< а Капице, продавливавшему гелий II через пористый фильтр, удалось достичь понижения температуры гелия на 0,3—0,4°; при температурах, составляющих всего 1—2°, это, очевидно, очень большая величина.
Не менее естественно объясняются явления, сопровождающие теплопередачу в гелии. В опыте Капицы при нагревании жидкости в сосуде тепло выходит из него в виде струи нормальной компоненты, которая и отклоняет стоящее перед отверстием крылышко. Но навстречу этой струе в сосуд втекает поток сверхтекучей компоненты, так что реальное количество жидкости в сосуде не меняется.
Остается объяснить, почему этот встречный поток не оказывает на крылышко никакого действия. Здесь надо обратиться к еще одному отличию между двумя видами движения в гелии, тоже предсказываемому теорией. Оказывается, что любое сверхтекучее движение всегда относится к тому типу течений, которые в гидродинамике носят название безвихревых (в противоположность «вихревым»). Не останавливаясь на объяснении точного смысла этих терминов, укажем лишь, что еще со времен Эйлера известно, что идеальная (т. е. не обладающая вязкостью) жидкость, совершающая безвихревое движение, не должна оказывать никакого воздействия на обтекаемое ею тело. Этот идеальный случай как раз и осуществляется при сверхтекучем движении жидкости. Таким образом, возникает чрезвычайно своеобразная ситуация: поскольку нормальный и сверхтекучий потоки в данном случае как раз компенсируют друг друга по количеству переносимого ими вещества, то можно сказать, что никакого суммарного движения жидкости как целого здесь не происходит в то же время на погруженное, в жидкость тело (крылышко) действует отличная от нуля сила.
В настоящее время физики — во всяком случае, те, которые работают в области низких температур, — в достаточной степени привыкли к изложенным представлениям и они уже не внушают особого удивления. В этой связи может быть поучительным вспомнить, насколько неожиданным оказалось в свое время данное Ландау объяснение опытов Капицы. Ведь самому Капице казалось — и это было вполне естественным в то время, — что поразительные результаты его экспериментов можно объяснить лишь одним способом — предположив, что «противоток» гелия, втекающего в сосуд навстречу вытекающей струе, осуществляется в тонком пристеночном слое жидкости, «заползающей» внутрь вдоль стенок сосуда.
К разряду вихревых движений относится, в частности, вращение жидкости как целого — такое, какое совершает, например, вода, увлекаемая вращающимся вокруг своей оси стаканом. Поэтому сказанное выше приводит к новому выводу: сверхтекучая компонента гелия II не может вращаться как целое.
Это предсказание Ландау было непосредственно подтверждено опытом, впервые произведенным в 1948 г. в Институте физических проблем Э. Л. Андроникашвили. Идея опыта заключается в том, что при вращении цилиндрического сосуда с жидким гелием должна увлекаться лишь часть тег массы — его «нормальная» часть, а другая часть, сверхтекучая остается в покое. В опытах Андроникашвили вращение сосуда было заменено крутильными колебаниями стопки из 100 дисков, сделанных из фольги толщиной около 10 микрон и находящихся на расстоянии 0,02 см друг от друга.
Этот опыт не только выявил непосредственно наличие двух компонент жидкости, но и позволил количественно измерить доли общей массы, приходящиеся на каждую из них. Эти доли зависят, согласно теории, от температуры жидкости. Гелий I — жидкость, находящаяся целиком в нормальном состоянии. В точке его перехода в гелий II впервые появляется сверхтекучая компонента — в этом состоит природа превращения. По мере дальнейшего понижения температуры доля сверхтекучей компоненты становится все больше, и при абсолютном нуле жидкость становится целиком сверхтекучей.
Не менее замечательным подтверждением теории послужило открытие явления, получившего название второго звука. Предсказание, сделанное независимо Ландау и Тисоей, заключалось в том, что в гелии II могут распространяться с различными скоростями два типа волн.
Первые опыты для обнаружения этого явления были поставлены в Институте физических проблем еще в 1940 г. А. И. Шальниковым и С. Я. Соколовым. Звук в заполненном гелием цилиндре создавался обычным способом — вибрирующей пьезокварцевой пластинкой, и ожидались, что к другому концу трубки придут два сигнала, соответствующие различным скоростям распространения двух типов звука. Результат опытов оказался, однако, отрицательным — второго сигнала не было.
В связи с этим вопрос о создании второго звука в жидком гелии был снова рассмотрен теоретически в 1944 г. автором этих строк и была выяснена причина неудачи первых опытов.
Как хорошо известно, звуковые волны в обычной жидкости представляют собой распространяющийся вдоль среды процесс периодических сжатий и разрежений. Каждая частица жидкости совершает при этом колебательное движение, двигаясь с периодически меняющейся скоростью вокруг среднего положения равновесия. Но мы уже знаем, что в гелии II могут одновременно происходить с различными скоростями два различных движения. В связи с этим возникают две различные возможности для движения в звуковой волне. Если обе компоненты жидкости совершают колебательное движение в одинаковом направлении, двигаясь как бы вместе, то мы будем иметь звуковую волну того же характера, что и в обычной жидкости.
Но есть и иная, специфическая для гелия II возможность — обе компоненты могут совершать колебания во взаимно противоположных направлениях, двигаясь навстречу, «одна сквозь другую», так что количества массы, переносимой в том и другом направлении, почти взаимно компенсируются. В такой волне — это и есть волна второго звука — практически не будет происходить сжатий и разрежений жидкости как таковой. По этой причине колебания мембраны, производящие периодические сжатия и разрежения жидкости, будут фактически приводить к возбуждению лишь обычного звука. С этим и был связан отрицательный результат опыта — интенсивность второго звука была слишком мала, чтобы быть обнаруженной.
Но из сказанного следует и другой вывод. Взаимные колебания нормальной и сверхтекучей компонент по существу представляют собой колебания тепла относительно «сверхтекучего фона» и должны приводить в первую очередь к периодическим колебаниям температуры жидкости. Естественно поэтому, что такая «тепловая волна» должна излучаться с наибольшей интенсивностью от нагревателя с периодически меняющейся температурой. Поставленные по такому принципу В. П. Пешковым опыты привели к фактическому открытию второго звука в полном количественном согласию с теорией. С тех пор это явление стало одним из важных средств для дальнейшего изучения свойств жидкого гелия.
Уже было указано, что нормальная компонента жидкого гелия — это совокупность имеющихся в нем квазичастиц — фононов и ротонов. Механизм вязкости, которой обладает нормальная компонента, состоит в различных процессах столкновений между этими квазичастицами. Детальное теоретическое исследование этих процессов, произведенное Л. Д. Ландау и И. М. Халатниковым в 1949 г., позволило установить характер температурной зависимости вязкости. Как и другие предсказания теории, эта зависимость была затем подтверждена экспериментально.
Дальнейшее развитие теории сверхтекучести в нашей стране тесно связано прежде всего с именем И. М. Халатникова. Ему принадлежит, в частности, детальная разработка гидродинамики гелия и, а также исчерпывающие исследования так называемых релаксационных процессов в жидком гелии.
Изложение этих вопросов, однако, выходит за рамки поставленной в этой статье цели: напомнить основные вехи открытий, начало которым было положено в параллельных, тесно связанных одна с другой работах замечательного экспериментатора П. Л. Капицы и замечательного теоретика Л. Д. Ландау.
Мы оставляем также за рамками этой статьи так называемые критические явления в жидком гелии — нарушения сверхтекучести при достаточно больших скоростях течения. Эти явления были впервые обнаружены уже Капицей, а их объяснение связано с выдвинутой Онсагером и Фейнманом идеей о возникновении в движущемся гелии микроконических вихревых нитей: об этом рассказано в «Природе» в указанной выше статье М. И. Каганова.
Заканчивая этот краткий исторический обзор, надо, однако, еще раз вернуться к началу статьи и исправить высказанное там неточное утверждение. Гелий — это не одно вещество. В природе существуют два различных устойчивых изотопа гелия — с атомным весом 4(Не4) и 3(Не3). Гелий из естественных источников — это почти в чистом гиде изотоп Не4; к жидкому Не4 и относится все сказанное выше.
Но огромные успехи я черной физики в последние десятилетия сделали возможным искусственное получение редкого изотопа Не3 в количествах, достаточных для экспериментирования. Этот изотоп становится жидким при температуре 3,2°, и физики получили в свое распоряжение новую квантовую жидкость.
Хотя химически обё изотопа совершенно тождественны, но между ними имеётся чрезвычайно важное различие, связанное с тем, что ядра атомов Не4 состоят из четного, а ядра Не3 — из нечетного числа частиц (протонов и нейтронов). Это приводит к тому, что квантовые свойства обоих веществ совершенно различны (физики говорят, что атомы Не4 подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, а атомы Не3 — статистике Ферми—Дирака).
Таким образом, в виде жидкого гелия Не3 физики получили квантовую жидкость совершенно нового типа. Хотя ее свойства не столь эффектны, как свойства жидкого Не4 (в частности, эта жидкость не сверхтекуча[85]), но с теоретической точки зрения они не менее интересны. Теория такой жидкости тоже была создана Львом Давидовичем Ландау (в 1956—1957 гг.) и занимает в его научном творчестве место, не уступающее теории сверхтекучести. Ей, однако, должна быть посвящена особая статья.