Вот тогда появятся тысячи установок жидкого водорода. Около водоемов, озер, рек, морей поднимутся башни ректификационных колонн, а само слово «дейтерий» станет таким же привычным, как дрова, уголь, нефть… И никто не удивится, что рядом мирно уживаются температуры космоса и звездные температуры. Никого не будет удивлять такое странное соседство — установка, где рождается дейтерий, и термоядерный котел, куда его посылают «работать». Минус 252 градуса и плюс сто миллионов — температуры космоса и Солнца рядом, ближайшие соседи. Ведь не удивляемся мы сейчас тому, что такими же соседями являются само Солнце и пространство, окружающее его.
Чудеса жидкого гелия
Ну вот, мы почти у цели. Появился жидкий гелий. От абсолютного нуля нас отделяют каких-то четыре с небольшим градуса. Чтобы преодолеть их, науке пришлось потратить столько же времени и сил, как и на весь предыдущий путь.
Последний газ стал жидкостью. А все остальные жидкости затвердели. Сначала сдались азот, кислород, аргон, неон. Вот уже замерз и водород.
Страшный это мир, где нет ни одного газа, где все мертво. Говорят: «ледяные просторы Антарктики». Вот где они — ледяные просторы. Только льды эти из кислорода, азота, водорода, воздуха. Наверное, нечто подобное найдут космические путешественники будущего на далеких планетах.
Жидкий гелий отделяют от жидкого водорода всего лишь 16 градусов. Небольшое пространство! Но как раз здесь и сосредоточены все чудеса мира сверххолода. На ближайших подступах к абсолютному нулю происходят самые чудесные превращения веществ, самые необычайные истории.
Ученым понадобилось немало времени, чтобы обнаружить эти чудеса. Но еще больше сил они потратили, пока их объяснили.
Сжижается гелий теми же способами, что и другие газы. Наверное, не стоит лишний раз упоминать их.
Гелий охлаждают жидким воздухом, азотом и водородом. Для сжижения обычно берут его не из воздуха. В природном горючем газе гелия больше, и добывать его оттуда легко.
«Чудеса» мира сверхнизких температур начинаются с самого гелия. У этой жидкости столько неожиданного, она так отличается от других жидкостей, что ученые посвятили гелию сотни, тысячи различных научных работ. Кто-то подсчитал, что по количеству этих исследований гелий даже обогнал воду, а, казалось бы, о воде написано очень много.
Сначала гелий не производит впечатления необыкновенной жидкости. Что особенного? Нелегко получить, быстро вскипает. Как будто бы и все. Но стоит лишь немного охладить эту прозрачную жидкость, как начинаются форменные чудеса. Когда до абсолютного нуля остается лишь два градуса, гелий вдруг переходит в особое состояние. Он и тот и не тот. Ученые дали этой разновидности название — гелий-2 (читается «гелий два») в отличие от обычного гелий-1.
Что такое трение, без сомнения, знают все. Колеса автомобиля трутся о шоссе, наши ботинки — о тротуар. Из-за трения трудно ходить по песку. Когда одно тело движется по поверхности другого, появляется трение. По гладкой дороге автомобилю легче ехать, чем по плохой, проселочной. На проселке трение больше. С другой стороны, трение и помогает нам двигаться. На скользком льду трудновато ходить. Трение там мало, ноги скользят, можно упасть. Многие писатели описывали выдуманный «мир без трения». Там просто жить невозможно. Не только ходить нельзя. Ничего нельзя делать. Люди сидят голые. Ведь наше платье держится потому, что сшито нитками. А нитки не выскакивают благодаря трению.
Столы и стулья, здания и машины лишь из-за трения не разваливаются. А то разлетелись бы на все свои составные части.
В жидкостях тоже есть трение. Когда течет вода, то одни ее слои перемещаются вдоль других. И при этом трутся друг о друга. Поэтому в середине реки течение быстрее, чем у берегов. Каждый следующий слой, считая от середины, движется немного медленнее.
Трение существует внутри всякой жидкости — всякой, кроме гелия-2. Для него трение отсутствует. Удивленные ученые назвали это явление, открытое в 1938 году П. Л. Капицей, сверхтекучестью. Эта жидкость может проникать в тончайшие трубочки — капилляры. И течет быстро, как будто ничто ей не препятствует. Да и в самом деле гелию-2 ничто не мешает.
Еще интереснее «ползучесть» жидкого гелия.
Ученые соорудили небольшой приборчик. Он называется «бочонок Капицы». Это действительно маленький бочонок. Наливают в него жидкий гелий-2. И жидкость храбро начинает взбираться наверх. Ползет, как будто и сила тяжести на нее не действует и законы физики не для нее писаны.
Пленка жидкого гелия может пропутешествовать таким образом очень далеко. Но это еще не все. Гелий — просто фантастическая жидкость. Когда из самовара или водопровода течет вода, мы ничего особенного не замечаем. А если гелий вытекает по очень узкой трубке из большого сосуда, то в трубке он охладится. Зато гелий, оставшийся в сосуде, почему-то нагревается.
Обычные жидкости плохо передают тепло. Зато гелий в этом отношении может поспорить с любым металлом. Невозможно добиться того, чтобы в одном углу сосуда с жидким гелием была одна температура, а в другом — другая. Тепло мгновенно уравновесится. Очевидно, жидкий гелий любит единство в своих рядах и тщательно следит за этим.
В каждом веществе — в воздухе, воде, дереве — звук распространяется по-разному. В воздухе звуковые волны проходят 330 метров в секунду. Если от вспышки молнии до удара грома прошло, скажем, три секунды, то каждый может подсчитать, где была молния. 330 метров в секунду — километр в три секунды. А у нас звук путешествовал ровно три секунды. Значит, молния сверкнула где-то на расстоянии одного километра от нас.
В воде звук распространяется быстрее почти в четыре раза. В твердых телах ему надо еще меньше времени.
Получили ученые жидкий гелий и стали его всячески обследовать. Дошла очередь и до звука. Тут-то и ждал ученых очередной сюрприз. Опять-таки гелий продемонстрировал свои чудесные свойства.
У него оказалось две скорости звука.
Обычная — она называется первым звуком.
И второй звук, это как раз и будет скорость, с которой в гелии распространяется тепло.
Думаете, чудеса на этом кончаются? Не тут-то было! Вот, пожалуйста, еще одно из чудес.
Фонтан в криостате
Все опыты с жидкими газами сверхнизкой температуры производят в особых установках — криостатах.
Криостат — сосуд, в котором физики поддерживают нужную температуру. Зорко следят, чтобы тепло не попало туда со стороны. А если появится внутри сосуда лишняя тепловая энергия, тотчас же отводят ее, изгоняют!
В общем, задача криостата ясна — температура должна быть строго постоянной. Чтобы достичь этой цели, ученые пускаются на всякие хитрости.
Очень тяжело работать вблизи абсолютного нуля. Тут, как нигде, требуются очень умные руки. Даже для конструирования криостатов существует целая наука. А ведь по сути дела — это даже не аппаратура, а просто подготовка рабочего места. Но рабочее место особенное. Слишком уж низка его температура, слишком трудно ее достичь и сберечь.
В одном из таких криостатов можно увидеть, как работает необычайный фонтан. Участник этого трюка, конечно, гелий. Фонтан интересен еще и тем, что возникает он совершенно неожиданно.
В дьюаре покоится жидкий гелий. Внутри жидкости V-образная трубка. Такие трубки часто используются в лабораториях: различные газовые термометры, измерители давления — манометры — все это трубки, колена которых заполнены ртутью или другими жидкостями. Там, где трубка выступает из гелия, на нее надевают пористую пробку, через которую жидкость просачиваться может. Второе, короткое колено трубки погружено в жидкий гелий.
Художник нарисовал нам эту картину. Вот она, трубка, внутри нее — пористая пробка, а тонкое жало тянется вверх из жидкости.
У верхнего края, там, где начинается жалообразное сопло, пробку немного нагревают. Нагревание, конечно, небольшое, чтобы гелий не закипел. И вот неожиданно из сопла вырывается форменный фонтан — струя жидкого гелия. На несколько сантиметров вверх брызжет этот необычайный фонтан.
Почему он появляется?
Тоже загадка!
И таков весь жидкий гелий. Что бы с ним ни случилось, все чудеса, все фантастика.
Только не подумайте, пожалуйста, что ученые, изучающие жидкий гелий, только и делают, что ахают и разводят руками, когда вдруг встречаются с такими фантастическими явлениями.
Они научились объяснять эти чудеса. Так что для тех, кто часто сталкивается с самой холодной на земле жидкостью, она уже стала обычной. Точно так же, как и сама температура в четыре градуса Кельвина, как само близкое соседство с абсолютным нулем.
Ученые не остановились на температурах сжиженного гелия. Они пошли еще дальше. Сейчас до абсолютного нуля остались сотые доли градуса. Но твердый гелий при обычных условиях не образуется. Только при давлении в несколько атмосфер удалось заставить упрямое вещество затвердеть. Можно считать, что на земле нет ни одного вещества, которое вблизи абсолютного нуля остается газом или жидкостью.
Любое вещество ученые могут получить и в жидком, и в газообразном, и в твердом видах. А так же и в плазменном.
Пятьдесят лет поисков
Пятьдесят лет назад, когда ученые уже подобрались к абсолютному нулю, они натолкнулись на одно загадочное явление. Вы видите, какой это необычайный мир — Мир Сверххолода. Кругом подстерегает путешественника Необычайное, Невероятное!
В отличие от чудес жидкого гелия, это явление уже нашло практическое применение. Но ученые сначала научились им пользоваться, а потом уже объяснили.
Существуют два раздела физики, необычайно тесно связанные друг с другом. Это — электричество и магнетизм. И связь явлений электрических магнитных особенно поразительна как раз вблизи абсолютного нуля.
Уже более ста лет пользуются люди чудесной электрической энергией. Вот тут уж действительно перед нами самый мощный, самый мудрый, самый нужный помощник человека. Без электрической энергии мы бы ничего не смогли делать. В любых делах человека — дома, на работе, на отдыхе — помогает электричество. Даже на космических ракетах, на спутниках Земли стоят маленькие электрические батареи и аккумуляторы, которые питают межпланетные корабли и искусственные спутники электрической энергией.