Представьте жидкость, которая ползёт вверх по стенке сосуда и вытекает наружу сама. Не кипит, не испаряется, а словно забывает привычные правила трения. Именно с таким поведением гелия столкнулся Пётр Капица — и за странностью разглядел новое состояние вещества.
2. Холоднее космоса
Гелий становится жидким лишь при температуре около минус 269 градусов Цельсия. Это всего несколько градусов выше абсолютного нуля — предела, при котором тепловое движение частиц было бы минимально возможным. Получать и удерживать такой холод в 1930-е годы было отдельным инженерным подвигом.
Капица умел строить установки не хуже, чем ставить опыты. В Кембридже он разработал оборудование для сильных магнитных полей и низких температур, а затем продолжил работу в Москве, в созданном для него Институте физических проблем. Для исследований требовался постоянный поток жидкого гелия, поэтому надёжная установка для его сжижения была не вспомогательной деталью, а ключом от двери в неизвестную физику.
При охлаждении ниже примерно 2,17 кельвина жидкий гелий-4 резко меняется. Эту температуру называют лямбда-точкой: график теплоёмкости около неё похож на греческую букву λ. Ни кристалла, ни обычного газа не возникает — жидкость остаётся жидкостью, но переходит в особое квантовое состояние.
3. Опыт с узкой щелью
Обычная жидкость сопротивляется течению. Мёд течёт медленнее воды, потому что его вязкость выше. Капица исследовал, как жидкий гелий проходит через очень узкие зазоры, и обнаружил: ниже лямбда-точки его движение почти не встречает внутреннего трения.
В 1938 году Капица опубликовал короткую работу и назвал новое свойство сверхтекучестью. Почти одновременно Джон Аллен и Дон Мизенер в Кембридже сообщили о близких результатах. В истории науки бывает и так: задача созрела настолько, что к одному открытию подходят сразу несколько лабораторий.
Но «нулевая вязкость» — удобное, хотя не исчерпывающее объяснение. Сверхтекучий гелий способен просачиваться через мельчайшие капилляры, образовывать тончайшую плёнку на стенках и поддерживать необычные устойчивые вихри. Если раскрутить обычную чашку воды, вращение постепенно затихнет; в сверхтекучей жидкости квантованный вихрь может существовать чрезвычайно долго.
4. Почему жидкость ведёт себя как один объект?
В повседневном мире квантовые эффекты обычно заметны у отдельных атомов и частиц. В сверхтекучем гелии согласованно ведёт себя огромное число атомов. Поэтому физики говорят о макроскопическом квантовом состоянии: квантовая механика становится видна буквально в сосуде на лабораторном столе.
Лев Ландау предложил теорию, объяснившую движение и возбуждения такой жидкости. Удобная модель рассматривает гелий как смесь двух взаимопроникающих компонентов: обычного, несущего тепло и обладающего вязкостью, и сверхтекучего, движущегося без вязкости. Это не два слоя и не две разные жидкости, которые можно разлить по стаканам, а два способа коллективного движения одной системы.
Отсюда возникает ещё один удивительный эффект — «второй звук». В обычном воздухе звук является волной давления. В жидком гелии может распространяться волна температуры и соотношения двух компонентов. Природа будто добавила к знакомой акустике ещё один канал связи.
5. Что говорит наука
Подтверждено экспериментами: ниже лямбда-точки гелий-4 переходит в сверхтекучую фазу с крайне малой вязкостью, высокой теплопроводностью и квантованными вихрями. Нобелевский комитет отмечал, что Капица в 1938 году показал необычайную подвижность He II и ввёл представление о сверхтекучести. В 1978 году ему присудили половину Нобелевской премии по физике за фундаментальные изобретения и открытия в физике низких температур.
Наиболее принятое объяснение связывает явление с коллективным квантовым поведением атомов гелия-4. Однако говорить, что это просто идеальный конденсат Бозе — Эйнштейна, было бы слишком грубо: атомы гелия сильно взаимодействуют друг с другом, поэтому теория сложнее школьной картинки с невзаимодействующими частицами.
Важно и другое: Капица не в одиночку «объяснил всё». Он экспериментально обнаружил и точно описал ключевое свойство, а теоретическую картину развивали Ландау и другие физики. Современная наука о квантовых жидкостях выросла из соединения этих работ.
6. Открытие, которое не вытекало само собой
Так как же Капица открыл сверхтекучесть? Не одним эффектным трюком, а сочетанием инженерного мастерства, точного опыта и готовности поверить показаниям прибора, когда жидкость вела себя «неправильно». Он создал условия, в которых квантовый мир стал виден без микроскопа.
Жидкий гелий и сегодня напоминает: привычные свойства вещества не высечены в камне. Иногда достаточно охладить материю почти до абсолютного нуля — и трение, кажущееся неизбежным, перестаёт быть главным правилом.
Подписывайтесь — впереди ещё немало опытов, в которых природа удивляет лучше любого фокусника.
