Теоретик и экспериментаторы

Построив свою теорию, создав некий диалект языка квантовой механики, диалект, описывающий явление, прежде физикам неизвестное - квантовую жидкость, Ландау мог теперь именно на этом языке рассказать о том, что в действительности происходит с гелием II, как все странности его оборачиваются вполне закономерным, обязательным, даже единственно возможным поведением.

Ключом к объяснению чудес экспериментов пусть станут слова Ландау из его лекции, резюмирующие суть открытия и в то же время весьма эмоционально эту суть оценивающие:

- Теория показывает, что оба движения гелия II должны обладать существенно различными свойствами. Нормальное движение, связанное с теплом, является нормальным во всех смыслах. Именно оно обладает всеми свойствами всякого нормального движения, в частности, оно связано с вязкостью. Наоборот, сверхтекучее движение не связано ни с какой вязкостью.

На первый взгляд такая концепция имеет характер почти абсурда,- говорил Ландау.- Может показаться, что это довольно бессмысленное рассуждение, которое если и объясняет что-нибудь, то чисто словесным образом, без всякого реального результата. Однако это не так. Те два движения, о которых я вам сказал и существование которых производит такое дикое впечатление, могут быть непосредственно наблюдены на экспериментах.

Ландау переходит к объяснению экспериментов.

Почему, когда Капица измерял вязкость гелия II по протеканию его через узкие щели, он получал почти нулевые значения - сверхтекучесть!- а когда вязкость определялась по трению, которое испытывал вращающийся в гелии цилиндр, то получались вполне измеримые величины? Ведь для всех жидкостей оба результата всегда совпадают, одинаковы.

Такое происходит потому, отвечает Ландау, что при обоих способах фактически измеряется вязкость разных компонент гелия II. У Капицы через щели протекала сверхтекучая часть гелия, а нормальная компонента, обладающая вязкостью, через весьма узкую щель могла проходить, просачиваться в высшей степени медленно, еле-еле. Вот почему Капица в своих опытах открыл сверхтекучесть - у сверхтекучей компоненты вязкость действительно отсутствует.

Иное дело измерения с цилиндром. Вращаясь в гелии, цилиндр испытывает трение о нормальную часть жидкости, и это трение останавливает вращение цилиндра. Таким способом измеряется вязкость нормальной компоненты гелия II.

Та особенность, что через узкие щели проходит по существу только лишь сверхтекучая компонента, а нормальная это препятствие фактически преодолеть не может, позволила Ландау раскрыть секрет еще одного загадочного явления, наблюдавшегося Капицей.

- Именно этим объясняется знаменитый термомеханический эффект,- сказал Ландау,- то, что гелий охлаждается в том сосуде, куда втекает через тонкую щель, а нагревается в том сосуде, откуда вытекает. При сверхтекучем движении гелий вытекает без всякого тепла. Поэтому в том сосуде, куда он втекает, остается одно и то же количество тепла, а гелия становится больше. Следовательно, гелий в этом сосуде будет охлажденным. Наоборот, в том сосуде, откуда гелий вытекал, гелия становилось меньше, а тепла оставалось столько же. Естественно, что гелий в этом сосуде становился более нагретым.

И еще одна серия парадоксов, обнаруженных в опытах Капицы, ждала своего истолкования.

Почему при нагревании гелия в бульбочке из капилляра бьет струя жидкости, которая отклоняет крылышко? И почему при этом бульбочка не пустеет, как бы долго струя ни била?

- Возьмем этот удивительный эксперимент Капицы с бьющей струей жидкого гелия. С точки зрения теории сверхтекучести ясно, в чем тут дело,- рассказывал Ландау.- Нагревание жидкого гелия происходит не обычным образом. Обычным образом тепло переходит от молекулы к молекуле, без всего движения в целом. В жидком гелии под влиянием нагревания возникают одновременно два движения.

Нам теперь известно, о каких двух движениях говорит Ландау. Одно - нормальное, другое - сверхтекучее. И мы можем понять происходивший процесс. При нагревании гелия в сосуде - погруженном, как и подвесная система с крылышком, тоже в жидкий гелий,- из капилляра бьет струя, которая отклоняет крылышко. Это - струя нормальной компоненты, которая несет с собой тепло, и как всякая нормальная, обладающая вязкостью жидкость, при своем движении давит на крылышко, стоящее на ее пути. Все то время, пока бьет струя, через тот же капилляр из окружающего гелия навстречу струе и как бы "сквозь" нее в сосуд втекает поток сверхтекучей компоненты. Сверхтекучая масса гелия никакого воздействия на крылышко не оказывает, она просто индифферентно обтекает его. Вот почему опыт обнаруживает лишь струю нормальной компоненты. Но, с другой стороны, обе эти компоненты равны, как мы знаем, по массе. Именно в этом секрет удивительного явления - струя бьет, а бульбочка не пустеет. В каждый миг сколько количества жидкости уходит, столько и приходит; нормальный и сверхтекучий потоки полностью компенсируют друг друга по массе переносимого вещества. Точнее будет сказать, что вообще никакого суммарного движения жидкости как целого не происходит, так же как не меняется и реальное количество гелия в сосуде.

- Этим же обстоятельством,- говорит Ландау,- объясняется и грандиозная теплопроводность гелия - способность к передаче громадного количества тепла. В обыкновенной жидкости, где тепло передается молекулярным движением от молекулы к молекуле, оно передается медленно. В гелии возникают два противоположно направленных встречных потока. От нагретого конца к холодному идет поток нормальной жидкости, переносящей тепло; переносимого таким способом тепла с избытком хватает для объяснения экспериментально наблюдающихся больших величин теплопередачи. В обратном направлении идет поток сверхтекучей жидкости: оба потока по количеству переносимой ими массы в точности компенсируют друг друга, так что никакого реального макроскопического течения в гелии в действительности не возникает.

В добавление к тому, что сказал Ландау, стоит отметить, даже подчеркнуть, что так было открыто и объяснено совершенно новое явление в, казалось бы, досконально изученной макрофизике - новый вид теплопередачи. Это была не обычная теплопроводность. И не передача тепла путем конвекции. Хотя от каждой вроде бы что-то присутствовало. Подобно классической теплопроводности, новый вид передачи тепла не сопровождался движением массы жидкости как целого. С другой стороны, нечто аналогичное конвекции происходило с нормальной компонентой.

В результате всего и возникла та огромная величина, которая в свое время заставила Кеезома назвать этот процесс "сверхтеплопроводностью", а Капицу - заподозрить присутствие некой тайны, на которую следует обратить внимание.

Таким образом получилась необыкновенно красивая картина явления, картина, в которую гармонично вписались все детали. А физики, надо сказать, весьма чувствительны к эстетической стороне открытия, к форме, в которую автору удается его облечь. Говорят даже, что форма может служить добавочным критерием правильности теории. Так или иначе, красота работы ценится особенно.

Но осматривая нарисованную выше картину, вникая в нее - а такое удовольствие нам теперь доступно,- следует по-прежнему не забывать, что реальные физические процессы, которые протекают в гелии, гораздо необычнее, что они не поддаются ни зрительному представлению, ни чисто словесному описанию. Потому что нет никакого реального разделения квантовой жидкости гелий II на две компоненты. Единый, он так себя ведет, оборачиваетсй для нас таким двуликим. Кстати, истинная - непредставимая - картина как чисто теоретическое творение еще более красива и гармонична.

Помимо словесного, качественного объяснения феномена гелия II, теория Ландау позволяла получить и количественные характеристики - это непременная обязанность теории.

Вспомним, что для построения кривой энергетического спектра Ландау привлек и некоторые экспериментальные данные. Теперь на основе своего спектра, его формы, его особенностей Ландау вычислил термодинамические величины гелия II и получил отличное совпадение с измеренными их значениями.

Но не только тепловые характеристики жидкого гелия определил Ландау. Крайне важным для самой теории было количественное соотношение между сверхтекучей и нормальной массами. Тот факт, что при абсолютном нуле весь гелий сверхтекучий, а в точке перехода, при 2,19К, он целиком становится нормальным, сам по себе еще не раскрывал динамики процесса. Требовалось установить, как относительные количества сверхтекучей и нормальной масс меняются с изменением температуры в интервале существования гелия II.

Ландау такой расчет произвел и получил кривую зависимости от температуры уже известного нам отношения ρ_n/ρ. Однако экспериментально этот ход зависимости еще никем не подтверждался, подобные измерения никто не проводил.

Правда, у Ландау была идея одного опыта, которую он с охотой обсуждал. Среди собеседников оказался и молодой физик из Тбилиси Элевтер Андроникашвили. Впоследствии Андроникашвили вспоминал:

- Этот-то опыт и запал мне в душу, и мысли о нем не давали мне покоя на протяжении нескольких лет.- Дело было незадолго до начала войны.

В 1945 году Элевтер Луарсабович Андроникашвили стал докторантом Института физических проблем. Больше всего его увлекла та давняя задача - экспериментально определить соотношение нормальной и сверхтекучей компонент при разных температурах гелия II.

Но как определить? Решение - притом не только методическое, но и принципиальное - пришло далеко не сразу. Отправной точкой поисков стала известная нам ситуация, которая возникает в гелии при вращении,

- Представьте себе,- говорил потом Ландау,- что цилиндрический сосуд с гелием начинает вращаться, причем он начинает вращаться очень медленно, настолько медленно, что жидкость должна увлекаться при своем движении стенками сосуда. Так как жидкий гелий способен к двум движениям и его масса состоит из двух масс, то увлекаться будет только одна из них, именно нормальная масса гелия. Сверхтекучее движение, не будучи связано ни с какой вязкостью, не будет ни в каком взаимодействии со стенками сосуда и увлекаться не будет. При вращении гелия будет вращаться часть гелия, между тем как при вращении любой другой жидкости будет вращаться вся жидкость.

Примерно таким образом Ландау сформулировал принцип придуманных им опытов, которые и должен был проделать Андроникашвили. Но как определить, сколько гелия стоит неподвижно, а сколько вращается вместе с вращающимся сосудом?

Долгие размышления, расчеты, пробы привели, наконец, Андроникашвили к созданию прибора, с помощью которого ему удалось решить задачу.

Прежде всего он несколько изменил постановку опыта и соответственно прибора, заменив вращение сосуда крутильными колебаниями стопки параллельных металлических дисков:

"Мне пришло в голову построить прибор, состоящий из большого числа параллельных лепестков, который, будучи подвешен на тонкой упругой нити, должен был бы вместо вращения совершать малые колебания вокруг своей оси. Жидкость, обладающая вязкостью, будет вовлекаться лепестками в колебательное движение прибора, и чем больше ее масса, тем большим будет период колебаний. Жидкость, не обладающая трением, не будет увлекаться стопкой дисков (лепестков)".

Литературный дар в сочетании с темпераментом южанина позволяют нам чуть-чуть заглянуть в лабораторию, где трудится или, что часто бывает синонимом, мучается экспериментатор:

"Задуманный мною опыт был предельно трудным и, во всяком случае, выходил за рамки моих тогдашних экспериментальных возможностей. Он требовал мобилизации всех умственных и физических сил, вдохновения, терпения. Иногда нельзя было перевести дыхание в течение минуты, а иногда нельзя было отвести взгляд в течение получаса. Иногда нельзя было пошевелиться. С утра до вечера нельзя было сделать ни одного неосторожного или неправильного движения.

Каждый раз, когда приходилось переживать один из напряженнейших моментов жизни, во время сборки стопки дисков, в комнату врывался кто-нибудь и отвлекал мое внимание. Я делал неуверенное движение, и многочасовая работа шла насмарку. И не мудрено, так как держать в руках этот воздушный прибор, а тем более отдельные его части, было практически невозможно".

Секрет заключался в том, что сто тончайших, в одну тысячную сантиметра, дисков из алюминиевой фольги надо было укрепить на оси с величайшей точностью: все они должны быть абсолютно параллельными, а расстояние между каждой парой одинаково и точно равно двум сотым сантиметра.

"Настало время собирать лепестки из фольги в стопку,- вспоминает Андроникашвили.- Собрав стопку, заключаю ее в тончайшую алюминиевую оболочку... В этой эфемерной броне моему детищу были не страшны даже легкие прикосновения рук Ландау, которому было действительно разрешено его подержать несколько секунд, что он и сделал с весьма понимающим видом".

Первые же эксперименты показали, что путь был избран верный. При вращении стопки сверхтекучая компонента легко проходила между дисками, а квазичастицы вроде бы "прилипали" к ним, а потому участвовали во вращении стопки, увлекались ею. При этом они, естественно, увеличивали общую вращающуюся массу, а следовательно, увеличивали период колебаний, то есть замедляли вращение.

Когда температура снижалась, квазичастиц, то есть нормальной компоненты, становилось меньше, и колебания убыстрялись. Так Андроникашвили получил количественную зависимость соотношения нормальной и сверхтекучей компонент от температуры гелия II.

Эти опыты в отличие от опытов Капицы проводились уже после создания теории - для ее проверки. Естественно, что ход их и результаты весьма занимали Ландау, и он был частым гостем в лаборатории у Андроникашвили.

"Началась систематическая планомерная борьба за каждую точку,- вспоминал потом Андроникашвили,- заточность каждого измерения и каждого отсчета, учет самых незначительных влияний, казалось бы, ничего не значащих факторов.

Ландау загорелся еще большим нетерпением. Его привычка ежедневно бывать в лабораториях и вызнавать у экспериментаторов, что нового произошло в их научной жизни, в то время превратилась в потребность".

Вместе они продумывали - до деталей - новые опыты. Ландау объяснял возникавшие по ходу дела сложности, неожиданные и странные, как казалось экспериментаторам, результаты. Сотрудники любили эти посещения. В присутствии Ландау всегда было интересно и весело. Вперемежку с делом шел забавный "треп". Подшучивали и над Ландау, чаще всего острили на одну тему: что получится, если допустить его к приборам. Шутки Ландау охотно принимал. Но зато и у него был свой "джентльменский набор" - обычно он выдавал его в ответ на мысли и предложения, казавшиеся ему неверными,- патология, ахинея, чушь, галиматья... Темпераментно выкрикиваемые синонимы этим не исчерпывались, бывали и похлеще.

Тонкие эксперименты Андроникашвили привели к отличному совпадению измеренных величин с расчетными, а значит, и к полному подтверждению теории.

Андроникашвили рассказывал, что когда он написал статью и показал ее Ландау, тот заметил, что название не отражает в достаточной степени сущности обнаруженных фактов:

- В тексте вы пишете: "Удалось установить, что описанным способом возбуждается только нормальный вид движения, тогда как сверхтекучая часть гелия II остается неподвижной". Тогда так и озаглавьте вашу статью: "Непосредственное наблюдение двух видов движения в гелии II". Это же фундаментальный факт, что гелий II может одновременно и стоять и двигаться!- подчеркнул Ландау.

А потом, уже перед широкой аудиторией, Ландау сказал:

- Замечательные результаты были обнаружены Элевтером Андроникашвили. При экспериментах оказалось, что выше 2,19 К гелий при вращении увлекается весь, а ниже этой температуры гелий увлекается тем в меньшем количестве, чем ниже температура. Таким образом, Андроникашвили имел возможность непосредственно измерить, какая часть массы гелия является нормальной и какая часть массы гелия является сверхтекучей.

Сверхтекучее движение не есть теоретическая фикция,- продолжал Ландау,- это есть вообще реально наблюдающееся при эксперименте явление. Полученные количественные результаты тоже оказались в прекрасном согласии с теорией. Таким образом эксперимент Андроникашвили наглядно показал, что заложенная в теории жидкого гелия основа, несмотря на свою странность, отвечает реальной действительности.

В 1983 году, когда физики отмечают семидесятипятилетие со дня рождения Ландау, жидкий гелий тоже может праздновать два своих юбилея: семьдесят пять лет существования и сорок пять - открытия Капицей сверхтекучести. В сорокалетнюю годовщину своего открытия Петр Леонидович Капица получил, наконец, Нобелевскую премию "за его основополагающие открытия и изобретения в области физики низких температур".

Как мы видели, обнаружение сверхкучести и других загадочных свойств гелия II вызвало к жизни фундаментальную теорию Ландау, раскрывающую природу квантовой жидкости. Согласие этой теории и со всем комплексом опытов Капицы и с последующими экспериментами, проделанными его учениками, было впечатляюще полным. Успеху несомненно способствовала тесная и постоянная связь теоретика Ландау с экспериментаторами.

"Главная его сила была в ясном и строгом логическом мышлении, основанном на крайне широкой эрудиции,- говорил Капица.- Он любил изучать результаты эксперимента, облекать их в математическую форму, а затем выяснять их значение для теории. Он понимал, что в научном исследовании связь между теорией и экспериментом должна быть совершенно отчетливой. Экспериментаторы в свою очередь очень любили обсуждать с Ландау полученные ими результаты".

Вообще говоря, взаимодействие и сосуществование теоретической и экспериментальной физики в той или иной форме прослеживается во всех крупных открытиях. Но в то же время это вещь довольно тонкая. И, бывает, неоднозначно понимаемая.

Взаимоотношения теории и эксперимента, как правило, по-разному оцениваются представителями одного и другого методов познания природы. Что, вероятно, естественно.

- Каждый считает, что его работа самая важная,- неоднократно повторял Капица свой излюбленный афоризм.

А в развитие темы это звучало так: "Большинство ведущих английских ученых обычно отличается тем, что они главное значение придают эксперименту, рассматривая теорию как вспомогательное оружие. Более ста сорока лет тому назад еще Дэви сказал, что "один хороший эксперимент стоит больше изобретательности ньютоновского ума". Эта фраза часто повторяется и по сей день. Любили ее цитировать такие современные ученые, как Дж. Дж. Томсон, Резерфорд. Ее надо рассматривать, конечно, как гиперболу, как лозунг протеста против обожествления теории". Вот и Резерфорд однажды сказал о теоретиках: "Они играют в свои символы, а мы в Кавендише добываем неподдельные твердые факты природы".

Действительно, в Англии, в "островной школе" (к которой принадлежал и Капица) считали именно так в отличие от школ "континентальных", "материковых" - школ Бора, Паули и других. А что думал и говорил Ландау по поводу взаимоотношений, точнее, взаимодействия теоретиков и экспериментаторов мы уже знаем.

"Исследователь должен,- сказал Эйнштейн,- выведать у природы четко формулируемые общие принципы, отражающие определенные общие черты совокупности множества экспериментально установленных фактов".

В этом - роль и предназначение теоретика. Но великий физик много раз убеждался сам, как нелегок этот путь. Поэтому он и заметил с мудрой усмешкой:

"Вряд ли можно позавидовать теоретику - исследователю природы. Его труд судит неумолимый и не очень-то дружелюбный судья - опыт. Опыт никогда не скажет теории "да", но говорит в лучшем случае "может быть", большей же частью - просто "нет". Когда опыт согласуется с теорией, для нее это означает "может быть"; когда же он противоречит ей, объявляется приговор: "нет".

Физики, в том числе и Ландау, любят повторять слова Бора о том, что совпадение теории с опытом ничего не значит, потому что среди бесконечного множества (употребляется математический термин "континуум") дурацких теорий всегда найдутся и такие, которые совпадут с экспериментом.

Пусть так. Но что всегда бывало апробацией теории, самоутверждением ее - это предсказание новых явлений, таких, о которых ранее никто не подозревал; а потом, на указанном и освещенном теорией "месте", их действительно находили.

Именно это и имел в виду Ландау, когда в публичной лекции он сказал:

- Теория не только объяснила те явления, о которых я говорил,- и что всегда является не вполне достаточным критерием правильности теории,- но и предсказала ряд явлений, которые в дальнейшем были все обнаружены экспериментами.

Подлинным триумфом теории Ландау стало предсказание "второго звука".