Самое удивительное...

Трудно исчерпать все неожиданности, которыми гелий одаривает физиков. Но, пожалуй, все-таки, самое удивительное - как гелий связан с теплом.

- Я напомню,- рассказывал Ландау,- очень старую историю о некой теории, которая в свое время фигурировала в физике. В физике некогда фигурировала такая, разумеется, никогда не существовавшая жидкость, как теплород. Считалось, что наряду с обыкновенной жидкостью, существовала еще тепловая жидкость, что если тело является теплым, то это значит, что в нем больше теплорода. Если меньше теплорода, значит, оно соответственно становится более холодным, то есть теплород - жидкость, специально придуманная для объяснения этих явлений.

Эксперименты доказали,- продолжал Ландау,- что никакой тепловой жидкости не существует, а тепло - это есть движение частиц жидкости. Оказывается, что в гелии сохранилось кое-что от теплорода, конечно, в очень своеобразном смысле.

...Любопытно, как на каком-то этапе развития науки давние заблуждения или ложные идеи трансформируются в истины и законы физического мира. Такие метаморфозы бывали не раз.

Что это? Случайные совпадения? Или неясные, диковинным образом преображенные предчувствия? Кто знает...

Философский камень, с помощью которого пытались превратить в золото металлы и другие вещества,- основа лженауки алхимии. Но в конце прошлого века открыли радиоактивный распад элементов. А в тридцатых годах нынешнего научились, бомбардируя атомные ядра, вызывать искусственную радиоактивность. Ныне превращение элементов - научный быт.

Настала очередь теплорода. И исторически он вышел на арену позже остальных заблуждений - лишь в конце XVIII века, и "трансформация" его произошла тоже совсем недавно - в созданной Ландау теории квантовой жидкости.

Теплород - это мифическая невесомая жидкость, нечто, существующее отдельно от данного тела или данной жидкости, некая субстанция, которую можно привнести в реальную жидкость или от нее отнять. И тем самым в первом случае сделать реальную жидкость более горячей, а во втором - более холодной, чем она была сначала.

Этот образ и натолкнул Ландау на мысль при объяснении странной связи тепла с гелием II привести аналогию с теплородом. Разумеется, сделал он это лишь в своем популярном рассказе, а не в научной статье. Как, впрочем, и все примеры - с философским камнем, вечным двигателем, флогистоном и другие - приводятся тоже только в изложении историческом или научно-популярном.

Но апология эта красивая. Ведь сам гелий II есть некое двуединство разных - по всем своим характеристикам - жидкостей: нормальной и сверхтекучей. Мы уже знаем, как резко они разошлись в своих "взаимоотношениях" с вязкостью. Теперь предстоит увидеть, что также повели они себя и в отношениях с теплом.

Кому же или чему достанется роль теплорода? Эту роль сыграет газ квазичастиц, фононов и ротонов.

Ведь именно они, квазичастицы, связаны с энергией, с теплотой. И внешне, если не вдумываться в физическую сущность явления, то подобно теплороду с температурой впрямую связано количество квазичастиц, то есть нормальная масса гелия. В отличие от сверхтекучей, которая с теплом не имеет никакого дела.

Что такое один градус для обычной жидкости? Ровным счетом ничего (если, конечно, это не температура какого-либо превращения). Одним градусом больше, одним меньше - разница почти неуловима.

А здесь не то что градус - их всего-то отпущено гелию II чуть больше двух,- каждая десятая, сотая, тысячная градуса меняет саму жидкость. Она в чем-то становится похожа на ту реку, в которую, как говорили древние, нельзя войти дважды. С каждой долей градуса меняется количество квазичастиц, а значит, меняется соотношение между нормальной и сверхтекучей компонентами. Таким образом, жидкость не только становится чуть теплее или чуть холоднее, чем была только что, а и оказывается вообще уже иной.

При абсолютном нуле квазичастиц нет вовсе, "теплород" отсутствует, вся жидкость сверхтекуча. С повышением температуры растет количество квазичастиц, сверхтекучая масса постепенно уступает свое место нормальной. В точке перехода гелия II в гелий I сверхтекучая компонента уходит с арены совсем. Вся жидкость превращается в нормальную, причем уже в подлинно нормальную, во всем, по всем параметрам.

Отойдем от обеих границ, от нуля и от λ-точки, зафиксируем какую-нибудь - любую - температуру внутри этого интервала и еще раз бросим взгляд на события, происходящие в гелии II. Так как сверхтекучее движение вообще не сопровождается каким бы то ни было переносом теплоты, а все тепло переносит нормальная компонента, то повторим слова одного физика: "В известном смысле можно сказать, что это и есть само тепло, которое, таким образом, становится в жидком гелии самостоятельным, отрываясь от общей массы жидкости и как бы приобретая способность перемещаться относительно некоторого "фона", находящегося при абсолютном нуле температуры. Стоит вдуматься в эту картину, чтобы понять, сколь радикально она отличается от обычного представления о тепле как о хаотическом движении атомов вещества, неотделимом от всей его массы".

Увидеть такую картину, конечно, нельзя. А вот вдуматься в нее, поразмыслить над ней можно. И тогда поймешь, что она не только удивительна, но и красива. Не говоря уже о том, что именно эта картина послужит ключом к поведению гелия. Объяснит парадоксы, раскроет секреты. Точнее, она, как следствие двухкомпонентной модели, объяснит все, что связано со странными "тепловыми эффектами" гелия II. А сама модель поможет понять и все остальное, касающееся собственно движения гелия - и в гелии,- в частности, удивительные сцены, вызванные сверхтекучестью.