Лев Ландау - Майя Бессараб Страница 21

Эксперименты доказали, что никакой тепловой жидкости не существует, а тепло есть движение частиц жидкости. Оказывается, что в гелии сохранилось кое-что от теплорода, кое-что, конечно, в очень своеобразном смысле. Именно в обыкновенной жидкости тепло непосредственно связано со всей жидкостью, точнее говоря, со всей массой жидкости.

Иначе обстоит дело в жидком гелии. Там оказывается, что тепло связано не со всей массой жидкости, а только с ее частью, причем меньшей частью, то есть если говорить как бы о тепловой жидкости, то в обыкновенных жидкостях тепловая жидкость — это вся жидкость, в жидком же гелии тепловая жидкость — это часть жидкости. Чем меньшая часть, тем ниже температура.

Эта часть получила название нормальной массы гелия. ‹…› При температуре 2,19 градуса Кельвина происходит переход от гелия II к гелию I. Выше этой температуры вся масса гелия — это нормальная масса. Ниже этой температуры — часть гелия, которая не связана с теплом. И чем ниже температура, тем меньшая часть гелия связана с теплом. При абсолютном нуле весь гелий никак с теплом не связан.

Из существования таких двух масс гелия — массы нормальной и остальной массы, которая получила название массы сверхтекучести, следует другое, не менее на первый взгляд чудовищное утверждение, что гелий способен одновременно к двум движениям. Имея две массы, хотя в одном и том же месте, в одном и том же объеме, гелий может совершать одновременно два различных движения одновременно в одной точке жидкости. В то время как обычная жидкость в одной точке имеет одну определенную скорость, гелий в одной точке имеет две скорости, совершенно различные. Одна из скоростей называется скоростью нормального движения, другая — скоростью сверхтекучего движения.

Теория показывает, что оба эти движения должны обладать существенно различными свойствами.

Нормальное движение, связанное с теплом, является нормальным во всех смыслах. Именно оно обладает всеми свойствами всякого нормального движения, в частности оно связано с вязкостью. Наоборот, сверхтекучее движение не связано с теплом, не связано ни с какой вязкостью.

На первый взгляд такая концепция имеет характер почти абсурда. Может показаться, что это довольно бессмысленное рассуждение, которое если и объясняет что-нибудь, то чисто словесным образом, без всякого реального результата. Однако это не так. Теория не только объяснила те явления, о которых я говорил, но и предсказала ряд явлений, которые в дальнейшем были обнаружены экспериментами. Больше того, те два движения, о которых я вам сказал и существование которых производит такое дикое впечатление, может быть непосредственно наблюдено на экспериментах.

Это может быть сделано следующим образом. Представьте себе, что цилиндрический сосуд с гелием начинает вращаться, причем вращаться очень медленно, что жидкость должна увлекаться при своем движении стенками сосуда. Так как жидкий гелий способен к двум движениям и его масса состоит из двух масс, то увлекаться будет только одна из них, именно нормальная масса гелия. Сверхтекучее движение, не будучи связано ни с какой вязкостью, не будет ни в каком взаимодействии со стенками сосуда и увлекаться не будет. При вращении гелия будет вращаться часть гелия, между тем как при вращении любой другой жидкости будет вращаться вся жидкость.

Эти замечательные результаты были обнаружены докторантом Элевтером Андроникашвили, который непосредственно проделал, я бы не сказал, эти, но аналогичные опыты, отличающиеся от изложенного опыта только деталями. При этом эксперименте оказалось, что выше 2,19 градуса гелий увлекается весь, ниже этой температуры гелий увлекается тем меньшим количеством, чем ниже температура. Таким образом, Андроникашвили имел возможность непосредственно измерить, какая часть массы гелия является нормальной и какая часть массы гелия является сверхтекучей.

Сверхтекучее движение не есть теоретическая функция, а это есть вообще реально наблюдающееся при эксперименте явление.

Количественно полученные результаты тоже оказались в прекрасном согласии с теорией. Таким образом, эксперимент Андроникашвили наглядно показал, что заложенная в теории жидкого гелия основа, несмотря на свою странность, отвечает реальной действительности. Легко также видеть, что с помощью этих теоретических представлений действительно объясняются те кажущиеся противоречивыми явления, которые наблюдаются в жидком гелии.

Возьмем этот удивительный эксперимент Капицы с вытекающей струей жидкого гелия. С точки зрения теории сверхтекучести ясно, в чем тут дело. Нагревание жидкого гелия происходит необычным образом. Обычным образом тепло переходит от молекулы к молекуле, без всякого движения в целом. В жидком гелии под влиянием нагревания возникают одновременно два движения: тепло скапливается слева, потом движется слева направо вместе с нормальным движением.

Сверхтекучее же движение, наоборот, движется в противоположную сторону, так что полное количество гелия в бульбочке, естественно, установилось неизменно.

В жидком гелии, в котором распространяется тепло, имеется два встречных потока: поток нормальный и поток сверхтекучий, движущийся в противоположную сторону. Сверхтекучий поток благодаря отсутствию вязкости никак не действует на погруженные в него предметы. Нормальный поток вследствие вязкости действует на погруженные предметы. Поэтому крылышко, погруженное в гелий, чувствуя струю вытекающего гелия, колеблется, но оно совершенно не чувствует струи втекающего гелия.

Этим же обстоятельством объясняется и грандиозная теплопроводность гелия — способность к передаче громадного количества тепла.

В обыкновенной жидкости, где тепло передается молекулярным движением — от молекулы к молекуле, тепло передается медленно. В жидком гелии тепло буквально течет слева направо. Таким образом, может быть передано огромное количество тепла.

Наличием обоих течений объясняется и другое парадоксальное обстоятельство, о котором я говорил, именно то, что гелий обладает одновременно двумя вязкостями, в зависимости от того, каким способом эти вязкости измеряются. Когда гелий вытекает через щель, то, естественно, происходит сверхтекучее течение, не связанное с какой-либо вязкостью. Поэтому никакой вязкости мы при этом не наблюдаем.

Наоборот, когда в гелии движется тело, то это тело, естественно, взаимодействует не только со сверхтекучей, но и с нормальной частью, откуда и наблюдается вязкость. Этим объясняется и другое обстоятельство, а именно знаменитый гелиево-термический эффект — то, что гелий охлаждается в том сосуде, куда втекает через тонкие щели, и нагревается в том сосуде, откуда вытекает. При сверхтекучем движении гелий вытекает без всякого тепла. В том сосуде, куда он втекает, одно и то же количество тепла, а гелия становится больше. Соответственно гелий в этом сосуде охлаждается. Наоборот, в том сосуде, откуда гелий вытекал, гелия становилось меньше, а тепла оставалось столько же. Естественно, что гелий нагревался. Естественно, что все основные явления, которые наблюдаются в гелии, находят себе теоретическое объяснение.

Кроме этих явлений, теорией было предсказано еще одно явление, также в дальнейшем открытое в эксперименте. Именно в жидком гелии, в отличие от обыкновенной жидкости, могут распространяться два разных звука. Звук — это колебание плотности жидкости. В вязкой жидкости могут происходить такие колебания, которые распространяются с определенной скоростью. Такие колебания могут распространяться в гелии I со скоростью 250 метров в секунду. С такой же скоростью звук может распространяться в гелии П.