Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

Капица Петр Леонидович

Эта критика базировалась на другом, чрезвычайно любопытном свойстве гелия-II — ползти в пленках по стенкам сосуда. Если уровень гелия-II в пробирке, изображенной на рисунке, выше уровня окружающего гелия, то оказывается, что уровни довольно быстро выравниваются. Это явление изучено, и показано, что гелий легко переползает по поверхности в виде очень тонкой пленки. Наши опыты критиковали тем, что в своем вискозиметре я мерил не вытекание гелия из сосуда через щель, что на самом деле вытекание происходило путем переползания, а потому полученные мною данные для вязкости занижены. На самом деле при экспериментировании я учитывал возможность ошибки, вызванной этим явлением. Но интересно отметить, что эта критика, данная учеными в

Америке и в Канаде, упустила из виду, что гелий может переползать в тонкой пленке, толщиной, по измерениям Кикоина и Лазарева, меньше сотой доли микрона, и только тогда, когда его вязкость в миллион раз меньше, чем тот предел, который был уже дан нами. Получалось так, что критика большой текучести гелия основывалась на явлении, для объяснения которого требовалась еще большая текучесть.

Мы предложили принять, что гелий-II — идеально текучая жидкость, и по аналогии со сверхпроводимостью назвали это свойство сверхтекучестью. Казалось бы, что теперь появилась возможность объяснить аномальную теплопередачу гелия-II его сверхтекучестью. Но когда экспериментальные данные были подвергнуты более тщательной количественной обработке, то появились новые затруднения, на которых я и хочу сейчас остановиться более подробно.

Вычисления показали, что для объяснения тех значений для теплопроводности, которые наблюдал Кеезом, скорость конвекции нужно было принять равной примерно 50 м/сек. Это уже большая скорость, и потому я хотел ее измерить более точно.

Для этого был поставлен ряд опытов, в которых была разработана методика более чувствительного измерения больших значений теплопроводности гелия-II, чем это делалось Кеезом. Нам удалось улучшить технику измерения разниц температур, доведя ее до измерения нескольких миллионных градуса. Описание этой техники отвлекло бы нас в сторону, поэтому я о ней говорить не буду.

Таким образом, нам удалось наблюдать теплопередачу, которая была по крайней мере еще в 20 раз больше, чем наблюденная Кеезом. Следовательно, конвекционная скорость, необходимая для объяснения этой теплопроводности, должна составлять уже не 50, а порядка 1000 м/сек. Очевидно, что существование таких скоростей в конвекционных потоках допустить нельзя. Немыслимо предположить, что гелий в капилляре двигается со скоростью, которая превышает скорость полета пули. Можно было показать, что отсутствуют источники энергии для таких мощных конвекционных потоков.

Полученные нами результаты, оказывается, вели к еще более фундаментальным затруднениям, чем это кажется на первый взгляд, если механизм теплопередачи путем конвекции отпадал. Если мы вспомним тот обычный механизм теплопроводности, который мы описывали раньше как передачу теплового движения от одних атомов к другим, можно показать, что и в этом случае мы наталкиваемся на основное противоречие.

Вернемся на время к этой картине теплопроводности. Положим, у нас имеется слой атомов, который внезапно нагрет, и атомы в нем колеблются более интенсивно, чем в соседних. Эти колебания будут передаваться от одного слоя к другому, и, таким образом, мы получим тепловую волну, распространяющуюся по телу от нагретого места. Показано, что распространение подобной тепловой волны не может быть скорее распространения в теле упругих колебаний, т. е. звука. Скорость звука в гелии-II изучена и найдена равной 230 м/сек, в то время как скорости, которые мы получили от тепловых измерений, как оказалось, в несколько раз превосходят ее, что противоречит условиям такого способа теплопередачи. НА поиски выхода из этих противоречий мы затратили около года.

Как же дальше искать механизм этой теплопередачи, не имея никакой руководящей идеи? Ведь наши результаты в основном противоречили всем известным теоретическим представлениям?

Тут пришлось идти ощупью, пробовать самые разнообразные физические факторы, под влиянием которых, может быть, будет меняться теплопроводность. Мы испробовали влияние на теплопередачу в гелии-II давления, силы тяжести, времени и т. д. Результаты получились отрицательные — теплопроводность не изменялась, оставаясь такой же большой.

Наконец, одно совершенно случайное наблюдение дало нам сразу новое направление в работе. Оказалось, что пульсации давления, совершенно случайно передаваемые из лабораторной сети гелиевого трубопровода на гелий в капилляре, сильно изменяли его теплопроводность. Хотя пульсации были очень малы, но они уменьшали теплопроводность гелия-II в десятки раз. Возникает вопрос — как эти небольшие пульсации давления могут так сильно влиять на теплопроводность гелия?

Наиболее естественное объяснение было следующее. Известно, что жидкий гелий-II — сравнительно

легко сжимаемая жидкость — примерно в сто раз легче, чем вода. Благодаря этому свойству пульсации давления, сжимая жидкость, могли вызывать потоки гелия в капилляре, где изучалась его теплопроводность. Мы и предположили, что эти потоки влияют на теплопроводность. Чтобы проверить правильность этого объяснения, надо было поставить опыты, где измерялась теплопроводность гелия, когда он протекает через капилляр. Когда это было сделано, то оказалось, что действительно в гелии-II, текущем в капилляре, теплопроводность уменьшена в 100 и даже в 1000 раз. Эти эксперименты также обнаружили, что пока через гелий в капилляре течет тепло, то он легко протекает. Этим была установлена связь между потоками жидкого гелия и его способностью переносить тепло, и это явилось ключом к дальнейшим исследованиям.

Действительно, если потоки гелия влияют на теплопроводность, то возможно, что и передача тепла вызывает потоки. Сразу возник вопрос — как экспериментально обнаружить потоки гелия в тонком капилляре, диаметр которого был только 0,5 мм? Это задача трудная, но можно было ожидать, что эти потоки могли прорываться наружу у свободного конца капилляра, и там их можно было обнаружить. Для этой цели был построен приборчик, который схематически изображен на рисунке на стр. 31.

Стеклянная капиллярная трубочка 1 помещалась горизонтально. К ее концу, загнутому кверху, припаивалась стеклянная бульбочка 2, в которой помещался нагреватель. Против свободного конца капилляра на легком коромысле 3 подвешивалось крылышко 4 в форме диска. Коромысло подвешивалось на длинной стеклянной палочке 5 посредством тонкой кварцевой нити. Коромысло и бульбочка с капилляром помещались в сосуде Дьюара значительно ниже уровня гелия-II. Если из конца капилляра при нагревании гелия в бульбочке вырывалась жидкость, то она, ударяясь о крылышко, могла давить на него, и крылышко должно было отклоняться.

Сила давления гелия могла быть измерена по закручиванию кварцевой нити, которое определяли по смещению зайчика от зеркала 6, прикрепленного к стеклянной палочке 5.

Опыт показал, что даже при малейшем нагревании гелия в бульбочке действительно из конца капилляра вырывается жидкость, которая производит легко обнаруживаемое давление на крылышко.

Характер самого потока гелия из отверстия капилляра можно было установить посредством следующего простого опыта. Диск крылышка 4 был сделан малого диаметра, немного больше отверстия самого капилляра. Опыт показал, что, помещая этот диск почти рядом с отверстиями капилляра, или на большем расстоянии, раз в 15 превышающем диаметр отверстия капилляра, можно было получить одно и то же давление. Только когда диск находился на большом расстоянии, он должен был

точно находиться на продолжении линии капилляра; при небольшом передвижении его в сторону гелий переставал производить давление. Этот опыт показывает, что поток гелия из капилляра вырывался в форме хорошо направленной струи. Подробного количественного изучения этого явления, его зависимости от нагрузки мы здесь давать не будем; укажем только, что, измеряя величину давления струи гелия на крылышко, можно было установить скорость вытекания гелия (она достигла значения 5—6 см/сек).

Если гелий непрерывно вытекает из капилляра в форме струи, то возникает вопрос, как пополняется гелий, вытекающий из бульбочки, каким путем он в нее возвращается? Ведь каким-то образом он должен попадать обратно в нее, так как количество жидкого гелия в бульбочке не убывало. Единственным путем, очевидно, является тот же капилляр, и казалось бы, что если мы поставим крылышко достаточно близко от наружного отверстия, то входящий гелий тоже должен был бы давить на крылышко. Но опыт показал, что если мы приближали крылышко насколько только возможно ближе к отверстию капилляра, то струя давила на него с такой же силой, как и на большом расстоянии. Значит, гелий заползал в капилляр в очень тонком слое, окружающем отверстие.

Чтобы более точно изучить путь вползания гелия, мы ставили опыты, основанные на следующих рассуждениях. Вырывающаяся струя гелия должна оказывать реакцию на капилляр, т. е. вызывать силу в направлении, обратном движению струи. Как можно показать, эта сила равняется силе, с которой струя давит на наше крылышко. Втекающий в капилляр жидкий гелий тоже может оказывать на него силу. Обнаружив и измерив ее, мы можем выяснить более точно, каким путем гелий входит через капилляр в бульбочку. Чтобы обнаружить эту силу, был построен приборчик, изображенный на рисунке на стр. 33.