Вблизи абсолютного нуля

«Мозг» страны сверххолода

Низкими температурами занимаются давно. Даже сверхпроводимости уже стукнуло пятьдесят лет. Вполне солидный возраст.

Ученые всего мира изучают эту таинственную область, следят за поведением веществ, попавших в опасную близость абсолютного нуля, ищут новые способы понижать, измерять и удерживать температуру.

Самый главный научный центр, где занимаются сверххолодом, находится в нашей стране.

На одной из улиц Москвы в тени деревьев стоит небольшое здание. Физики всего мира, занимающиеся сверхнизкими температурами, хорошо знают этот дом. Здесь находится Институт физических проблем Академии наук СССР, здесь работают замечательные ученые, пионеры физики сверхнизких температур.

В институте много рабочих помещений. Входишь в комнату, в каждой — разнообразные приборы, различное оборудование — как будто ничего общего. Кроме одного: везде стоят дьюары, дымится жидкий газ — азот, водород, гелий. Чаще ученые работают с жидким гелием: ведь их интересуют самые низкие температуры.

Но вот мы увидели совершенно пустую комнату. Ни одного прибора. Сидят люди за столами, пишут что-то на бумаге. Никаких опытов, никаких установок. Вроде ничего интересного. А между тем именно здесь физики-теоретики изучают чудеса сверххолода. Изучают и объясняют.

В Институте физических проблем работает замечательный советский физик академик Д. А. Ландау. Можно сказать, что он самый видный советский физик-теоретик. В 1963 году академику Ландау вручили сразу две крупнейшие премии: Ленинскую — высшую премию в нашей стране и Нобелевскую — высшую мировую премию по физике за 1962 год. Нобелевский комитет заявил, что Ландау получает премию за работы по сверхтекучести гелия.

Вот об этих работах мы и поговорим.

Но разговор придется начать издалека. Примерно с того места, где мы вообще начали рассуждения о веществе и температуре. При сверхнизких температурах происходят различные чудесные превращения. Но случайно ли это? Конечно, нет. Ученые давно предвидели, что вблизи абсолютного нуля должно начаться нечто необычайное. Предвидеть предвидели, а вот объяснили не сразу.

Любое вещество состоит из множества атомов и молекул. В том, как оно себя ведет, виноваты именно молекулы. Ведь от движения молекул зависят и температура и выбор, чем быть веществу — твердым телом, жидкостью, газом, плазмой.

При высоких температурах молекулы движутся очень быстро, взаимодействие между ними невелико, им можно пренебречь. Но чем температура тела меньше, тем большее значение приобретает именно взаимодействие частиц. Тут-то и проявляются некоторые тонкие свойства вещества. Когда молекулы движутся быстро, эти свойства остаются незамеченными. Но когда температура приближается к абсолютному нулю, нужно вспомнить, что любое вещество состоит из отдельных молекул и что молекулы и атомы живут своеобразной жизнью. Причем многое из того, что с ними происходит, случается как раз из-за взаимодействия, из-за сложной связи друг с другом.

Советский писатель Даниил Данин написал замечательную книгу о современной физике. Называется она — «Неизбежность странного мира». Данин рассказывает в своей книге о «странном мире» атомов, о каких-то, на первый взгляд, несообразных законах, которым они подчиняются. «Свод законов» для атомов называется квантовой механикой. Это уже третий в нашем рассказе. Первому подчинялись все молекулы, второму — газы. А теперь настала очередь атомов. Мир атомов, оказывается, тоже особенный мир. Скажем, частица, вырываясь из недр атома, совершает «туннельный переход». Это что-то вроде лыжника, который, вместо того чтобы перевалить через гору, странным неведомым путем оказывается на другой стороне ее, минуя вершину. Мы с вами такого чуда совершить не сможем. А для частицы это вполне доступное путешествие. Или, например, такой запрет — измерил скорость частицы, но не можешь определить, где она находится. Для обычной классической механики, к которой люди привыкли на протяжении столетий, квантовая механика кажется наукой наоборот. Но что поделаешь, такова природа микромира — «странного мира» мельчайших частиц вещества.

Чем больше энергия частиц, чем выше температура тела, тем ближе законы, определяющие их совместное поведение к обычным законам механики — науки, изучающей движение тел. А самый главный закон — основа квантовой механики и вообще квантовой теории — состоит вот в чем. Энергия, о которой мы много говорили, передается от одного тела к другому только определенными порциями — квантами. Это напоминает наши денежные расчеты. Нельзя заплатить за карандаш 3,5 копейки. Или 7 1/4 копейки. Меньше, чем копейка, меры денег у нас нет. Так и в обращении между молекулами и атомами. Они могут передавать энергию только определенными порциями. Самая маленькая порция называется квантом. Можно отдать или получить три кванта, десять квантов, тринадцать квантов. Но нельзя отдать, скажем, два с половиной Кванта.

Квантовая теория замечательно объяснила многие совершенно непонятные факты. Она изучает не только поведение отдельных частиц, но и вещества в целом. Когда атомов или молекул много, да еще температура высокая, мы не чувствуем многих тонких квантовых эффектов. Зато, когда температура понижается, их становится все больше. Вот почему при сверхнизких температурах и оказалось столько чудесного. Движутся частицы медленно, почти замерли. Уже нельзя пренебрегать их взаимодействием. Тут-то квантовые законы сильны, как нигде. Частицы объединяются, двигаются вместе. Ученые образно назвали эти объединения ансамблями. Это не молекулы и не сборища одинаковых молекул — вещество, а просто временные объединения частиц.

Много таинственного в области сверххолода разъяснилось, когда стали рассматривать поведение таких объединений. Ведь частицы объединяются не для того, чтобы просто побыть вместе. Они и так недалеко друг от друга. Ансамбль музыкантов занимается одним общим делом. Это оркестр. Так и ансамбль частиц — своеобразный «оркестр частиц». Но исполняют они самую различную «музыку». Сверхпроводимость и сверхтекучесть — свойства таких ансамблей.

Но какие же частички входят туда? Молекулы? Атомы? Или частицы помельче — части разбитых атомов? В науке существует слово «квази». Квази — это вроде, что-то напоминающее. Академик Ландау предположил, что кванты энергии, которыми обмениваются различные тела, напоминают частицы. И назвал их квази-частицами. Затем он сделал еще более интересное предположение. В каждом веществе есть свои квази-частицы. И они образуют там свое собственное объединение. Называется оно — квази-газом.

Молекулы кислорода составляют вещество — кислород. Молекулы водорода — водород. В этом самом кислороде есть и квази-частицы. Только свои, кислородные. Чем выше температура тела, тем больше в нем квази-частиц. Значит, когда вещество нагревается, у него прибывает количество квази-частиц. А когда остывает, их становится меньше. Только не подумайте, что тело при нагревании станет больше весить! Квази-частицы массой не обладают, они невесомы. Мы заметим, что их стало больше только по одному признаку: поднялась температура. Вот и все!

Между прочим, это чем-то напоминает теплород. Помните, как представляли передачу тепла средневековые ученые? От теплого тела к холодному переходит особая жидкость — теплород. Чем ее больше, тем теплее тело, тем выше его температура. А здесь роль теплорода играют квази-частицы. Но, конечно, это не значит, что наука вернулась к старой, отвергнутой теории. Квази-частицы— это развитие квантовой теории, новой передовой теории микромира. Теплород считали определенным веществом. А квази-частицы для каждого тела свои собственные. При переходе квази-частиц от тела к телу они как-то изменяются.

Когда температура тела невелика, число квази-частиц также невелико. Невелика и их энергия. Поэтому можно выяснить, как они себя будут вести, даже сделать некоторые точные подсчеты. Вот, например, как объяснили сверхтекучесть. Что такое трение жидкости о стенки сосуда? Передача энергии. Мы ведь говорили, что без трения автомобиль ездил бы по дорогам бесконечно долго. Можно выключить мотор и путешествовать в свое удовольствие. Трения нет, нет потерь энергии, значит, и бензин не надо сжигать. Когда жидкость течет по трубкам, она отдает энергию стенкам этой трубки. Значит, с точки зрения нашей теории часть квази-частиц газа уходит в стенки. Если трубка очень узкая, газ квази-частиц будет испытывать трение о стенки. В трубку он не пойдет, туда просочатся только молекулы жидкого гелия. Гелий отбросит прочь все свои квази-частицы. Тогда и трения никакого не будет, нечем передавать энергию. Но освободившись от свиты квази-частиц, гелий охладится еще больше. Не правда ли — простое объяснение! Но это все до поры до времени, как утверждает академик Ландау. Стоит только повысить температуру, скорость частиц гелия увеличится. И сразу же появятся новые квази-частицы. Тогда, конечно, вернется и трение. Так объясняют советские ученые сложное явление сверхтекучести.

Но сверхпроводимость долгое время оставалась загадкой. Вспомним, почему металлы проводники? А, скажем, дерево не проводит электрический ток. Внутри металла существует электронный газ. Иногда говорят и об электронной жидкости. Сначала ученые предположили, что сверхпроводимость просто сверхтекучесть этой самой электронной жидкости. Но это объяснение оказалось не очень убедительным. Физики произвели сложные подсчеты и выяснили, что жидкость электронная сильно отличается от других. Как бы она ни двигалась, как бы мы ее ни охлаждали, квази-частицы электронной жидкости никогда не исчезнут. Ясно, что никакой сверхтекучести тут и быть не может.

Долго ломали головы над этим тупиком. Потом вдруг появилось решение: что, если квази-частицы электронной жидкости иногда соединятся парами? Может, им так удобнее будет? Тогда они очень напомнят квази-частицы жидкого гелия, которые, оказывается, предпочитают именно парное движение. И таким образом можно объединить сверхтекучесть и сверхпроводимость.

Так и оказалось. Все идет, как обычно, пока температура сравнительно велика. (Это, конечно, с точки зрения абсолютного нуля. Какие-нибудь —250 градусов Цельсия!)

Что значит обычно? Температура падает, и сопротивление немного понижается. Но вот мы перешли границу. Повинуясь каким-то своим законам, квази-частицы электронной жидкости дружно объединились парами. Электронная жидкость мгновенно стала сверхтекучей. Теперь путь для нее в проводнике полностью свободен. Сопротивления нет. Ничто больше не мешает электрическому току. Он может идти вечно, на радость конструкторам мощных электромагнитов!

Точную теорию сверхпроводимости развил советский математик и физик — академик Николай Николаевич Боголюбов. Мы не зря сказали, что он физик и математик. Академик. Боголюбов работает, как теперь говорят, на стыке наук. Тут математика так тесно смыкается с физикой, что трудно порой определить, к какому же разделу науки относятся эти вопросы и их решения. Теория сверхпроводимости не простая: она сложна математически.

Но в двух словах можно сказать о ней так. Когда электронам металла становится «очень холодно», они начинают двигаться парами. А чтобы такие пары затормозить, надо их разорвать, разъединить, то есть совершить работу.

Сделать это в таких условиях нельзя, слишком мала температура электронной жидкости. Так и гуляют электроны парами без сопротивления.

Новая теория сверхпроводимости не только хорошо объяснила все, что до сих пор казалось непонятным и неясным. Ученые предсказали новые явления. И вскоре экспериментаторы их обнаружили. Это было блестящей победой теории. Ведь любая теория должна не только объяснять эффекты уже обнаруженные, но и предсказывать новые. Тогда она особенно ценна.