Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики

В одном из опытов в сосуд, где находился гелий-II, помещалась миниатюрная стеклянная колбочка с небольшой нагревательной спиралью. Стоило включить ток и немедленно возникал поток гелия из узкого отверстия колбочки. Струя гелия без труда могла быть обнаружена по отклонению легкого крылышка, подвешенного на ее пути перед отверстием колбочки. Но вот что было странным — гелий интенсивно вытекал из колбочки, а все попытки обнаружить обратный приток ни к чему не приводили!

Многочисленные опыты, поставленные П. Л. Капицей с целью обнаружить обратный приток гелия в колбочку, оказались безуспешными. Думая, что гелий втекает в колбочку по стенкам ее узкой части, П. Л. Капица решил уменьшить ширину отверстия в узкой части настолько, чтобы обратный поток вдоль стенок уже никак не мог бы ускользнуть от регистрации. Но и при ширине щели всего в 0,14 микрона никакого встречного потока заметить не удалось. Выходило так, что гелий непрерывно вытекает из колбочки и не втекает в нее!

Исчерпывающее объяснение этого парадокса было дано академиком Львом Давыдовичем Ландау, построившим теорию сверхтекучести.

Оказалось, что при T =2,19° К часть обычного жидкого гелия-I превращается в необычный гелий-II, полностью лишенный вязкости и поэтому способный свободно перемещаться в гелии-I, совершенно не взаимодействуя с ним.

При дальнейшем понижении температуры доля гелия-II возрастает, но и гелий-I все еще остается в этой удивительной смеси. Он может полностью исчезнуть лишь при абсолютном нуле, которые как известно, недостижим.

Таким образом, при температурах ниже 2,19° жидкий гелии является смесью двух разных сортов — гелия-I, обладающего обычной вязкостью, и гелия-II, совершенно лишенного вязкости и поэтому сверхтекучего.

Посмотрим теперь, как же обстоит дело с последним экспериментом академика П. Л. Капицы. Так как гелий-II не испытывает трения ни о стенки колбочки, ни о гелий-I, находящийся в том же сосуде, он беспрепятственно втекает внутрь колбочки и никакие механические эффекты не могут обнаружить его поступление. Попав в колбу и нагревшись выше 2,19° К, гелий-II превращается в гелий-I и устремляется наружу, оказывая своей струей заметное давление на легкое крылышко, помещенное вблизи отверстия колбочки. Таким образом, через отверстие колбочки одновременно проходят два потока — гелий-II втекает внутрь, гелий-I вытекает наряжу. Они проходят друг сквозь друга совершенно не взаимодействуя, полностью не замечая присутствия другого потока, как если бы его вообще не было.

Свойства гелия-II оказались настолько неожиданными и странными, что в одном из своих докладов П. Л. Капица вынужден был заметить следующее: «Если бы это теоретическое положение не было так полно подкреплено экспериментальными доказательствами, оно звучало бы как идея, которую очень трудно признать разумной». Действительно, вряд ли кто-либо из крупных физиков мог поверить в существование сверхтекучей жидкости до того, как она была открыта.

Теория Л. Д. Ландау предсказала также, что в гелии-II наряду с обычными звуковыми волнами могут распространиться особые тепловые волны с существенно иной скоростью. Эти волны были названы «вторым звуком». Строгая теория «второго звука» была построена членом-корреспондентом АН СССР Е. М. Лифшицем, а вскоре после этого «второй звук» был обнаружен в экспериментах, выполненных профессором В. П. Пешковым.

Ценный вклад в теорию сверхтекучести внесли также работы академика Н. Н. Боголюбова.

Природный гелий имеет два стабильных изотопа: у одного из них масса равна четырем, у другого — трем единицам. Согласно квантовой механике эти два сорта гелия должны подчиняться разным статистическим закономерностям: гелий-IV — статистике Бозе — Эйнштейна, гелий-III — статистике Ферми — Дирака. Последняя запрещает переход гелия-III в сверхтекучее состояние даже при абсолютном нуле. Этим, в частности, можно воспользоваться для весьма эффективного разделения изотопов гелия. Исследования различных изотопических эффектов в жидком гелии были выполнены — академиком АН УССР Б. Г. Лазаревым, профессорами Б. П. Пешковым и И. М. Халатниковым.

С первых лет научной деятельности академик Сергей Иванович Вавилов заинтересовался явлением фотолюминесценции, изучение которой он не прекращал до конца своей жизни. Люминесценция (или, как ее иногда не совсем верно называют, холодное свечение тел) состоит в том, что под действием света некоторые твердые, жидкие или газообразные вещества испускают характерное для них излучение, называемое излучением люминесценции. При люминесценции происходит поглощение возбуждающего света и испускание света люминесценции, состав которого отличен от поглощенного. Изменение света свидетельствует о наиболее тесном взаимодействия между светом и веществом, благодаря чему изучение люминесценции позволяет раскрыть наиболее тонкие свойства и света и вещества.