величину теплопередачи, он таким образом, может быть,

сумеет получить в руки ключи, откроющие ему сам механизм явления.

И вдруг совершенно случайно...

Впрочем, "вдруг" можно, например, попасть под машину или найти кошелек с деньгами. А когда все время ищешь, когда обострены мысли и внимание, то "вдруг" становится ожидаемым и желанным.

Тем не менее действительно - вдруг совершенно случайно заметили, что "неподдающаяся" теплопроводность оказалась крайне чувствительной - подумать только!- к весьма малым пульсациям давления гелия в трубопроводе. Как обычно в лабораторию по трубам подаются газ, горячая и холодная вода, так же Капице доставлялся и жидкий гелий. Пульсации эти, естественно, передались и гелию, находившемуся в капилляре.

- Наконец одно совершенно случайное наблюдение дало нам сразу новое направление в работе,- рассказывал Капица.- Оказалось, что пульсации давления, совершенно случайно передаваемые из лабораторной сети гелиевого трубопровода на гелий в капилляре, сильно изменяли его теплопроводность. Хотя пульсации были очень малы, но они уменьшали теплопроводность гелия II в десятки раз.

Капица стал размышлять: каким образом эти небольшие пульсации могут так сильно влиять на теплопроводность гелия?

- Наиболее естественное объяснение было следующее. Известно, что жидкий гелий II - сравнительно легко сжимаемая жидкость - примерно в сто раз легче, чем вода. Благодаря этому свойству пульсации давления, сжимая жидкость, могли вызывать потоки гелия в капилляре, где изучалась его теплопроводность. Мы и предположили, что эти потоки влияют на теплопроводность. Чтобы проверить правильность этого объяснении, надо было поставить опыты, где измерялась теплопроводность гелия, когда он протекает через капилляр. Когда это было сделано, то оказалось, что действительно в гелии II, текущем в капилляре, теплопроводность уменьшена в сто и даже в тысячу раз. Эти эксперименты также обнаружили, что пока через гелий течет тепло, o то он легко протекает. Этим была установлена связь между потоками жидкого гелия и его способностью переносить тепло, и это явилось ключом к дальнейшим исследованиям.- Так рассказывал Капица о неожиданном и странном, но, к счастью, благополучном окончании долгих поисков и блужданий. Так он нашел выход из тупика и смог приступить к фронтальному изучению всех тех особенностей в поведении гелия, которые связаны с теплом.

Связь "движение - тепло" или "тепло - движение" оказалась для гелия II совсем особенной. Исключительность эта проявляется в целой серии эффектов, никогда и нигде, ни в каких других физических процессах не наблюдающихся.

Глядя на такие эффекты или хотя бы читая о них, куда легче вообразить, что присутствуешь при фокусах иллюзиониста, чем представить себя сидящим в лаборатории во время очередного эксперимента, где многочисленные приборы бесстрастно фиксируют все то, что видят хочется сказать: не верь им!- собственные глаза.

Вот, пожалуй, самые впечатляющие.

Имеются два соединенных между собой сосуда с гелием. Раз они соединены, то естественно, что и в одном и в другом сосудах гелий одинаков по всем своим характеристикам - а значит, обладает и одинаковой температурой. Опыт заключается в том, что гелий заставляют перетекать из одного сосуда в другой через узкую щель. Казалось бы, при этом в одном сосуде количество гелия должно увеличиться, а в другом уменьшиться, и ничего больше. Но не тут-то было...

- Когда гелий течет через щель, то происходит - странное явление с теплом,- рассказывал Ландау.- Если гелий перетекает из одного сосуда в другой через очень узкую щель, то оказывается, что при этом гелий в том сосуде, куда он втекает, охлаждается, а в том сосуде, из которого он вытекает, нагревается. Это явление получило название "термомеханический эффект" и само по себе представлялось крайне удивительным.

И вправду удивительно. Получается, что гелий, вытекая, "прихватывает" с собой добавочный холод, который и отдает своему новому жилищу. А старому, наоборот, оставляет добавочное тепло. Физикам было абсолютно непонятно такое странное обращение с теплом - как будто его можно отделить от вещества и пустить в самостоятельную жизнь, где-то оставить, бросить, куда-то принести.

- Капице удалось сделать эксперименты, кажущиеся еще более удивительными,- продолжал свой рассказ Ландау.

Вот грубая схема одного из опытов, который имел в виду Ландау. Большой дьюар с гелием. В него погружена маленькая колбочка, или, как ее называют Капица и Ландау, бульбочка, тоже наполненная гелием. В бульбочку впаян капилляр, другой конец которого открыт. Вблизи открытого конца на сбалансированном коромысле можно помещать различные предметы: крылышко, зеркальце, экран и другие. И по их реакции, их поведению, которое и наблюдалось визуально, и четко регистрировалось различными приборами, удавалось установить, что происходит с гелием в бульбочке и капилляре в разных ситуациях. А главное - при нагревании.

Капица поместил напротив отверстия капилляра легкое крылышко. Как только в бульбочке включался нагреватель, из отверстия капилляра начинала бить струя гелия. Невидимая, она достаточно зримо давлением своим отклоняла крылышко. Затем, несколько сдвигая крылышко, Капица показал, что струя эта точно направлена по продолжению оси капилляра и почти не расширяется, не расходится в стороны.

- Обстоятельство, удивительное во всех отношениях,- рассказывал об этом опыте Ландау.- Удивителен не только сам факт, что при нагревании ни с того ни с сего бьет струя гелия. Еще более удивительным является то обстоятельство, что сосуд при этом не пустеет. Если из сосуда систематически вырывается струя жидкости, то через короткое время в сосуде не должно ничего остаться. В данном случае никаких изменений не происходит. Сосуд остается наполненным гелием, как вначале.

Ландау здесь ничего не преувеличил. Каждый, кто наблюдал этот опыт и видел все доподлинно своими глазами, готов был объявить такое обманом зрения. Из сосуда бьет струя гелия - непрерывно, долго; и пока длится опыт, а может он идти сколько угодно времени, видишь, как эта струя отклоняет крылышко, все время одинаково, ничуть не слабее. Когда же она перестанет бить? Когда истощится запас гелия в сосуде? Никогда. Так же четко видно - гелия сколько было, столько и осталось.

- Получается библейский эксперимент в стиле куста, который горит и не сгорает,- говорит Ландау.- Так и здесь: бульбочка, из которой бьет струя и которая при этом не пустеет, а остается столь же полной, какой была и вначале.

Это обстоятельство,- продолжал Ландау,- является одним из многочисленных примеров такой парадоксальности свойств жидкого гелия. Его свойства на первый взгляд кажутся совершенно нелепыми. Как в известном анекдоте о жирафе, про которого сказано, что "этого не может быть". Такое, примерно, ощущение вызывают свойства жидкого гелия. Получается ощущение, что вообще этого не может быть, что эти свойства гелия логически противоречивы. Само собой разумеется, что никаких логических противоречий здесь, как и в других областях физики, быть не может. Это показывает только, что причины этих свойств лежат в очень необычных вещах, очень чуждых нашему представлению. И действительно, в дальнейшем мне удалось построить теорию, которая объяснила некоторые существенные из свойств жидкого гелия.

Еще до того, как Ландау создал свою теорию, Капица в качестве рабочей гипотезы - а она всегда необходима в процессе исследования - предложил такое истолкование парадокса: все время, пока из капилляра бьет струя гелия, в бульбочку по тончайшей пристенной пленке того же капилляра "заползает" гелий извне. Благодаря сверхтекучести это заползание происходит очень быстро, поэтому гелий в бульбочке и не иссякает.

Этот же механизм Капица привлек и для объяснения огромной теплопроводности гелия II.

- Мы имеем основания предположить,- говорил Капица,- что гелий, в тонкой пленке двигающийся по поверхности, отличается по своему физическому состоянию от того, который течет в обратном направлении в центральной части капилляра. Он находится в несколько другом энергетическом состоянии. Говоря языком термодинамики, у него другая тепловая функция, чем у свободного гелия. Этого предположения, по-видимому, вполне достаточно, чтобы объяснить большую теплопередачу гелия, которая наблюдалась в капилляре. Наблюдаемая при опыте картина такова: когда гелий по внутренней поверхности капилляра втекает в бульбочку и, покидая поверхность, переходит в свободное состояние, он поглощает тепло. Этот процесс и создает впечатление колоссальной теплопроводности.

Истинный процесс оказался еще более неожиданным, чем предполагал Капица. Ничего подобного в физике прежде известно не было. И исключено, что подобное кому-нибудь удалось бы просто предугадать.

Вооружившись всем накопленным экспериментаторами материалом, Ландау взялся за теоретическое раскрытие феномена гелия П.