книги / Ниже 120 по Кельвину

ства. На панелях, омываемых жидким гелием и жид­ ким азотом (кр'ионаеоса'х), замерзают почти все молеку­ лы, из которых состоит воздух, образуются высокий ва­

ских кораблей от Солнца. Испытания в термобарокаме­ рах дали возможность существенно поднять надежность работы космической техники. Вот размеры одной из ка­ мер имитации космического пространства в Хьюстоне (США) — Центре пилотируемых космических полетов: диаметр более 18 м, высота 36 м.

Крионасосы используются в опытных термоядерных' установках, в высокоскоростных аэродинамических тру­ бах, на предприятиях электронной промышленности.

Рассмотренные выше машины и приборы, охлаждае­ мые жидким гелием, работают на температурном уров­ не 4,2 К- Большой вклад в исследование более низких температур внесли выдающиеся советские ученые П. Л. Капица и Л. Д. Ландау.

ЛЕВ ДАВИДОВИЧ ЛАНДАУ

В1908 г. в семье известного бакинского инженеранефтяника Давида Львовича Ландау родился мальчик, которого мама ласково звала Леванькой. Малыш вскоре обнаружил недюжинные способности. Так, в четыре с половиной года Леванька с увлечением решал сложные арифметические задачи.

Вшкольном сочинении он написал о Татьяне Лари­ ной — «довольно скучная особа», за что получил единицу. «Разве нельзя свое суждение иметь?» — возразил уче­ ник. Уже в 13 лет вундеркинд получил аттестат зрело­

сти, самостоятельно овладел дифференциальным исчис­ лением, чуть позже научился брать интегралы. Четыр­ надцатилетний студент Лев Ландау — самый молодой в Бакинском университете. К всеобщему удивлению, он успевает учиться одновременно и на физико-математиче­ ском, и на химическом факультетах. Университетское образование Л. Д. Ландау заканчивает в Ленинграде. Трудился по 14—15 ч в сутки, стал внештатным, а затем и штатным аспирантом знаменитого Ленинградского физико-технического института, который возглавлял академик А. Ф. Иоффе.

В 2о лет аспирант Лев Ландау выступает на VI съез­

де физиков с докладом «Основы квантовой физики» — его труды помогли мучительному становлению нового важнейшего направления физики, столь непривычного в то время для многих ученых.

В 1929 г. Наркомат просвещения посылает молодого ученого в заграничную командировку в Германию, Швейцарию, Данию, Голландию, Англию. Своей буду­ щей жене Лев Давидович позже говорил: «За грани­ цей я шоколада не ел, хотя очень его люблю... Я был в командировке на деньги Советского государства и не мог их тратить на шоколад».

Молодой ученый встречался с Альбертом Эйнштей­ ном, Максом Борном, Вольфгангом Паули, Вернером Гейзенбергом и другими корифеями физики. А в Копен­ гагене Нильс Бор встретил юного посланца Страны Со­ ветов словами: «Хорошо, что вы 'Приехали. Мы от вас многому научимся». Лев Давидович был польщен, но вскоре узнал: патриарх физики так встречал всех, кто приезжал к нему. В данном случае эти слова не оказа­ лись дежурной фразой вежливости — Ландау стал лю­ бимым учеником Н. Бора.

В Англии, в Кавендишской лаборатории, Л. Д. Лан­ дау познакомился с другим стажером из Советского Союза — П. Л. Капицей. Завязалась дружба на всю жизнь.

Взгляды Дау — так звали его коллеги — были ради­ кальны. Он ненавидел напыщенных, чванливых. Мог сказать в лицо: «Вы мало работаете». В самую черную пору отечественной истории его арестовали. Академик П. Л. Капица написал письмо И. В. Сталину. В нем есть такие строки: «...Нет сомнения, что утрата Ландау как ученого для нашего института, как для советской, так и для мировой науки не пройдет незаметно и будет сильно чувствоваться.

...Но я очень прошу Вас, ввиду его исключительной талантливости, дать соответствующее указание, чтобы к его делу отнеслись очень внимательно. Он задира и забияка, любит искать у других ошибки и когда нахо­ дит их, в особенности у важных старцев, вроде наших академиков, то начинает непочтительно дразнить. Этим он нажил себе много врагов». Это письмо осталось без ответа. П. Л. Капица вновь пишет письмо — теперь В. М. Молотову: «...я должен прямо сказать, что не могу поверить, что Ландау — государственный преступник.

162

Вот уже год по неизвестной причине советская и вся мировая наука лишена головы Ландау».

П. Л. Капица заявил Л. П. Берии, что будет вынуж­ ден оставить руководство институтом, поручился за «врага народа», взял его на поруки. Через год акаде­ мик рекомендовал несостоявшегося «германского шпио­

акустика, гидродинамика, космические лучи, магнетизм, физика твердого тела, атомное ядро, элементарные чя стнцы, пл'азма. Фундаментальные работы а1кад©М1Ика оказали огромное воздействие на современную физику. Он умел ясно поставить проблему, отбросить все второ­

научные работы он создавал совместно с ними. Ученики обожали своего маститого учителя.

В несчастный январский день 1962 г. Л. Д. Ландау ехал из Москвы в Дубну. Водитель машины, аспирант ученого, обгонял на остановке автобус. Неожиданно из-за него выбежала маленькая девочка. Аспирант рез­ ко затормозил, но был гололед, и машину развернуло. Встречный многотонный МАЗ ударил буксировочным краном в дверь легковушки прямо в то место, где сидел академик. Травматологи утверждали, что никакой на­ дежды на спасение нет. Человек, проникший в глубо­

Нильс Бор и другие ученые присылали редкие лекарст­ ва, организовывали международный консилиум врачей

В больнице, где лежал Л. Д. Ландау, был создан «фи­ зический штаб», в котором непрерывно дежурили кол­ леги ученого. Пострадавший потерял память, первое время никого не узнавал, страдал от жесточайшей боли. Л. Д. Ландау уже не смог вернуться к физике. Он про­ сил при нем не говорить о науке: «Я отстал». Даже чи­ тать книгу он уже не мог.

В больничной палате посол Швеции от имени короля вручил Льву Давидовичу Нобелевскую премию.

В 60 лет он ушел из жизни. Современники оценили научный вклад удивительного ученого: он был Героем Социалистического Труда, лауреатам Ленинской и трех Государственных премий, членом Лондонского королев­ ского общества, почетным членом многих иностранных академий. В статье «Памяти Ландау» академик М. А.- Марков написал: «Между нами жило чудо, и мы это знали».

Расскажем только об одной работе Л. Д. Ландау — разгадке проблемы сверхтекучести гелия.

Еще Камерлинг-Оннес заметил: при температуре ни­ же 2,2 К свойства гелия резко меняются. Кипящая в криостате жидкость вдруг становилась «мертвой». Скач­ ком менялись теплоемкость, теплопроводность (увеличи­ валась более чем в 3 мл!н. раз по сравнению с обычным гелием), вязкость и другие параметры. Это было так не­ ожиданно и странно, что ученый даже не решился опуб­ ликовать результаты опытов. Гелий, нагретый выше 2,2 К, имеющий свойства обычной низкотемпературной жидкости, позже стали называть гелием-1, охлажденный ниже этой температуры — гелием-И.

диаметром тоньше человеческого волоса, через длинную щель шириной в полмикрометра. В то же время гелий-1 тек через такие щели еле заметно. Ученый назвал от­ крытое явление сверхтекучестью.

Но вот пришло сообщение об опыте канадских физи­ ков. Диск, подвешенный на упругой струне, был опущен

ставленных самим себе. Получается, что гелий-Н имеет вязкость и в то же время... не имеет ее.

А вот еще один «загадочный» опыт. В большом сосу­ де помещен маленький сосуд, в обоих гелий-Н. Стоит

164

поднять или опустить маленький сосуд относительно поверхности большого, и уровень в малом непостижи­ мым образом сравняется с уровнем в большом.

Три десятилетия сверхтекучесть гелия-II оставалась необъяснимой. Л. Д. Ландау установил: при температу­

каждому. Например, когда меняется агрегатное со­ стояние вещества, пар переходит в воду или вода в лед. Но в жидком гелии фазовый переход происходит без поглощения или выделения теплоты. Ученый разработал теорию таких переходов — фазовых переходов 2-го рода.

Гелий-Н — это уже не обычная «классическая» жид­ кость, а квантовая, подчиняющаяся особым законам микромира. Ее можно представить как две жидкости: сверхтекучую и «нормальную» — представляющую со­ бой газ квазичастиц — поглощенных квантов энергии. Чем ближе к абсолютному нулю, тем меньше поглощен­ ных квантов энергии, меньше квазичастиц, следователь­ но, больше доля сверхтекучей компоненты. Обе жидко­ сти могут двигаться друг через друга без всякого тре­ ния. И в то же время нет разделения гелия-11 на атомы двух сортов: каждое движение — это коллективное свой­

гих физиков?

Гелий-Н почти мгновенно проходит через капилляры и узкие щели, так как сверхтекучая составляющая дви­ жется без трения. В то же время «нормальная» компо­ нента имеет вязкость — просачивается медленно. Кру­ тильные колебания диска затухают в гелии-И, посколь­ ку «нормальная» составляющая имеет трение.

В другом упомянутом опыте тончайшая пленка (в 100 раз меньше 1 мкм) сверхпроводящей составляющей обволакивает стенки сосуда, и с большой скоростью ге­ лий переползает из сосуда в сосуд.

Замечательный теоретик объяснил связь между сверхтекучестью и сверхпроводимостью. Сверхпроводи­ мость — это сверхтекучесть особой жидкости: конденса

165

та электронов. Его имя навсегда вошло в одну из теорий сверхпроводимости ГЛАГ (Гинзбург — Ландау — Аб­ рикосов — Горьков).

ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ

Откачивая пары над кипящим гелием, используя все более мощные насосы, X. Камерлинг-Оннес пытался приблизиться к пределу холода. Последнюю попытку он

ле смерти X. Камерлинг-Оннеса молодой преподаватель из Канады Уильям Джиок и физик-теоретик Петер Де­ бай — в будущем лауреаты Нобелевской премии — независимо друг от друга предложили новый способ до­ стижения сверхнизких температур.

В 1933 г. в Калифорнийском университете в Беркли (США) Уильям Джиок и Мак-Дугалл поставили пер­ вые успешные опыты по «магнитному охлаждению». В качестве рабочего вещества ученые использовали суль­ фат гадолиния — парамагнитную соль /. Это вещество в форме шарика или эллипсоида подвешивалось на ма­ лотеплопроводной нити в контейнере 2. Гелий из него можно откачать через вентиль 3 (рис. 27). Контейнер с солью был окружен гелием, кипящим при пониженном давлении при температуре около 1 К. Для ограничения притока тепла извне использовались жидкий азот и вы­ сокий вакуум. Криостат 4 размещался между полюсами сильного электромагнита.

Эксперимент включал четыре стадии. В начале опы­ та в сосуде с солью находилось небольшое количество газообразного гелия, вентиль был закрыт (рнс. 27,а). Ионы охлажденной соли при этом располагались хао­ тично (более точно здесь и в дальнейшем имеются в ви­ ду спины электронов атомов соли). На второй стадии в обмотку электромагнита подавался постоянный ток, возникало магнитное поле (рис. 27, б). Ионы парамаг­ нитной соли переходили в упорядоченное состояние, рас-

166

'5

К насосу

г)

полагались в направлении магнитных силовых линии, энтропия уменьшалась. (Аналогичный процесс намагни­ чивания стали используется в любой электрической ма­ шине.) При этом была затрачена энергия, выделивше­ еся тепло газообразный гелий передал жидкому гелию, часть его испарилась, но температура осталась прежней.

На третьей стадии через вентиль был откачан газо­ образный гелий из контейнера с солью (рис. 27, в). Па­ рамагнитная соль как бы повисла в вакууме. В резуль­ тате повышалась теплоизоляция охлаждаемого веще­ ства.

На заключительной стадии магнитное поле медлен­ но выключалось (рис. 27, г). Происходило адиабатиче­ ское размагничивание парамагнитной соли. (Адиабати­ ческим называют процесс, который идет без теплообме­ на с окружающей средой.) Образно говоря, как только отпускались вожжи магнитного поля, ионы приобретали свободу и вновь могли расположиться хаотично. Но для этого нужна энергия, и так как ее взять неоткуда, она отнималась у самой соли. Ее температура понижалась настолько, что до абсолютного нуля оставалось всего полградуса.

Через три недели Уильям Джмок смог приблизиться к физическому полюсу холода еще на четверть градуса.

Насколько тонкими и филигранными были выполнен­ ные опыты, можно судить хотя бы по такому факту. Время от времени эксперименты не удавались. Почемуто это чаще случалось в дневное время. Непостижимым образом тепло проникало в парамагнитную соль. В кон­ це концов ученые заметили, что помехи усиливаются, как только рядом с криостатом включаются периодиче­ ски работающие механические насосы. Виновными в не­ удачах оказались капроновые нити, на которых была подвешена парамагнитная соль. Во время работы насо­ сы вибрировали, и того ничтожного количества тепло­ ты', которое при этом выделялось, было достаточно, что­ бы испортить эксперимент. В последующих опытах ис­ пользовали уже не нити, а жесткие опоры. (На рис. 27 показала жесткая ошора.)

Иногда используется несколько каскадов с «магнит­ ным охлаждением» различных солей с последовательно снижающимися рабочими температурами. До абсолют­ ного нуля остается «только» 0,001 градуса. С помощью метода «магнитных температур» ученые, в частности.

168

гелий-3 в гелии-4. (Впервые этот метод охлаждения был открыт Г. Лондоном в 1951 г.) В криостате растворения удается в течение длительного времени поддержать тем­ пературу, измеряемую несколькими милликельвинами.

В Советском Союзе в 1965 г. способом, предложен­ ным академиком И. Я. Померанчуком, удалось достичь температуры на 0,001 градуса выше абсолютного нуля.

К нему можно приблизиться и адиабатическим раз­ магничиванием атомных ядер. Этот метод впервые был применен в 1956 г. Он похож на описанный выше, при этом начальную температуру получают магнитным ох­ лаждением парамагнитной соли. До абсолютного нуля остается «всего лишь» несколько стотысячных градуса...

Но такую сверхнизкую температуру удается удержать лишь очень короткое время. Охлаждается только систе­ ма магнитных моментов ядер (ядерные спины), а кри­ сталлическая решетка находится при более высокой температуре.

Сверхнизкие температуры, полученные ныне в лабо­ раториях, в миллионы раз ниже существующих в приро­ де. Английский ученый Фрэнсис Симон сказал о крио-

пользуются лишь в физических и химических лаборато­ риях. Но уже появляются предложения о применении сверхнизких температур в технике. Вот одно из них: в трубопроводе, заполненном сверхтекучим гелием, раз­ местить сверхпроводящие энергетические кабели и про­ пускать по нему транспортные средства, которые будут двигаться без трения.

...В 1802 г. французский физик и химик Жозеф ГейЛюссак открыл закон теплового расширения идеально­ го газа. При постоянном давлении объем массы газа — независимо от его природы — уменьшается пропорцио­ нально снижению температуры У=Уо (1+аО (или уве­ личивается при повышении температуры). Поскольку в то время ученые еще не умели точно определять темпе­ ратуру, коэффициент а в своей формуле Гей-Люссак при­

169