Например, представьте себе, что каждый атом есть магнитная стрелка, как оно в действительности и есть. Предположим, что эти магнитные диполи имеют самое разнообразное направление. Пускай при этом они находятся в температурном покое, т.е. не колеблются. С нашей, физической точки зрения это не будет состоянием полного порядка. Такое тело не будет находиться при абсолютном нуле, потому что абсолютным нулем с нашей точки зрения является не отсутствие движения, а состояние полного порядка. Таким образом, современное понятие абсолютного нуля не есть понятие абсолютного покоя, наоборот, при абсолютном нуле может быть движение - и оно есть, но это есть состояние полного порядка. А температурные свойства определяют степень беспорядочности состояния тела.

Если же у нас есть одно состояние, более упорядоченное, чем другое, то упорядоченное состояние имеет другую энергию, чем беспорядочное. Для того чтобы перевести тело из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное, надо сообщить телу некоторую энергию. Но эта энергия вовсе не должна быть с нашей точки зрения тепловой энергией колебания атомов. Она может быть гораздо шире - это может быть беспорядок гораздо больший, чем движение отдельных атомов. Этот беспорядок может заключаться, например, в том, что в одной части кристаллической решетки атомы находятся в более плотном состоянии, а в другой - в менее плотном, т.е. по атомной постройке проходит звуковая волна. Каждый атом может мало отличаться от ближайшего соседа и не двигаться по отношению к ближайшим атомам, но если могут существовать такие флуктуации плотности даже однородного тела, то это также должно рассматриваться как состояние неполного порядка, т.е. тело не находится при абсолютном нуле.

Таким образом, изучение тел при низких температурах представляет тот интерес, что, постепенно охлаждая тело, мы можем его приводить в состояние большего и большего порядка. Хаотическое движение атомов в газе мы можем привести в более упорядоченное состояние, свойственное, например, кристаллической решетке, когда каждый атом находится в определенном месте и только колеблется. Затем, когда и эти колебания прекращаются, весь кристалл в целом может колебаться, могут происходить флуктуации его плотности. Потом и они пропадают. Остаются магнитные моменты отдельных атомов, которые не в одну сторону ориентированы. Продолжая понижать температуру, мы изменяем и магнитные свойства вещества. Затем вступили бы в дело магнитные моменты ядер атомов - это должно произойти при температурах совсем низких. И если мы просмотрим весь диапазон явлений при низких температурах - магнитных, ядерных и прочих, - мы увидим, что здесь действительно гораздо большее разнообразие явлений, чем при высоких температурах, где мы можем наблюдать только следствия диссоциации и ионизации атомов. Все разнообразие явлений, которые имеют место при низких температурах, дает значительно более широкое понятие о природе вещества, чем то, что можно наблюдать при высоких температурах. В этом и есть основной интерес изучения поведения вещества при низких температурах.

Если мы хотим познать свойства вещества, а это и есть основная задача физика, то надо изучать это вещество в состоянии порядка, т.е. при температурах, гораздо ближе подходящих к абсолютному нулю. Эту же мысль можно показать несколько иначе. Если мы, например, понизили температуру в два раза, мы можем сказать, что мы и состояние вещества, грубо говоря, упорядочили в два раза. Понизим температуру еще в два раза - еще вдвое увеличился порядок. Но, следуя таким путем, мы никогда не достигнем абсолютного нуля, мы можем только к нему приблизиться. От 4 К мы перейдем к 2 К, от 2 К к 1 К, затем к 1/2 К и т.д. Но эта шкала температур будет такой же бесконечной, как ряд простых чисел. И такой отрезок этой шкалы, как от комнатной температуры до 0,03 К, будет эквивалентен уменьшению температуры в 10 000 раз. Между тем разница между комнатной температурой и наиболее возможной высокой не больше чем в 100 раз.

Переход к жидкому гелию эквивалентен переходу к температуре Солнца. А так как нам практически удается достигать сотых долей абсолютного градуса, то это значит, что та шкала температур, которой мы владеем в наших криогенных лабораториях, значительно больше и, естественно, дает большее разнообразие явлений. Отсюда и тот интерес к изучению жидкого гелия и его свойств, к которым со все большим вниманием относится современная наука.

Самое красивое явление

Жидкий гелий был получен сравнительно недавно - лет 35 назад. Заслуга его первоначального изучения принадлежит одной лаборатории в Голландии, руководитель которой Камерлинг-Оннес его впервые ожижил. Основная трудность исследования жидкого гелия была в том, что вообще считалось, что гелия в природе очень мало. В воздухе, например, он присутствует в ничтожном проценте, и его трудно было добывать. Американцы первые нашли, что, оказывается, природного гелия довольно много в подземных газах, где количество его доходит до 1-1.5%. Это открыло источник получения гелия в больших количествах, и сразу работа с ним в значительной мере упростилась. Теперь уже существует ряд лабораторий, которые делают опыты с жидким гелием, исследуют свойства вещества при той низкой температуре, которую он создает.
В самой начальной стадии изучения гелия был обнаружен целый ряд явлений, которые по своему характеру нельзя было даже предвидеть. Наиболее красивое из всех явлений такого рода - сверхпроводимость. Камерлинг-Оннес открыл ее совершенно случайно: он мерил сопротивление свинцовой проволоки и вдруг заметил, что в ней пропадает сопротивление. С понижением температуры сопротивление электрическому току вообще-то понижается, но, чтобы оно уменьшилось до нуля, - это было весьма удивительно. Еще удивительнее было то, что ток, пущенный по замкнутому проводнику, при температуре сверхпроводимости не пропадал. Были поставлены исключительно тщательные эксперименты: опыт продолжался в продолжение недели, совершенство экспериментальной методики доходило до того, что можно было обнаружить ничтожнейшие изменения тока, - и никаких изменений обнаружено не было... Поэтому с полной достоверностью можно сказать, что при температуре жидкого гелия в свинце и в ряде других металлов появляется состояние, при котором ток может течь без всякого сопротивления.

При дальнейшем изучении поведения вещества при температуре жидкого гелия был обнаружен ряд других фактов, которые были менее неожиданными, например обращение теплоемкости вещества почти в нуль. Был обнаружен целый ряд магнитных свойств вещества, но сравнительно недавно было обращено внимание на поразительные свойства самого гелия. Гелием пользовались как охлаждающей средой, но свойства самого гелия представляют, как оказалось, не менее интересную область для исследований, чем свойства тех веществ, которые находятся в гелии при этих низких температурах.

Дело в том, что если "откачивать" испаряющийся гелий, т.е. понижать давление над жидкостью, то постепенно температура его кипения понижается. Таким образом, удается достигнуть температуры примерно 1 К. При этом происходит любопытное изменение состояния самого гелия. При температуре ожижения 4 К он представляет собой жидкость малого удельного веса, раз в пять легче воды, очень прозрачную, с очень малым коэффициентом преломления, вследствие чего его трудно видеть: нужно приноравливаться, чтобы заметить, наполнен ли сосуд жидким гелием или нет. Когда на жидкий гелий смотрят, на него падает свет и он непременно будет кипеть. То количество света, которое проходит через прозрачный дьюаровский сосуд и падает на него, сообщает ему достаточное тепло, чтобы привести его в состояние кипения. Но при дальнейшем понижении температуры все эти явления внешне пропадают. Поверхность гелия становится гладкой, как зеркало. Его еще труднее заметить, потому что по пузырькам вы его видите лучше. Это явление заметил еще Камерлинг-Оннес, но стал его изучать Кеезом лет десять тому назад. Его поразило, что пропадает кипение, и он стал изучать тепловые свойства гелия.

Кеезом, в частности, решил выяснить, какова в гелии теплопроводность. Он взял капилляр, в одном месте его поставил термометр, в другом нагреватель и смотрел, как тепло распространяется в капилляре. Капилляр был очень тоненький. Техника эксперимента очень трудна, потому что приходится работать с вакуумными сосудами, причем один из них погружен в другой, так как малейший доступ тепла уже способен вызвать кипение и нарушить все тепловые явления. О трудностях экспериментальной техники я не имею возможности рассказать. Так вот, обнаружилась потрясающая вещь: оказалось, что жидкий гелий обладает чрезвычайной теплопроводностью. Теплопроводность меди и серебра мала по сравнению с теплопроводностью, которая наблюдалась там. Это было очень удивительно.