ПРОБЛЕМЫ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ

Доклад на Общем собрании Академии наук СССР 28 декабря 1940 г.

Опубликован в журнале «Советская наука» № 1, 33 (1941).

Я чувствую некоторое затруднение, приступая к изложению моих работ в области жидкого гелия. Большинство слушателей привыкло, конечно, к аналитическому мышлению, необходимому во всякой области научной работы, но я боюсь, что сами проблемы физики для многих из вас далеки.

Как всякую научную работу, и работу в области физики можно разделить на три части: первая — цель и задачи исследования, вторая — методы достижения этой цели и третье — полученные результаты и их значение.

Что касается второй части — методов, то в области физики они представляют большой интерес для исследователя и часто в них залог успеха. Но оценить методику работы, технику постановки опыта, методику и точность измерений для человека, не работавшего в лаборатории, и к тому же еще в данной области, мне кажется, очень трудно. Так же как трудно человеку, любящему и понимающему музыку, но не являющемуся музыкантом, оценить трудности техники исполнения музыкального произведения. Но, конечно, это ему не помешает наслаждаться музыкой, любить ее и интересоваться ею. Я думаю, что это замечание справедливо для всех родов творческой работы.

Поэтому Я предлагаю в своем изложении остановиться главным образом на тех целях, которые преследовала постановка каждого опыта, и на тех результатах, к которым он нас привел. А о технике экспериментирования буду говорить только вскользь.

Цель всякого научного исследования определяется состоянием науки в данной области, и ясное представление об этом состоянии и вытекающих из него проблемах необходимо иметь не только самому исследователю, но и тем, кому он рассказывает о своих работах. И вот тут я встречаюсь с большими трудностями.

Я боюсь, что физика является одним из наиболее слабых мест в научной подготовке широко образованного человека. В самом деле, мы хорошо знаем историю, мы все читаем таких больших историков, как Ключевский, Тарле и других; большие концепции естествознания, как, например, дарвинизм, мы легко воспринимаем и поэтому также хорошо с ними знакомы. Технические вопросы также близки нам, так как техника связана с развитием промышленности, находящейся в центре общественного внимания; кроме того, технические приборы в виде радио, телефона, автомобиля и проч. входят в наш каждодневный быт. Но с ведущими концепциями физики, и, может быть, в еще большей степени это относится к математике, дело обстоит значительно слабее.

Если мы спросим любого образованного человека о теории квантов и даже о более частных вопросах, как, например, о фотоэффекте, о спектрах и проч., или если математик спросит, что такое теория групп, учение о вероятности и т. п., то, я думаю, что только в одном случае из десяти можно получить ответ, указывающий на общее знакомство с этими вопросами.

Мое положение затрудняется еще тем, что на сегодняшний день область моего доклада еще далека от жизни и мало известна. Дело в том, что в науке обычно можно выявить два рода изысканий, разницу между которыми позвольте пояснить аналогией. Изучая наши природные богатства, мы можем либо более глубоко развивать эксплуатацию уже открытых геологических пород, либо отыскивать в природе новые залежи. Конечно, оба рода работ чрезвычайно важны для нас, но оцениваем мы их по-разному. Когда мы уже знаем практическую цену разрабатываемой руды, вопрос использования ее уже близко связан с жизнью, тогда оценивать значение нового-изыскания легко. Когда же работа ведет к открытию новых залежей руд, значение которых и ценность для жизни сразу определить трудно, то, очевидно, понимание и оценка значения таких работ значительно затруднены и производится полностью только спустя значительный срок после самого открытия.

Такая же разница в характере работ наблюдается в большинстве областей научных исканий. Возьмем, например, в физике такое крупное открытие, как открытие индукции Фарадеем. Теперь мы знаем, что без него невозможны были бы все электромоторы, динамомашины, которые покрывают густой сетью весь земной шар и необходимы для осуществления любого технического процесса. Но после открытия индукции до внедрения ее в жизнь прошло много десятилетий, и Фарадей и большинство его современников умерли без того, чтобы осознать колоссальное практическое значение этого научного достижения.

Подобных примеров можно указать очень много. Например, Герц, открывший радиоволны, отрицал даже возможность их применения для беспроволочной телеграфии, и он был вполне прав со своей точки зрения, потому что в его время не было известно о существовании в природе в верхних слоях атмосферы слоя, отражающего радиоволны и заставляющего их огибать земной шар, благодаря чему и возможна дальняя радиосвязь. Рентген, когда открыл лучи, названные его именем, из всех многочисленных применений этого замечательного излучения никогда не мог предположить, что они окажутся почти единственным пока терапевтическим средством для лечения рака. Поэтому, если научная работа ведет к отысканию в природе нового, неожиданного, мы не должны рассчитывать на исчерпывающую оценку этого явления сразу же. В данный момент мы можем базироваться в своей оценке только на неожиданности явления, т. е. на том, насколько основательно оно противоречит установившимся взглядам на природу вещей.

В физике, как и в других науках, существует ряд областей, которые более или менее полно охвачены теориями, гипотезами и предположениями. Развитие науки заключается в том, что в то время как правильно установленные факты остаются незыблемыми, теории постоянно изменяются, расширяются, совершенствуются и уточняются. В процессе этого развития мы неуклонно приближаемся к истинной картине окружающей нас природы, понимание которой необходимо для того, чтобы все более полно овладевать и управлять этой природой. Наиболее мощные толчки в развитии теории мы наблюдаем тогда, когда удается найти эти неожиданные экспериментальные факты, которые противоречат установившимся взглядам. Если такие противоречия удается довести до большой степени остроты, то теория должна измениться и, следовательно, развиться.

Таким образом, основным двигателем развития физики, как и всякой другой науки, является отыскание этих противоречий. Отсюда мы получаем основу для объективной оценки научного достижения, не имеющего непосредственного применения на практике. Нахождение всякого нового явления в природе надо оценивать тем значительнее, чем больше изменений оно может потребовать от существующих в данное время взглядов или теорий. Естественно, что правильное понимание значения работы наиболее важно установить самому исследователю, так как это направляет его искания. Мы думаем, что, именно руководствуясь этими соображениями, ученый-экспериментатор и должен составлять план своей работы, понимая этот план, конечно, в широком смысле, как общую целеустремленность.

Для того чтобы вы могли составить себе представление о цели и значении результатов наших работ по изучению свойств жидкого гелия, мне необходимо дать хотя бы самую общую картину тех теоретических взглядов, с которыми они связаны.

За последние 50 лет на развитие экспериментальной физики наибольшее влияние оказали два теоретических воззрения. Первое — это атомистический взгляд на вещество. Развитие этого взгляда, в особенности когда оно было объединено с термодинамическими законами, дало ряд блестящих обобщений, наиболее значительное из которых — это, конечно, кинетическая теория материи. Но такое успешное развитие в начале этого века пришло к одному из любопытнейших тупиков. Из развития теоретических обобщений выходило, что равновесие между веществом и излучением невозможно, так как получалось, что вся энергия теплового движения атома должна была непрерывно переходить в лучистую энергию. Это заключение хорошо известно физикам и носит обычно название парадокса Рэлея — Джинса. История развития этого противоречия поучительна, поэтому позвольте на ней остановиться.

В этом случае как-то особо резко проявилось различное отношение ученых к теории. Ведь существует целый ряд физиков, которые склонны благодаря своему внутреннему консерватизму видеть в уже хорошо освоенных ими теориях нечто незыблемое и постоянное. Любопытно отметить, что это отношение к теории распространено гораздо больше на континенте, чем в Англии. Большинство ведущих английских ученых обычно отличается тем, что они главное значение придают эксперименту, рассматривая теорию как вспомогательное орудие. Более ста сорока лет тому назад еще Дэви сказал, что «один хороший эксперимент стоит больше изобретательности ньютоновского ума»[ 1 ] . Эта фраза часто повторяется и по сей день. Любили ее цитировать такие современные ученые, как Дж. Дж. Томсон, Резерфорд. Ее надо рассматривать, конечно, как гиперболу, как лозунг протеста против обожествления теории. Любопытно, что противоречие Рэлея — Джинса получило в Германии название «катастрофы Джинса — Рэлея»— этим эпитетом как бы оттенялся роковой характер для теории этого замечательного научного противоречия.

Мы знаем, результат этой «катастрофы» был чрезвычайно плодотворен для науки. Из нее родилась теория квантов. Ее и надо считать для развития современной физики после атомизма вторым по своей значительности теоретическим воззрением. Если бы всякая катастрофа вела к таким крупным благотворным последствиям, как эта, то мы могли бы только пожелать, чтобы таких «катастроф» было больше. История показывает, что наука по-настоящему двигается вперед, главным образом, подобными «катастрофами» малого и великого порядка.

Как многим из вас, наверное, известно, первым нашел выход из этого тупика Планк. Выход был прост и на первой стадии показался большинству чисто формальным. Несколько преобразовав классическую формулу излучения, введя новую постоянную, Планк показал, что отсутствие равновесия между веществом и излучением можно было устранить. Но понять настоящий глубокий и универсальный смысл этой постоянной, носящей по сей день имя Планка, удалось несколько позже. Физика обязана этим Эйнштейну — он первый понял фундаментальное значение открытия Планка и дал ему более общее физическое толкование, которое носит название закона Эйнштейна. Мне кажется, что по своим практическим последствиям для развития науки эта замечательнейшая работа Эйнштейна сыграла значительно большую роль, чем его знаменитая теория относительности.

От этих работ начала успешно развиваться теория квантов. Идеи теории квантов в самой общей форме можно описать так: происходящие в природе процессы надо рассматривать, не как прежде предполагалось, протекающими непрерывно, но происходит последовательная смена элементарных состояний, в которых только и может устойчиво находиться материя, принимающая участие в процессах в природе.

Мы считаем теперь, что в природе процессы протекают прерывным образом, напоминая этим как бы атомное распределение массы в веществе. Может быть, теперь это нам кажется не так неожиданно, как это было вначале.

В самом деле, не только теоретически, но за последние годы и экспериментально, между энергией и массой поставлен знак равенства — они могут переходить друг в друга. Если же вещество в природе встречается только в дискретных массах, такую же прерывность естественно ожидать и в энергетических процессах. Это, конечно, нельзя рассматривать как доказательство, но во всяком случае это указывает, что такая связь вполне естественна.

Как известно, на первой же своей стадии развития, главным образом, благодаря идеям Бора, квантовая теория была чрезвычайно плодотворной при изучении атома. Строение и свойства атома мы знаем сейчас исключительно полно. Процессы лучеиспускания электронной оболочки атома описываются до больших деталей чрезвычайно точно.

Именно, главным образом, разработка физики атома и привела к тому значительному развитию квантовой теории и к тем замечательным ее обобщениям, которые были даны Шредингером, Гейзенбергом и Дираком.

Интересно отметить, что математический аппарат, к которому привело квантовое описание процессов в природе, испытал значительное упрощение. Если бы нам пришлось, например, изучать такую систему, как атом, которая состоит из ядра, вокруг которого движется большое число электронов, теми приемами, какими мы пользуемся в небесной механике, то это привело бы к большим математическим трудностям, чем те, с которыми мы сталкиваемся сейчас.

Но несмотря на все эти успехи, было бы ошибочно думать, что квантовая теория закончена и не будет развиваться дальше. Тут может и должно быть большое развитие, и мы можем ждать даже фундаментальных изменений в наших основных представлениях.

Если мы хотим искать новые противоречия в природе, нам надо интересоваться как раз теми областями физики, в которых эти квантовые воззрения будут подвергаться наиболее основательному испытанию. С этой точки зрения, мне лично кажется, нам надо, главным образом, сосредоточиться на тех областях физики, где квантовые явления наименее изучены и поняты. Экспериментальному материалу изучения свойств атома мы обязаны созданием теории квантов, и он на сегодняшний день в основном исчерпан. Наиболее же интересны следующие две области физики.

Первая — это область атомного ядра. В ядре мы имеем элементарные частицы, расположенные на таких близких расстояниях друг от друга, что можно ожидать, что те законы, которые были выведены для больших расстояний между ними, как это происходит в оболочке атома, могут оказаться полностью себя не оправдавшими. Поэтому есть большая вероятность ожидать, что для ядерной физики теория квантов сегодняшнего дня потребует основательного развития.

Вторая область — это область изучения конденсированного состояния. По своей общности основные идеи квантовой теории, конечно, должны покрывать явления, происходящие в окружающих нас веществах, где атомы и молекулы, взаимодействуя между собой, образуют газы, жидкости и твердые тела. Но оказывается, когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая природа процессов не может обычно выявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощутимы. Это также, как если бы на качающемся в море корабле мы вздумали изучать на биллиардном столе законы соударений шаров. Очевидно, эта затея осуществима только тогда, когда море спокойно. Так и при изучении квантовой природы явлений течения процессов, происходящих в конденсированном состоянии. Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движение атомов достаточно мало. Отсюда очевиден тот большой интерес в физике к изучению явлений в веществе при очень низких температурах — той области явлений при температуре жидкого гелия, о которой я буду рассказывать.

Чтобы более конкретно иллюстрировать эту мысль, позвольте показать вам очень простой опыт (см. рисунок). Хотя это только грубая иллюстрация сказанного, но, я думаю, она позволяет тем из вас, кто не привык к представлениям о тепловом движении, несколько более конкретно его себе представить. В проекционный фонарь вставлена рамка 1, в которой между двумя параллельными стеклами положено несколько десятков шариков от велосипедных подшипников. На рисунке они видны в виде черных кружочков. Эта рамка подвешена на ряде пружинок 2 к другой рамке 3 так, что может колебаться в своей собственной плоскости.

Посредством шатуна 4 и кривошипа 5, сидящих на оси маленького электромотора 6, рамку можно заставить совершать горизонтальные колебания. При этом, как вы видите, шарики начнут бегать между стеклами. Их движение напоминает собой движение атомов при тепловом возбуждении. Чем быстрее мы заставляем колебаться рамку, тем скорее бегают шарики, и тем картина движения ближе соответствует более высокой температуре.

Теперь обратите внимание на некоторую деталь в конструкции рамки. В нижней ее части поставлен ряд перегородок 7, отделяющих от общего пространства шесть ямок. При небольших колебаниях рамки шарики, заключенные в каждой ямке, бегают только в них, и их движение не сказывается на движении шариков в соседних ямках. Это состояние изображено на верхнем рисунке. При быстром движении рамки, т. е. как бы при высокой температуре, мы получаем картину, изображенную на нижнем рисунке. Траектории шариков заполняют при своем движении всю рамку, и присутствие перегородок, образующих ячейки, как бы совсем не сказывается на этом движении.

Предположим теперь, что перед нами стоит обратная задача — обнаружить по движению шариков существование этих ямок, стенки которых были бы сделаны из прозрачного, невидимого материала. Очевидно, что мы могли бы это сделать, только изучая движение при малых колебаниях или покачиваниях рамки, т. е. при низкой температуре.

То же происходит и при изучении квантовых свойств в конденсированном состоянии. Ограничения движения шариков, которые накладываются перегородками рамки в нашей модели, несколько напоминают те, которые квантовая природа явлений накладывает на процессы в конденсированном состоянии атомов. При достаточно низкой температуре квантовая природа взаимодействия между атомами может проявить ряд физических явлений, которые при более высокой температуре не наблюдаются. Отыскание этих явлений и представляет тот исключительный интерес изучения свойств вещества при температурах, близких к абсолютному нулю.

Ожидания открытий новых свойств вещества при низких температурах уже себя оправдали. Еще в самом начале было обнаружено аномальное поведение теплоемкости тел и газов при низких температурах, которое, как показали Дебай и Эйнштейн, может быть объяснено квантовой теорией.

Согласно квантовой теории теплоемкость тел вблизи абсолютного нуля должна приблизиться к нулю; и действительно, например, в области температур, где мы работали, от 0 до 4° К, теплоемкость большинства тел в десятки тысяч раз меньше, чем при комнатной температуре. Интересно отметить, что только благодаря этому свойству вещества и возможно осуществлять те охлаждения, которые необходимы для экспериментальных работ при низких температурах. Дело в том, что жидкий гелий обладает очень малой теплотой испарения: она более чем в 1000 раз меньше, чем теплота испарения такого же объема воды. Подсчеты показывают, что при такой малой теплоте испарения практически невозможно было бы охлаждать тела, если бы они сохраняли ту же теплоемкость, которую они имеют при комнатной температуре. Исследование физических явлений в области самых низких температур было начато Камерлинг-Оннесом, когда после больших трудов, в 1908 г. ему удалось впервые ожижить гелий.

Гелий был наиболее трудно сжижаемым газом. Это объясняется тем, что атомы его чрезвычайно симметричны и испытывают очень малые силы притяжения друг к другу. При нормальном давлении его точка ожижения отстоит только на 4,2° от абсолютного нуля. Подвергая гелий испарению путем понижения давления, можно понизить его температуру до 0,8° от абсолютного нуля. Дальнейшее понижение температуры возможно недавно разработанным методом размагничивания парамагнитных солей. Так удалось подойти до нескольких тысячных градуса к абсолютному нулю. Можно надеяться, что в дальнейшем к абсолютному нулю можно будет подойти еще ближе, но достигнуть его принципиально невозможно.

Из ряда исключительно интересных физических явлений, наблюдаемых при низких температурах, пожалуй, самое интересное — сверхпроводимость, явление, о котором вы, несомненно, слыхали. Оказывается, при некоторой очень низкой температуре некоторые металлы полностью теряют свое электрическое сопротивление. Ток, возбужденный в металле, может циркулировать сколь угодно долго, если металл остается при необходимо низкой температуре.

Это явление движения без трения электричества в проводах, как показывает существующая теория, противоречит нашим обычным взглядам на движение электронов (носителей электричества в металле) через кристаллическую решетку, так как это движение нормально должно происходить с потерей энергии.

Несмотря на ряд очень интересных попыток создать теорию этого явления, до сих пор еще этого никому не удавалось. Среди физиков существует единодушное мнение, что это явление обязано своим существованием квантовой природе явлений при низких температурах, но как оно ею обусловлено, до сих пор остается необъясненным [ 2 ].

Из других явлений при низкой температуре, не имеющих подобия при обычных температурах и также, по-видимому, связанных с их квантовой природой, наиболее интересными оказываются свойства самого гелия, о которых я предполагаю говорить более подробно.

Жидкий гелий имеет очень малый удельный вес: примерно в 7 раз меньше воды. Он чрезвычайно прозрачен и, например, по сравнению с водой, трудно видим.

Изучение свойств жидкого гелия привело к открытию целого ряда интересных явлений. Еще Камерлинг-Оннес обнаружил, что .гелий имеет два состояния: первое состояние — это нормальное, называемое гелий-I. Оно существует до температуры 2,19° К, ниже его модификация меняется. Оставаясь жидким, он переходит в состояние, называемое гелий-II. В этой модификации он остается до самых низких температур, пока достигнутых.

При внимательном рассмотрении гелий-I представляет кипящую жидкость, потому что даже свет, падающий на него, уже заставляет его кипеть. Чтобы защитить его от окружающего тепла, сосуд с жидким гелием окружают двумя рядами вакуумных оболочек, между которыми налит жидкий воздух. Без этих предосторожностей жидкий гелий испарился бы в несколько десятков минут.

Второе состояние гелия резко отличается от первого. Гелий-II не кипит, и на вид его свободная поверхность образует совершенно неподвижную плоскость. Гелий-II обладает рядом совершенно исключительных физических свойств. Из них, пожалуй, самым замечательным свойством является его чрезвычайно большая теплопроводность, обнаруженная Кеезомом и его дочерью. Это явление было обнаружено, когда теплопроводность гелия-II мерилась в тонких трубках (капиллярах). Наиболее теплопроводными веществами, которые нам известны при комнатной температуре, являются металлы, из них наиболее теплопроводны медь и серебро. Многие из вас, наверное, испытали на опыте, что если нагревать конец медного стержня и держать его за другой конец в руке, то легко можно обжечь себе руку. Так вот, гелий в капиллярах оказался теплопроводнее, чем медь, больше, чем в миллион раз. Совершенно естественно, что Кеезом назвал это свойство по аналогии со сверхпроводимостью металлов — сверхтеплопроводностью.

Опытами, проводившимися в Канаде, было также показано, что у жидкого гелия-II очень малая вязкость — она в несколько раз меньше, чем у гелия-I.

Вязкость — это свойство жидкости, определяющее ее текучесть. Если через одну и ту же трубку под одним и тем же напором мы будем пропускать разные жидкости, то легко убедимся, что одни из них будут протекать легче, другие — труднее. Чем хуже протекает жидкость, чем меньше ее текучесть, тем больше в ней вязкость. Следовательно, вязкость есть как бы мерило внутреннего трения при течении. Из опыта мы, например, находим, что у масла большая вязкость, у смолы еще больше, а у воды меньшая вязкость. Если поставить точный эксперимент, то мы найдем, что у газа есть вязкость, хотя она мала. Оказалось, что у жидкого гелия она примерно в 1000 раз меньше, чем вязкость воды, и при переходе гелия-I в гелий-II даже было наблюдено некоторое уменьшение этой вязкости. Это явление нас очень заинтересовало. Как нетрудно показать, в этих свойствах жидкого гелия можно найти противоречие с нашими обычными представлениями о механизме вязкости и теплопроводности.

В самом деле, как себе представить механизм теплопроводности? Мы считаем, что тепло есть движение атомов в веществе. Когда одна часть тела более нагрета, чем другая, атомы в ней приобретают более энергичное колебательное движение, чем в другой. Благодаря силам взаимодействия более энергичное движение атомов нагретой части тела передается менее нагретой. Неравномерность в энергии колебаний как бы стремится выравняться по всему телу, и это влечет за собой то, что тепло распространяется по всему телу. Значит, теплопроводность надо рассматривать как способность атомов передавать свои колебания друг другу, и чем больше это свойство передачи, тем больше значение для теплопроводности данного вещества.

Теперь попытаемся представить себе механизм, обусловливающий вязкость. При течении, например, в трубочке, слой жидкости, прилегающий к стенке, неподвижен, следующий слой уже движется с некоторой скоростью, над ним движется другой слой с несколько большей скоростью и т. д. Между этими слоями существует скольжение, которое происходит с трением. Это трение вызывается тем, что атомы одного слоя в своем движении отстают от атомов следующего слоя и благодаря тем же силам взаимодействия мешают движению. В результате получается потеря энергии, которая и обусловливает вязкость жидкости. Из такой картины следует, что вязкость должна быть тем больше, чем больше движение атомов одного слоя влияет на движение атомов другого слоя, т. е. чем легче в теле распространяется тепло.

Поэтому при увеличении в веществе его теплопроводности естественно ждать также и увеличения его вязкости, а не наоборот, как это происходит в гелии. Спрашивается, почему же при таком колоссальном увеличении теплопроводности гелия-II вязкость его уменьшается?

Чтобы разрешить это противоречие, мы выдвинули предположение, что большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом, является только кажущейся. В самом деле, известно, что существуют два механизма теплопередачи. Один — это теплопередача от атома к атому, как мы описывали и какая наблюдается в твердом теле, а другой же механизм теплопередачи — это конвекция. Положим, вы будете держать руку над горячим источником, например радиатором, — вы сразу почувствуете тепло, так как поток нагретого воздуха будет переносить тепло к вашей руке. Такой перенос тепла вместе с движущимся потоком вещества и называется конвекцией. Если же руку поместить под радиатором, то никакого тепла не почувствуется, так как поток теплого воздуха идет кверху, а обычная теплопередача воздуха очень мала. В такой плохо-теплопроводной среде, как воздух, обычная теплопередача только и происходит благодаря конвекционному переносу. Так и у гелия с его большой текучестью естественно предположить, что будет легко происходить конвекционная теплопередача, и таким механизмом переноса тепла и могла бы объясняться большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом.

Подсчеты сразу же показали, что для того, чтобы объяснить большую теплопередачу конвекционными потоками, вязкость гелия-II должна быть значительно меньше той, которая была измерена учеными в Канаде.

Но тут надо отметить, что малая вязкость — величина, довольно трудно поддающаяся измерению. Теория показывает, что истинное значение вязкости может быть как бы затушевано присутствием в жидкости так называемого турбулентного движения, т. е. вместо того, чтобы иметь при измерениях спокойное течение, на самом деле на него накладываются движения от вихрей, которые, как можно показать, исказят результаты измерений, так что полученная величина может оказаться во много раз больше истинной.

Вопрос этот чисто экспериментальный, я не буду его подробно касаться, так как он требует довольно детального описания техники измерений [ 3 ]. Скажу только, что мы под этим углом зрения снова произвели измерения вязкости гелия. Нам удалось построить вискозиметр (прибор для измерения вязкости), который имел очень узкую щель, всего в полмикрона (тысячная доля миллиметра), через которую протекал гелий. Поставив опыт таким образом, можно было в значительной мере избежать вредного влияния вихрей, и тогда удалось показать, что наблюдаемая вязкость гелия-II была по крайней мере в тысячу раз меньше, чем ее определяли прежде.

Можно было также показать, что то значение для вязкости, которое мы получили, является только возможным верхним пределом: на самом деле истинное значение вязкости могло быть сколь угодно меньше, т. е. даже в нашей узкой щели мы не могли доказать, что полностью удалось исключить вредное влияние турбулентного движения. Эта работа была нами опубликована 3 года тому назад, и она вызвала целый ряд обсуждений и критику.

Первым делом начали искать возможные ошибки в методике этой работы. И тут поучительно рассказать об одном возражении, выдвинутом против нас.

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.

Была сделана очень маленькая бульбочка с капилляром 1. Весила она не более 1/4 грамма, подвешивалась она вместо крылышка, которое было изображено на рисунке на стр. 31, на том же коромысле 2 к стеклянной палочке 6. Теперь только ее приходилось уравновешивать более тяжелым противовесом в форме диска 3. Нагревание гелия в бульбочке производилось током, который подводился по проводникам в форме очень тоненьких серебряных полосок 5 и 4.

Опыты с такой подвесной бульбочкой показали, что реакция струи существует и она имеет такую же величину и характер, что и давление струи на диск. Чтобы это показать более точно, диск 7 прикреплялся к самой бульбочке, и тогда давление гелия на диск должно было уравнивать силу реакции струи на бульбочку, и остаточная сила должна была быть отнесена за счет

втекающего гелия. На опыте такой силы почти не было заметно, и потому мы пришли к выводу, что гелий втекает таким путем, что не оказывает давления на бульбочку. Единственная возможность вхождения гелия без оказания реакции — это вползание его очень тонким слоем по поверхности.

Это явление настолько интересно и ярко, что его можно будет вам показать на упрощенном приборе, специально построенном для демонстрации. Этот прибор изображен на рисунке. Мы назвали его «паучком». Он состоит из двух стеклянных колпачков 2, запаянных внизу, к которым прикреплено 6 капилляров в виде ножек паука. Стеклянный колпачок покоится на очень острой игле 1 и, таким образом, может свободно вращаться. Конечно, паучок целиком погружен в жидкий гелий-II. Если посредством пучка света 3 нагревать гелий, находящийся в сосудике 2, то из каждой ножки он начнет вырываться струей, сила реакции которой, как вы увидите, заставляет этот паучок вращаться.

Если теперь, опуская петлю 5, надеть на наш паучок два очень легких колечка 4, к которым на тоненьких проволочках прикреплены по числу капилляров 6 дисков так, что каждый из дисков прикроет на расстоянии 1—2 мм отверстие каждого капилляра, то мы увидим, что и таком состоянии наш паучок, когда мы будем подогревать гелий пучком света, не будет уже вращаться. Фотография этого приборчика показана на рисунке справа.

Из этих опытов мы получили картину движения жидкого гелия в капилляре, производимого потоком тепла. Схема этого движения представлена на рисунке на стр. 36. В бульбочке 1 происходит нагревание гелия, в капилляре происходит поток, и он вырывается наружу в виде струи 2. Входящий гелий ползет по стенке капилляра в обратном направлении в виде тонкой поверхностной пленки 3, а в бульбочке происходит переход гелия с поверхности опять в свободный гелий. Таким образом, мы имеем тут явление ползания гелия по поверхности, очень похожее на то, о котором мы уже говорили вначале и которое объясняет выравнивание уровней гелия из сосудика, изображенного на рисунке на стр. 28. Нужно отметить, что в обоих случаях такое движение гелия возможно только, если жидкий гелий-II при своем течении ведет себя как жидкость, не обладающая вязкостью.

Теперь, имея картину движения гелия в капилляре, вызванную тепловым потоком и установленную, как мы видели,

чисто экспериментально, мы могли приступить к выводам нашего исследования, ведущим к объяснению процесса колоссальной теплопроводности.

Мы имеем основания предположить, что гелий, в тонкой пленке двигающийся по поверхности, отличается по своему физическому состоянию от того, который течет в обратном направлении в центральной части капилляра. Благодаря молекулярным силам от стенок капилляра мы принимаем, что он находится в несколько другом энергетическом состоянии. Говоря языком термодинамики, у него другая тепловая функция, чем у свободного гелия.

Оказывается, этого предположения, по-видимому, вполне достаточно, чтобы объяснить большую теплопередачу гелия, которая наблюдалась в капилляре. Наблюдаемая при опыте картина такова: когда гелий по внутренней поверхности капилляра втекает в бульбочку и, покидая поверхность, переходит в свободное состояние, он поглощает тепло. Этот процесс и создает впечатление колоссальной теплопроводности. Поясним это примером.

Если мы хотим произвести охлаждение и будем пользоваться для этого струей холодной воды при 0° С, либо используем лед при той же температуре, то мы увидим, что во втором случае за счет скрытой теплоты таяния происходит более энергичное охлаждение, чем при пользовании просто водой. Охлаждение в нагревающейся бульбочке и напоминает нам охлаждение тающим льдом. Гелий, попадающий сюда по поверхности, оставляя стенки, переходит в другое энергетическое состояние, и при этом он поглощает тепло, которое создается нагревателем. Основываясь на такой картине, можно показать, что теплопередача становится как количественно, так и качественно вполне объяснимой, и никакой сверхтеплопроводности в гелии-II не существует [ 4 ].

Дальнейшая проверка предложенной нами теплопередачи в гелии-II в капилляре была произведена измерением его теплопроводности не в трубочке, а в свободном объеме. Таким путем мы мерили теплопроводность в условиях, когда исключалась возможность переноса тепла движением пленки. В этих опытах, например, бралась стеклянная трубка с нагревателем и термометром внутри. Она свободно подвешивалась в гелии-II на очень тонких проводниках. Пленки гелия-II от холодных частей к более теплым могли, очевидно, проползти только по этим проводникам, но так как эти проводники имеют очень малую поверхность, то только очень малая часть тепла могла быть перенесена движением пленки по их поверхности. Поэтому главная часть тепла должна была проходить через массу самого жидкого гелия. Меряя в этих опытах теплопроводность свободного гелия, как и следовало ожидать согласно нашей картине, мы получаем для нее нормальное значение, т. е. она оказывается не больше, чем у гелия-I, т. е. примерно в 100000 раз меньше, чем у меди[ 5 ]. На этом я позволю себе закончить описание наших опытов с жидким гелием.

Мне хочется еще раз оговорить, что я их описал очень схематично, рассказывая вам только о том, что могло проиллюстрировать ход развития нашей мысли. Но мне кажется, что даже из этого, весьма общего, описания можно вынести некоторую картину развития изучения этого интересного вопроса современной физики. Вы видели, как замеченное противоречие одновременного существования в жидком гелии большой теплопроводности и малой вязкости привело к опытам, которые обнаружили, что эта вязкость не только мала, но практически неощутима, и мы предположили, что гелий-II «сверхтекуч», а его теплопроводность — конвекционная. Такая картина опять завела в тупик, так как она все же недостаточна, чтобы объяснить большую теплопроводность гелия-II. Чтобы выйти из тупика, нужно было обнаружить движение гелия в капилляре. Рядом экспериментов, на описании которых я остановился более подробно, это удалось сделать. На основании полученной картины движения, чтобы объяснить большую теплопроводность гелия, мы выдвинули предположение о разности тепловых функций гелия в тонких слоях и в свободном состоянии. Гипотеза оказалась плодотворной, и на основании ее удалось предсказать, что теплопроводность гелия в свободном состоянии при отсутствии поверхностных явлений не обнаруживает аномалий.

Но я ввел бы вас в заблуждение, если бы вы заключили из всего сказанного, что проблемы жидкого гелия полностью решены и вопрос исчерпан. Дальнейший анализ вскрывает еще много противоречий и неясностей в этих проблемах, и впереди еще много интересной работы. Подробный разбор этих вопросов завел бы нас очень далеко, но я укажу хотя бы на некоторые из них.

Пограничные слои, играющие, как мы видели, такую важную роль в явлениях жидкого гелия-II, выдвигают ряд проблем для исследования. Например, далеко не ясен вопрос о механизме течения гелия в тонких пленках по поверхности и о возможных скоростях этого течения. Поверхностный слой жидкого гелия-II, участвующий в противотоке, казалось бы, следовало считать, по ряду общих теоретических соображений, очень тонким, но тогда оказывается, что скорости этого течения были бы очень велики: порядка 200 м/сек. Более подробный анализ показывает, что нет никаких физических законов, препятствующих принципиальному существованию таких больших скоростей в тонкой пленке, но в то же время признать их существование мы сможем только после того, как подтвердим наличие этой скорости экспериментально.

Неясен еще такой вопрос: есть ли «сверхтекучесть» только свойство гелия-II в его поверхностных слоях или это есть свойство всей массы гелия. Анализ экспериментальных данных не дает до сих пор однозначный ответ на этот вопрос, а, наоборот, ведет к ряду интересных противоречий, подлежащих опытному изучению.

Можно указать целый ряд еще не решенных вопросов.

Но уже сейчас интересно обсудить, какое возможное значение для развития современной теоретической физики могут иметь уже полученные данные. Как мы уже указывали, в сверхтекучести гелия-II мы имеем явление, чрезвычайно похожее на сверхпроводимость. В обоих случаях при температуре вблизи абсолютного нуля, где можно ждать проявления квантовой природы явлений, процесс течения как электричества, так и самой материи начинает происходить без потерь. Было бы неожиданно, если бы оба эти явления не определялись одной теорией, пока еще непонятной особой стороной квантовых процессов в конденсированном состоянии.

В сверхпроводимости мы имеем случай, когда носители электричества — электроны — могут без трения течь через кристаллическую решетку. В процессе сверхтекучести мы имеем атомы, которые могут организованно двигаться относительно друг друга тоже без трения. Теоретики ищут те квантовые соотношения, которые объясняют возможность такого движения без трения, и естественно думать, что им удастся более легко решить задачу, изучая взаимодействие электронов с атомами, образующими кристаллическую решетку металла.

На этом можно было бы и кончить изложение наших работ, если бы совсем неожиданно для меня не была предложена одна идея практического применения большой текучести жидкого гелия. Я хочу вам рассказать о ней не потому, что я уверен в ее практическом осуществлении, а только чтобы проиллюстрировать, что всякое обнаруженное в природе явление неизбежно открывает новые возможности, которые так или иначе всегда будут использованы в нашей жизни. Эти применения могут быть совсем неожиданными и относятся к областям, от которых сам исследователь очень далек и о которых он не осведомлен и не мог думать, когда вел свои работы. Смелая идея применения жидкого гелия была мне высказана проф. Л. Г. Лойцянским. Его идея пока очень далека от осуществления и может вызвать еще целый ряд возражений, но столь интересна, что о ней следует рассказать.

Дело касается испытания крыльев и фюзеляжа аэропланов на обтекаемость. Сейчас инженерам приходится пользоваться очень большими и дорогими аэродинамическими трубами, где аэропланы испытывают в натуральную величину. Как известно, нельзя применять уменьшенные модели аэропланов, ибо теория подобия, на которой основывается экспериментирование на моделях, здесь полностью не применима. При уменьшении масштабов в аэродинамических трубах требуется такое же уменьшение так называемой кинематической вязкости окружающей среды. Эта кинематическая вязкость есть частное от деления вязкости на плотность среды. Чтобы уменьшить ее, пытались поднимать давление воздуха в аэродинамических трубах, так как при этом плотность воздуха увеличивалась, вязкость оставалась неизменной, и, следовательно, кинематическая вязкость уменьшалась. Это оказалось очень дорого и сложно.

Интересно, что кинематическая вязкость почти для всех текучих сред оказывается больше или мало отличается от кинематической вязкости воздуха. Исключение одно — это жидкий гелий. Предложение проф. Л. Г. Лойцянского и сводится к тому, чтобы изучать аэродинамические свойства моделей самолетов в потоке жидкого гелия. Теоретически идея правильная, экспериментально смелая, и возможно, что ей принадлежит будущее. Во всяком случае до ее практического осуществления надо еще много поработать как над свойствами самого жидкого гелия, так и над техникой осуществления этого эксперимента.

В данный момент для нас интересна неожиданность этой возможности применения нового явления.

Я не сомневаюсь, что в дальнейшем их будет найдено еще много, столь же неожиданных и не менее многообещающих. Но не надо ждать, что их будет давать сам исследователь. Эти идеи должны быть и будут появляться как результат сотрудничества и интереса к взаимной работе людей с творческим воображением, работающих над развитием самых разнообразных отраслей нашей жизни. Поднять интерес к науке и сделать ее достоянием, более доступным для большего круга работников нашей страны, — необходимое условие для наиболее быстрого использования новых завоеваний науки. Наука для своего внедрения тоже требует пропаганды. У нас в стране с этой задачей лучше всего должна была бы справиться Академия наук.

Примечания:

1

Буквально Дэви сказал: «One good experiment is worth more than the ingenuity of a brain like Newton's» (1799).

2

Квантовая теория сверхпроводимости была построена лишь в 1957 г. Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шрифером

3

Подробно экспериментальные работы изложены в следующих работах: ДАН СССР 18, 21 (1938); ЖЭТФ 11, № 1, 1 (1941); 11, № 6, 581 (1941)

4

Выдвинутое на основе описанных экспериментов представление о течении гелия в одном физическом состоянии внутри жидкости навстречу тонкой пленке жидкости, находящейся в другом физическом состоянии, послужило основанием для построения Л. Д. Ландау квантовой теории сверхтекучести. Согласно этой теории жидкий гелий представляет собой как бы смесь двух жидкостей (двух компонент), находящихся в различных квантовых состояниях. Квантовая теория позволила объяснить, что наблюдаемые на опыте противотоки есть встречное движение во всем объеме жидкости этих двух компонент.

5

Наши дальнейшие исследования теплопередачи от нагретого тела в свободный гелий-II показали, что все теплосопротивление в этом случае сосредоточено в чрезвычайно тонком пристенном слое. В этом слое возникает скачок температуры, величина которого растет с понижением температуры обратно пропорционально третьей степени температуры. Это явление сильно затрудняет проведение физических исследований при температурах много ниже 1° К.