Лев Давидович Ландау

Гелий в сверхтекучем состоянии состоит из двух частей, представляя собой как бы раствор одной жидкости в другой. Одна составляющая гелия - это гелий, находящийся при температуре абсолютного нуля, т.е. во вполне упорядоченном состоянии. А другая его часть - это гелий, каким он обычно бывает, когда конденсируется. С понижением температуры меняется пропорция одного гелия по отношению к другому.

Таким образом, мы имеем как бы два гелия. Одна жидкость находится энергетически на самом низком уровне, другая жидкость - в другом, нормальном энергетическом состоянии. Только два эти состояния и могут быть в гелии при этих температурах. Беспорядочность состояния гелия определяется тем, что существует постоянное перемешивание этих двух компонент. Если в одном месте увеличивается концентрация компоненты обычного гелия, а в другом будет больше сверхтекучей компоненты, то у вас моментально возникнет стремление выровнять эти компоненты, т.е. возникают какие-то термодинамические силы, которые стремятся их выровнять.

Гелия в промежуточном состоянии между этими двумя в природе не существует: либо он при абсолютном нуле, либо он в другом состоянии, нормальном. Гелий в сверхтекучем состоянии не может давить на заслонку, и вообще сверхтекучая жидкость не может производить никакого давления, так как это жидкость, вязкость которой равняется нулю, - мы ее динамическими методами обнаружить не можем. Поэтому ее втекание в колбочку остается нами незамеченным: нет таких физических методов, посредством которых мы могли бы обнаружить его втекание. А вытекающая часть - нормальный гелий. При нагревании сверхтекучая часть гелия переходит в нормальную, и внутри колбочки появляется избыточный нормальный гелий, он-то и вырывается наружу и давит на заслонку.

Такое представление дается теорией, оно математически развито в гидродинамике двух жидкостей, которые находятся в двух квантовых состояниях и могут течь навстречу друг другу, причем одна обладает нулевой энтропией и не может быть обнаружена механическим взаимодействием, а другая - это нормальная жидкость. Представление, конечно, необычное, но наблюдавшиеся явления полностью им объяснялись. Так же получалась термодинамическая обратимость этих явлений. Из нее вытекало как следствие, что, когда мы пропускаем гелий через очень тонкий канал, через него проскальзывает только сверхтекучая компонента по другую сторону щели образуется недостаток компоненты с нормальной вязкостью - появляется разность температур. Так как создать разность температур мы не можем, не создавая работы, необходимо, чтобы получилась разность давлений. Все это хорошо совпадало с теоретическими расчетами.

Вторая звуковая скорость

Но Ландау сделал еще одно заключение. Он обратил внимание на то, что, если существует смесь двух жидкостей, могут быть и две звуковые скорости. Одна звуковая скорость в нормальном гелии была известна - 250 м/с. Но должна появиться еще и другая скорость. И Ландау предсказал ее и даже вычислил, что она должна равняться 25 м/с. Мы начали искать эту вторую скорость как раз перед войной. Первую скорость нашли, а второй звуковой скорости найти не могли. И я всегда говорил Ландау: "Где же ваша вторая звуковая скорость?" Когда теоретиков раззадоришь, они начинают изучать явление более подробно.

И действительно, вскоре Ландау сказал даже, как ее надо искать. Она возбуждается не нормальным путем, не движением диафрагмы перпендикулярно, а скорее - движением вдоль, а еще лучше - тепловыми флуктуациями. Скорость звука второго порядка не так легко наблюдать, но воспитанник Московского университета Пешков придумал метод для ее наблюдения. Недавно, месяц назад, вторая скорость звука была им обнаружена в нашей лаборатории, она оказалась равной 19,6 м/с, т.е. весьма близкой к предсказанной.
Мы имеем здесь интересный пример того, как на основании теории было предсказано совершенно новое явление, неизвестное ни в одной другой жидкости, и доказано его существование. Это мне напоминает случай, когда Леверье предсказал существование планеты Нептун по возмущениям орбиты Урана, и Араго вскоре обнаружил неизвестную планету. Но планета уже существовала, нужно было только убедиться в ее присутствии. А второго звука не существовало, и в поисках его было меньше уверенности.

Всякая теория, предсказывающая новые явления, вносит, большой вклад в науку, создает направление экспериментальной работы, и я думаю, что в области жидкого гелия мы двинули теорию значительно вперед. В ближайшие недели эта работа появится в печати.

Осталось еще немало интересного

Вот примерно тот обзор явлений в жидком гелии, с которым я хотел вас сегодня ознакомить. Здесь было, конечно, много неясного и интересного, и немало еще осталось. При протекании гелия с некоторой скоростью он переходит в нормальное состояние, т.е. теряет свою сверхтекучесть. Это для нас - совершенно непонятное явление. Оно, по-видимому, как-то связано с аналогичным явлением в сверхпроводниках, когда при известном магнитном поле сверхпроводимость пропадает. Какая-то аналогия существует между этим явлением и поступательным движением жидкого гелия; можно даже вычислить критические скорости, при которых теряется его сверхтекучесть. Они получаются другого порядка, чем те, которые наблюдаются экспериментально. Работы в этом направлении были прерваны войной, и только недавно они были возобновлены.

Перед войной было начато также получение сверхнизких температур путем принуждения гелия протекать через тонкие каналы. И эти опыты были прерваны войной. Но мы надеемся, что скоро полностью вернемся к тому счастливому состоянию, которое было нарушено нашествием варваров, и сможем отдать все силы изучению новых загадок природы, которые помогут нам в значительной мере разобраться в интереснейших явлениях, происходящих вблизи абсолютного нуля.

С анализом российского рынка гелия Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков«Рынок газообразного и жидкого гелия в России».

Академик П.Л. Капица