Штурм абсолютного нуля
Шрифт:
Для того чтобы повысить чувствительность метода, Капица заменил капилляр длинной узкой щелью шириной в полмикрометра, через которую можно было пропускать большие массы жидкости. Через такую щель гелий I протекал едва заметно, а гелий II преодолевал это препятствие за несколько секунд.
Измерения показали, что вязкость гелия II не превышает одну триллионную долю пуаза [4] , что, по крайней мере, в десять тысяч раз меньше вязкости наименее вязкого из всех известных в природе веществ газообразного водорода.
4
Пуаз — единица измерения
Практически гелий II — жидкость с нулевой вязкостью.
Это открытое ученым в 1938 году замечательное свойство гелия II Капица назвал сверхтекучестью.
Пройдет сорок лет. Капица завершит свои исследования свойств гелия II. Но жизнь ставит перед пытливыми исследователями все новые задачи.
Капица исследует природу шаровой молнии, разрабатывает новое направление в технике — электронику больших мощностей, усиленно работает над проблемой номер один современной физики — освоением управляемых термоядерных реакций. В решении этих и многих других проблем он добивается выдающихся результатов. Заслуги ученого высоко оценены советским правительством и мировой научной общественностью. Дважды ему присуждается Государственная премия I степени. Он дважды Герой Социалистического Труда. Международные награды: золотая медаль Ломоносова, премия Максвелла, медаль Фарадея, Большая золотая медаль Франклина, золотая медаль Нильса Бора и другие.
О своих криогенных исследованиях Капица, по собственному полушутливому признанию, начал забывать.
…В один из осенних дней 1978 года на стол директора Института физических проблем референт, как обычно, положил увесистую кипу корреспонденции. Тут свежие номера отечественных и зарубежных научных журналов, письма зарубежных коллег, многословные служебные циркуляры… Среди них не сразу можно было разглядеть небольшой телеграфный бланк.
Вот что выстучал бесстрастный телетайп:
«Дорогой академик Капица!
Мне доставляет удовольствие сообщить Вам, что Шведская королевская академия наук решила сегодня присудить Нобелевскую премию по физике в двух равных частях. Одну часть решено присудить Вам за Ваши фундаментальные исследования в области физики низких температур, а другую часть поровну разделить между доктором Арно Пензиас и доктором Робертом Уилсоном (США) за открытие ими фонового микроволнового излучения из космоса.
О. Б. Бернард, генеральный секретарь».
Вернемся, однако, к дням, ставшим ныне достоянием истории.
В то время, когда Капица у себя в лаборатории наблюдал, как через узкую щель с почти молниеносной быстротой проскакивал проворный гелий II, канадские физики из Торонто исследовали вязкость этого вещества другим способом, который заключается в измерении времени затухания крутильных колебаний диска, подвешенного на упругой струне в жидком гелии.
Жидкость вблизи диска увлекается его движением, а вдали практически находится в состоянии покоя. Различные слои жидкости перемещаются с разными скоростями, и возникающая при этом сила внутреннего трения приводит в конце концов к тому, что энергия колебаний превращается в тепло. Зная время затухания колебаний диска, можно определить вязкость.
Эксперименты, проведенные канадскими физиками, показали, что гелий II имеет вполне определенную и измеряемую вязкость.
В чем же здесь дело?.. Неужели это потому, что климат в Канаде отличается от московского?
Капица повторяет эксперименты своих канадских коллег, и крутильные колебания диска затухают с такой же интенсивностью, как и в далеком Торонто.
Это, пожалуй, единственный случай в науке, когда измерения одной и той же физической величины разными методами дали диаметрально противоположные результаты.
Выходит, что гелий II имеет вязкость и… не имеет вязкости.
Неожиданным
Гелий II выпускали из сосуда через узкую щель. Оказалось, что жидкость в сосуде каким-то непостижимым образом нагревается, а вытекающий гелий, наоборот, охлаждается. Создавалось впечатление, что гелий II, покидая сосуд, «великодушно» оставляет там свое тепло.
Поиски истины упорно продолжались…
В замкнутом сосуде, частично заполненном гелием II, установлен нагреватель. Этот сосуд имеет единственный выход в окружающий гелий II. За выходным отверстием сосуда расположен лепесток. При включении нагревателя возникает движение гелия II. Действительно, лепесток отклоняется, показывая, что жидкость на самом деле вытекает из сосуда. Самое поразительное заключается в том, что при этом уровень жидкости в сосуде не понижается. Можно проводить опыт как угодно долго, а лепесток все время будет отклонен. Как из сказочного рога изобилия, жидкость все время вытекает, а ее количество не изменяется.
После каждого последующего эксперимента поведение гелия II представлялось все более и более загадочным.
Нужно было тщательно проанализировать и теоретически осмыслить результаты экспериментальных исследований.
В то время теоретический отдел Института физических проблем возглавлял Лев Давидович Ландау.
Рог изобилия, или еще один сюрприз жидкого гелия: I— нагреватель; 2— лепесток. Жидкость непрерывно вытекает из сосуда, а ее уровень в сосуде остается неизменным.
Это было счастливым стечением обстоятельств, что бок о бок работали два будущих лауреата Нобелевской премии: блестящий физик — экспериментатор, организатор науки П. Л. Капица и всемирно известный теоретик Л. Д. Ландау, связанные многолетним сотрудничеством и личной дружбой.
Капица открыл сверхтекучесть, Ландау создал теорию этого удивительного явления.
6. Арифметика на песке. Окно в мир квантовой механики. Удивительные законы мира невидимок. Путешествие в отцепленном вагоне. Тепло отделяется от материи. Еще одна загадка.
«В городском саду Баку крошечный мальчик пишет на дорожках длинный — предлинный ряд цифр, потом идет вдоль написанного и готовит ответ. Сразу видно, что занят он обыкновенным сложением и вычитанием, но для него это самая интересная игра. По цифрам на песке его находит мама, берет за руку и ведет домой.
Математику четыре с половиной года. Он очень хорош: глаза огромные, ясные, умные, приветливые. Зовут мальчика Лева, для мамы он Левенька…» [5] .
5
Бессараб М. Страницы жизни Ландау. Изд — во «Московский рабочий», М., 1971.
Маленький математик — в будущем всемирно известный ученый — физик. Но об этом пока ничего неведомо его родителям: отцу — видному бакинскому инженеру — нефтянику Давиду Львовичу Ландау и матери — врачу Любови Вениаминовне. Они серьезно озабочены необычным поведением своего младшего сына, совершенно несвойственным его возрасту. Самое большое для него удовольствие — уединиться в укромном месте и производить нескончаемые математические операции с числами.
В гимназии Ландау восхищает преподавателей своими успехами в точных науках. Но отметками по словесности он очень огорчает своих родителей.