Многие пробовали его охладить. Была уже пройдена «точка кислорода», и «точка азота», и «точка водорода», а гелий не собирался сжижаться. Он упорно оставался газом.
Только в 1908 году голландскому физику Г. Каммерлинг-Оннесу, основателю и директору криогенной (изучающей процессы, связанные с низкими температурами. — И. Р.) лаборатории Лейденского университета, удалось сделать, казалось, невероятное: он заставил гелий превратиться в жидкость. И случилось это при температуре –269 °C! Такой низкой температуры человек не получал ещё никогда. До этого Каммерлинг-Оннес создал установку нового типа для сжижения воздуха. Именно он в 1906 году получил жидкий водород, а после сжижения гелия измерил основные характеристики этой жидкости.
При температуре, когда гелий превращается в жидкость, все другие газы становились твёрдыми, как кусок льда. А гелий напоминал прозрачную газированную воду. В нём всё время рождались и всплывали пузырьки. И эта безобидная на вид жидкость была в шестьдесят раз холоднее ледяной воды!
Кристаллизоваться же гелий не хотел даже вблизи абсолютного нуля — при –273 °C, самой низкой температуре, которая только возможна в природе. Этим он бросал вызов всей классической физике, провозглашавшей, что всякое движение при абсолютном нуле прекращается. Всё должно замерзнуть! А поскольку гелий оставался жидким, значит, его атомы все-таки двигались, они не подчинялись закону вечного покоя.
Учёные ещё не перестали удивляться странному поведению благородного газа, как новая сенсация завладела их вниманием. В 1911 году Каммерлинг-Оннес решил полюбопытствовать, что будет с ртутью, если её охладить до температуры, свойственной жидкому гелию. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что в ванне с жидким гелием электрическое сопротивление ртути исчезло! Легко представить себе, как подозрительно он поглядывал на прибор, регистрирующий эту величину; как, проверяя его работу, удостоверился, что прибор цел и невредим и все-таки продолжал указывать на исчезновение сопротивления ртути электрическому току. А потом оказалось, что ещё несколько чистых металлов повели себя в области низких температур таким же неподобающим образом, нарушив покой учёных. Самое большее, что учёные тогда смогли сделать, — это дать явлению название «сверхпроводимость». Многие годы оно бросало вызов теоретикам.
В 1913 году Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сильные магнитные поля и сильные электрические токи, проникая в сверхпроводник, разрушают сверхпроводимость. В этом же году он был награждён Нобелевской премией за выдающийся вклад в физику низких температур.
Несмотря на то что в 1920 году голландец Виллем Хендрик Кеезом, ставший в это время директором Лейденской криогенной лаборатории, справился с гелием и заставил его затвердеть, призвав на помощь морозу высокое давление, зерно сомнения было посеяно. Гелий стал одним из свидетелей против классической физики. Физика не могла с помощью известных законов объяснить его поведение. Вскоре Кеезом совместно с польским учёным Мечиславом Вольфке обнаружил, что при температуре –271 °C по шкале Цельсия, или при температуре, равной 2,17К — по шкале Кельвина, жидкий гелий резко меняет свои свойства. Различие в поведении словно указывало на то, что существуют две различные жидкости. При температуре большей чем 2,17К, жидкий гелий I, а при температуре меньшей 2,17К — жидкий гелий II.
Мы должны прервать рассказ и более подробно пояснить, что означает в предыдущих фразах температура 2,17К.
В 1848 году знаменитый английский физик Уильям Томсон, изучавший тепловые явления, установил, что многие формулы, описывающие зависимость свойств вещества от температуры, можно упростить. Для этого при измерениях температуры следует отказаться от условных шкал температуры, введённых Цельсием, Реомюром или Фаренгейтом, и ввести абсолютную шкалу температур, нуль которой соответствует температуре –273,15 шкалы Цельсия, а «шаги» в один градус совпадают со шкалой Цельсия. В честь У. Томсона, получившего в 1892 году титул лорда Кельвина, температуру, отсчитанную по абсолютной шкале, теперь обозначают буквой «К». Таким образом запись 2,17К означает 2,17° по абсолютной шкале температур, или 2,17° выше абсолютного нуля температуры. Если в дальнейшем после каких-либо цифр будет стоять буква «К», это будет означать температуру по шкале Кельвина. Уильям Томсон доказал, что не может существовать температуры ниже абсолютного нуля.
В 1933 году Кеезом, работая вместе со своей дочерью, обнаружил необычайно высокую теплопередачу через тоненькие трубочки, заполненные жидким гелием. Эта аномалия возникала каждый раз, когда температура жидкого гелия опускалась ниже 2,17К, причём она проявлялась спонтанно, скачком.
Вот к каким странным, не предусмотренным тогдашней наукой событиям привёл след гелия в солнечном спектре.
Непонятные метаморфозы олова, неблагородное поведение одного из благородных газов и тайна сверхпроводящих металлов взбудоражили научную общественность. Что это: случайные, разрозненные явления, ничем между собой не связанные? Или это внешние проявления одной непонятной ещё причины? Всё это противоречило основным, казалось бы незыблемым, принципам науки.
Учёные оказались в куда более затруднительном положении, чем малыши перед кубиками, никак не складывающимися в картинку. Им предстояло поставить на свои места отдельные, разрозненные явления, но, увы, картинки-образца у них не было.
Между тем опыты с гелием всё больше проявляли тёмные стороны его характера. Выяснилось, что в опытах Кеезома и его дочери, в условиях неслыханного холода, именно жидкий гелий, а не охлаждённые стенки трубочек, начинал в миллиард раз быстрее проводить тепло. Казалось, тепло в нём распространяется без всякого сопротивления (не промелькнула ли сейчас тень металлов, без всякого сопротивления проводящих электрический ток?).
Гелий становился в миллион раз более подвижным и менеё вязким. Капнув жидкий гелий на гладкую охлаждённую поверхность, исследователи в изумлении наблюдали, как быстро растекается он в тончайшую плёночку. Как будто не испытывает никакого сопротивления со стороны поверхности!
Если проделать такой же опыт с любой другой жидкостью, ничего подобного не увидишь. Капля как бы застынет, чуть сплющившись.
И даже это было ещё не самым удивительным.
Что, если бы вы увидели человека, бегущего вверх по отвесной стене? Это невозможно? Закон тяготения этого не допускает! Приблизительно то же подумали учёные, когда увидели, как жидкий гелий с необычайной быстротой ползёт вверх по стенкам сосуда. Это невозможно, ужаснулись многие из них, а трение, а вязкость?!
И ещё более изумились, услышав мнение советского учёного Петра Леонидовича Капицы: у жидкого гелия вблизи абсолютного нуля вовсе нет вязкости. Это сверхтекучая жидкость.
Так впервые в 1938 году мир услышал удивительное слово «сверхтекучесть». Через год Капица был избран членом Академии наук СССР.
Вывод Капицы был результатом долгих и кропотливых экспериментов, итогом многих раздумий. Почему так молниеносно распространяется тепло внутри жидкого гелия? Ведь остальные жидкости ведут себя иначе. Их слои перемешиваются, и менее тёплые нагреваются от более тёплых, а это требует времени. Но в жидком гелии тепло переносится молниеносно. Как же так, ведь слои всегда трутся друг о друга, а это должно мешать быстрому перемешиванию. А если вязкость не препятствует? Значит, её нет!
И Капица подтверждает свою догадку блестящим экспериментом. Он пропускает жидкий гелий сквозь мельчайшие щели и трубки — капилляры, через которые обычная вязкая жидкость если и проходит, то ей нужно затратить на это многие миллиарды лет. А гелий, охлаждённый до 2° выше абсолютного нуля, просочился буквально на глазах, получив «диплом» первой в истории науки сверхтекучей жидкости.
Жидкость без вязкости! Это было одним из поразительных открытий нашего века. Как такая жидкость отнеслась бы к инородному телу, погружённому в неё? Оказала бы ему сопротивление или нет?
И экспериментатор спешит поставить такой опыт: он опускает в жидкий гелий подвешенный на тончайшей нити вращающийся маятник (паучок Капицы). Жидкость без трения, без вязкости не должна остановить его. Но что это? Совершается непонятное: маятник быстро прекращает движение, останавливается… Жидкий гелий повёл себя в этом опыте как самая обычная, тривиальная жидкость.
Есть от чего прийти в смятение! В одном случае (с капилляром) жидкий гелий не имеет вязкости, в другом (с маятником) — имеет. Всё происходит так, как будто одновременно в нём заключены… две жидкости.
Так оно и оказалось. Вот как описал ни на что не похожее поведение жидкого гелия замечательный советский физик, будущий академик Лев Давидович Ландау: «…часть жидкости будет вести себя как нормальная вязкая жидкость, «цепляющаяся» при движении… Остальная же часть массы будет вести себя как не обладающая вязкостью сверхтекучая жидкость».
Так гелий доказал, что знакомая нам при нормальных температурах жизнь веществ в области предельного холода подчиняется совсем иным законам. Здесь отношения между атомами и молекулами диктуются законами микроскопического мира, неподвластными классической физике. Это поняли два замечательных советских физика и не только поняли, но и доказали: Капица — рядом убедительных экспериментов, Ландау — серией виртуозных логических и математических построений, которые он оформил в 1940 году в виде теории сверхтекучести. Они подарили миру прозрение тайны низких температур…
С этого времени положение в науке о низких температурах резко меняется. Учёные узнали главное: законы, правящие в царстве холода. Теперь оставалось выяснить нормы поведения, которые законы микромира — квантовые законы — диктуют различным веществам.
В конце тридцатых годов «столица холода» перемещается из Голландии в Советский Союз. Вокруг Капицы и Ландау сплачивается группа молодых учёных, работы которых в новой области физики становятся ведущими. И если раньше исследователи двигались только по серому следу оловянной чумы и следу гелия, то теперь изыскания ведутся сразу во многих направлениях. Фронт исследований простирается от Москвы до Ленинграда, от Харькова до Тбилиси и Свердловска.