Распространение тепловых волн оказалось исключительно быстрым как раз там, где, казалось, меньше всего можно было бы ждать теплового движения. Кеезом нашел, что жидкий гелий сверхтеплопроводен. Мы заинтересовались этим явлением. Нам показалось, что, может быть, это ошибка. Но я повторил опыты Кеезома и получил еще большие значения теплопроводности, чем сам Кеезом. Можно было показать, что такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. А скорость звука в гелии известна - она равна 250 м/с. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение. И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, т.е. передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально - конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим. Были сделаны эксперименты измерения вязкости - величины, обратной текучести. Чтобы гелий был сверхтекучим, необходимо, чтобы его вязкость была мала. Для того чтобы измерить такую малую вязкость, нужно было придумать исключительно тщательную технику эксперимента. Оказалось, что нужно пропускать гелий не в капилляре, а через щель, ширина которой равна долям микрона. Если бы гелий легко протекал через такую щель, он был бы сверхтекучим. Оказалось, что через эти тонкие щели гелий протекает так же легко, как и через большие отверстия. Есть формула Бернулли, в которую не входит вязкость, применимая к идеальной жидкости. Гелий оказался такой идеальной жидкостью. Можно было обнаружить только предел вязкости 10-11 П. Если вязкость воды равняется 10-2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода. И при этом наши измерения были лишь техническим пределом, за которым гелий мог быть еще менее вязким. Казалось бы, установив сверхтекучесть гелия, можно было таким образом объяснить все явления конвекции. Но на самом деле оказалось, что на этом только начинаются, а не кончаются все интересные свойства гелия. Выяснилось, что то объяснение, которое мною было дано, из которого я исходил, было неправильным. В действительности вязкость гелия мала, но этого все-таки недостаточно, чтобы объяснить его высокую теплопроводность конвекционным механизмом. Те силы, которые приводят в действие конвекционные потоки, - силы тяжести недостаточны, чтобы объяснить эту теплопроводность. В горизонтальном капилляре теплопроводность наблюдается в такой же степени, как и в вертикальном. Я сделал капилляр, который вращался, - явление оказалось одинаковым во всех положениях капилляра. Надо было искать что-то другое. И тут ключ к объяснению дальнейшего дало открытие, сделанное английскими физиками в Мондовской лаборатории, директором которой я был прежде, - Алленом и Джонсом. Они нашли другое явление в гелии, тоже очень интересное. Они нашли, что если бульбочку наполнить наждаком, опустить в гелий и осветить светом, то гелий начинает фонтанировать. Появляется фонтан до 20 см высотой. То есть под влиянием света и тепла в гелии возникают какие-то силы, которые заставляют его очень энергично течь. Мы стали изучать эти силы. Была взята маленькая колбочка с нагревателем; она была помещена в гелий и обнаружилось, что при нагревании гелия в колбочке поток жидкости вырывался наружу, в окружающий гелий. Если перед выходом колбочки подвесить маленькую заслонку, то ее отбрасывает в сторону, т.е. жидкость на нее оказывает давление. Из сосудика вырывается сильный поток. Но спрашивается: если из него течет поток и если он не становится при этом пустым, то каким образом он снова наполняется гелием? Тогда нужно было сделать следующий опыт: посмотреть, равно ли действие противодействию. Было испытано действие струи на колбочку и оказалось, что действие равно противодействию. Можно было думать, что как-то со стороны вливается гелий. Этого не оказалось. Таким образом, мы имели интересное явление: струя вырывается, но количество гелия не изменяется. Объяснение этому явлению я дам несколько позже, а прежде расскажу о нескольких других опытах. Если мы имеем вырывающуюся струю, то мы можем эту струю перевести в работу, в энергию. Мы сделали приборчик наподобие сегнерова колеса с несколькими ножками, исходящими из общего объема, и затем нагревали внутреннюю часть этого сосудика пучком света. Такой "паучок" пришел в движение. Таким образом тепло переводилось в движение. Но если тепло можно перевести в движение, то, казалось бы, и наоборот, движение в гелии можно перевести в тепло. Для того, чтобы посмотреть, насколько обратимо это явление, было сделано два сообщающихся сосуда, причем в одном гелий был выше, чем в другом, - мы дали ему перетекать. Оказывается, при этом установилась разность температур. Таким образом, мы установили, что если гелий течет внутри капилляра, то от более нагретого к более холодному телу образуется поток, а при заданных уровнях в одном месте температура будет повышаться (там, куда втекает гелий) и в другом - откуда он вытекает - понижаться. Насколько совершенно переходило тепло в работу? Это был следующий вопрос, который мы должны были выяснить. Оказалось, что преобразование тепла в работу происходит с коэффициентом полезного действия, равным единице, энтропия оставалась постоянной, т.е. явление было термодинамически обратимым. Следовательно, мы приходим к интересному методу получения низких температур: мы можем перекачивать гелий через очень тонкий капилляр и получать понижение температуры. Теоретически, как я дальше скажу, мы можем получать температуру сколько угодно низкую, близкую к абсолютному нулю (без возможности когда бы то ни было достигнуть его). Технические трудности здесь большие, может быть, они значительно уменьшат наши возможности. Но это феноменологическая сторона явления. Беспорядочность состояния гелия Как же теоретически объяснить, что гелий может вытекать из сосуда, не втекая в него, образуя такую бездонную бочку? Как теоретически можно себе представить, что при разности температур тепло обратимо переходит в движение? Первую идею в этом направлении дал французский физик Тисса. Его идея была высказана в небольшой статье. Разработал до деталей теорию Ландау. Идея заключается в следующем. |
