Жидкий гелий способен течь так, будто трения для него не существует. Он просачивается через мельчайшие щели и даже образует плёнку, которая ползёт по стенке сосуда. Именно объяснение этого почти неправдоподобного поведения принесло Льву Ландау Нобелевскую премию.
Но формулировка награды была шире. За одним странным веществом стоял новый способ описывать целые коллективы частиц — и этот язык оказался полезен далеко за пределами криогенной лаборатории.
2. Жидкость, которая нарушала привычные правила
При обычной температуре гелий — газ. Если охладить изотоп гелий-4 примерно до 4,2 кельвина, он становится жидкостью, а ниже приблизительно 2,17 кельвина переходит в особое состояние. Часть его свойств уже нельзя объяснить как поведение множества независимых атомов.
Экспериментаторы увидели необычайно лёгкое течение через узкие каналы, очень высокую теплопроводность и другие эффекты. Советский физик Пётр Капица в 1938 году назвал явление сверхтекучестью. Опыт показывал, что происходит нечто реальное, но одного яркого названия было недостаточно: требовалась теория.
Трудность состояла в том, что взаимодействующих атомов было огромное количество. Проследить за каждым невозможно даже в принципе. Ландау предложил смотреть не на отдельные атомы, а на коллективные возбуждения жидкости — примерно как мы описываем волну на стадионе, не вычисляя движение каждого зрителя по отдельности.
3. Как Ландау превратил множество атомов в понятную картину?
В 1941 году Ландау построил теорию квантовой жидкости. Он ввёл удобное представление о квазичастицах: это не самостоятельные крупицы вещества, а коллективные возмущения, которые ведут себя в расчётах как частицы. Для жидкого гелия важны, в частности, фононы — кванты звуковых колебаний — и возбуждения, получившие название ротонов.
Из допустимого набора таких возбуждений следовал критерий: при достаточно медленном движении жидкость не может легко рассеять энергию на возбуждения. Значит, сопротивление потоку резко уменьшается. Так сверхтекучесть получила не только описание, но и физическую причину.
Ландау не утверждал, будто вязкость вещества при любых условиях буквально равна нулю и любые потери невозможны. Реальная картина зависит от скорости потока, геометрии сосуда, температуры и появления квантованных вихрей.
4. Почему премию дали не только «за гелий»?
В решении Нобелевского комитета 1962 года говорилось о новаторских теориях конденсированного состояния вещества, особенно жидкого гелия. Конденсированное состояние — это область физики, изучающая свойства твёрдых тел и жидкостей, где частицы тесно взаимодействуют друг с другом.
К тому времени вклад Ландау включал гораздо больше одной задачи. Его идеи вошли в теорию фазовых переходов, магнетизма, плазмы, сверхпроводимости и поведения электронов в металлах. Представление о квазичастицах стало одним из главных рабочих инструментов физики многих тел.
Особое место занимает теория ферми-жидкости. Она объясняет, почему электроны в некоторых веществах, несмотря на сильное взаимное влияние, могут описываться через «переодетые» взаимодействием квазичастицы.
На церемонию в Стокгольм Ландау не приехал. В январе 1962 года он попал в тяжёлую автомобильную аварию. Нобелевскую награду ему вручили позднее в Москве, а к полноценной исследовательской работе учёный уже не вернулся.
5. Что говорит наука
Подтверждено экспериментами, что гелий-4 ниже лямбда-точки переходит в сверхтекучее состояние. Измерения теплопереноса, течения через капилляры, спектра возбуждений и квантованных вихрей согласуются с квантовой природой явления. Нобелевский фонд прямо связывает премию Ландау с его теорией жидкого гелия и более общими работами по конденсированному состоянию.
Наиболее успешное объяснение использует коллективное квантовое поведение вещества. Теория Ландау была феноменологической: она строилась от наблюдаемых свойств и общих принципов, не выводя каждую деталь непосредственно из сил между атомами. Позднейшие микроскопические подходы уточнили картину, но не отменили её ключевого языка.
Предметом исследований остаются сверхтекучие фазы других систем: гелия-3, ультрахолодных атомных газов и нейтронного вещества в звёздах. Там механизмы различаются, поэтому переносить объяснение гелия-4 на любую «жидкость без трения» без оговорок нельзя.
6. Так за что наградили Ландау?
Короткий ответ: за теорию, объяснившую сверхтекучесть жидкого гелия. Более точный — за новый способ понимать вещество, в котором огромное число частиц действует согласованно и рождает свойства, отсутствующие у каждой частицы по отдельности.
Ландау дал физикам язык, на котором до сих пор обсуждают коллективные квантовые явления.
Если вам интересны истории идей, изменивших науку, предложите в комментариях следующего героя.
