§ 124. Сверхтекучесть

Мы уже упоминали о том, что жидкий гелий представляет собой исключительный по своим свойствам физический объект — «квантовую жидкость», свойства которой не могут быть поняты на основании представлений классической механики. Это проявляется уже в том факте, что гелий остается жидким при всех температурах вплоть до абсолютного нуля (§ 72).

Гелий переходит в жидкое состояние при 4,2е К. При температуре же около 2,2° К гелий, оставаясь жидким, претерпевает еще одно превращение — фазовый переход второго рода (см. § 74). Жидкий гелий при температурах выше точки превращения получил название гелия I, а ниже — гелия II. Описываемыми ниже свойствами обладает гелий П.

Одно из этик свойств состоит в огромной скорости теплопередачи в жидком гелии. Разность температур между концами заполненного гелием капилляра выравнивается чрезвычайно быстро, так что гелий II оказывается как бы наилучшим из известных нам проводников тепла. Это свойство, кстати, объясняет изменение, бросающееся в глаза при визуальном наблюдении превращения гелия I в гелии II: поверхность непрерывно кипящей жидкости при достижении точки перехода внезапно становится совершенно спокойной и гладкой. Причина состоит в том, что благодаря очень быстрому отводу тепла от стенок сосуда на них не образуются характерные для кипения пузырьки пара и гелий II испаряется только со своей открытой поверхности.

Основным, первичным, свойством жидкого гелия является, однако, другое его свойство — так Называемая сверхтекучесть, открытая П. Л. Капицей. Речь идет о вязкости жидкого гелия.

Вязкость жидкости может измеряться по скорости ее протекания через тонкие капилляры. Но в данном случае такой способ непригоден и требуется метод, допускающий протекание большего количества жидкости, чем пропускает тонкий капилляр. Это достигается в опыте, в котором гелий II протекает по очень узкой (около 0,5 мкм) щели между двумя шлифованными стеклянными дисками (рис. 5). Однако и в этих условиях у жидкого гелия не удается обнаружить никакой вязкости, что свидетельствует о ее точном равенстве нулю. Об отсутствии вязкости у гелия II и говорят как о его сверхтекучести.

Со сверхтекучестью гелия II непосредственно связано также явление образования им «ползущей пленки». Уровни жидкого гелия, налитого в два разделенных перегородкой сосуда, с течением времени самопроизвольно выравниваются. Это перетекание происходит по тонкой (толщиной в несколько сотен ангстрем) пленке, образуемой жидким гелием на стенках; пленка играет при этом роль сифона (рис. 6). Сам по себе факт образования пленки не является

особым свойством, присущим только гелию II. Пленки образуются всякой жидкостью, смачивающей твердую поверхность. В обычных жидкостях, однако, образование пленки и ее распространение по поверхности происходят чрезвычайно медленно из-за вязкости жидкости. Образование же и движение пленки у гелия II происходят быстро в силу его сверхтекучести. Скорость ползущей пленки достигает десятков сантиметров в секунду.

Мы говорили выше о вязкости гелия, измеренной по скорости протекания жидкости по тонкой щели. Но вязкость

жидкости можно измерять и другим способом. Если подвешенный в жидкости диск (или цилиндр) совершает крутильные колебания вокруг своей оси, то мерой вязкости служит испытываемое диском трение, приводящее к торможению его колебаний. Оказывается, что при таких измерениях гелий 11 обнаруживает хотя и небольшую, но отнюдь не равную нулю вязкость (порядка Ю-5 пуаз).

Теория, объясняющая эти парадоксальные свойства жидкого гелия (она была дана Л. Д. Ландау) не может быть изложена здесь, до изложения основ квантовой механики. Мы опишем, однако, ту физическую картину, к которой приводит эта теория.

Обычно представляется само собой разумеющимся, что для описания движения жидкости вполне достаточно указать ее скорость в каждом месте потока. Но уже это положение оказывается несправедливым для движения той квантовой жидкости, которой является гелий II.

Оказывается, что гелий II может совершать два движения одновременно, так что для описания его течения необходимо указать в каждой точке потока значения не одной, а сразу двух скоростей. Для наглядности представим себе, что гелий II является смесью двух жидкостей, двух компонент, которые могут двигаться независимо «друг через друга», не испытывая при этом никакого взаимного трения. Но в действительности все же жидкость всего одна, и необхо-

димо подчеркнуть, что эта «двухжидкостная» модель гелияII является не более как удобным способом описания происходящих в нем явлений. Как и всякое описание квантовых явлений в классических терминах, оно не вполне адекватно,— естественная ситуация, если вспомнить, что наши наглядные представления являются отражением того, с чем мы сталкиваемся в обыденной жизни, между тем как квантовые явления проявляются обычно лишь в недоступном нашему непосредственному восприятию микромире.

Каждое из двух одновременно происходящих в жидком гелии движений связано с перемещением определенной массы жидкости. В этом смысле можно говорить о плотностях обеих «компонент» гелия II, хотя снова надо подчеркнуть, что такая терминология ни в коем случае не означает реального разделения атомов вещества на две категории. Каждое из двух движений является коллективным свойством большого числа одних и тех же атомов жидкости.

Оба движения совершенно различны по своим свойствам. Одно из них происходит так, как если бы соответствующая «компонента» жидкости не обладала никакой вязкостью; эта компонента называется сверхтекучей. Другая же компонента, называемая нормальной, движется как обычная вязкая жидкость.

Этим не исчерпывается различие между двумя видами движения в гелии II. Важнейшее различие заключается также в том, что нормальная компонента переносит при своем движении тепло; сверхтекучее же движение вообще не сопровождается каким бы то ни было переносом теплоты. В известном смысле можно сказать, что нормальная компонента — это и есть само тепло, которое становится в жидком гелии самостоятельным, отрываясь от общей массы жидкости и как бы приобретая способность перемещаться относительно некоторого «фона», находящегося при абсолютном нуле температуры. Эта картина радикально отличается от обычного, классического, представления о тепле как о хаотическом движении атомов, неотделимом от всей массы вещества.

Эти представления сразу позволяют объяснить основные результаты описанных экспериментов. Прежде всего устраняется противоречие между измерениями вязкости жидкости по трению, испытываемому вращающимся диском, и по протеканию жидкости через щель. В первом случае диск тормозится потому, что, вращаясь в жидком гелии, он испытывает трение о его «нормальную» часть, и по существу измеряется вязкость именно этой компоненты. Во втором же случае через щель протекает сверхтекучая часть гелия, а обладающая вязкостью нормальная компонента задерживается щелью, «просачиваясь» через нее весьма медленно; таким образом, в этом опыте обнаруживается отсутствие вязкости у сверхтекучей компоненты.

Но поскольку сверхтекучее движение не переносит тепла, то при вытекании гелия через щель как бы отфильтровывается жидкость без тепла, а тепло остается в сосуде. В идеальном предельном случае достаточно тонкой щели вытекающая жидкость должна была бы находиться при абсолютном нуле. В реальном же опыте она имеет хотя и не равную нулю, но более низкую, чем в сосуде, температуру. Так, при продавливании гелия II через пористый фильтр удается достичь понижения температуры гелия на 0,3—0,4°; при температурах, составляющих всего 1—2° К, это — большая величина.

Столь же естественно объясняется огромная скорость теплопередачи в гелии II. Вместо медленного процесса молекулярного переноса энергии в обычной теплопроводности здесь мы имеем дело с быстрым процессом переноса тепла потоком нормальной компоненты жидкости. Связь процесса теплопередачи в гелии II с возникновением движения в нем наглядно демонстрируется опытом, идея которого состоит в следующем. Перед отверстием сосудика, наполненного жидким гелием (и погруженного в жидкий гелий), устанавливается легкое крылышко (рис. 7). При нагревании гелия в сосудике крылышко отклоняется. Это явление объясняется тем, что тепло выходит из сосудика в виде струи вязкой нормальной компоненты, которая и отклоняет стоящее перед отверстием крылышко. Навстречу же этой струе втекает поток сверхтекучей компоненты, так что реальное количество жидкости в сосудике не меняется, он остается полным. Не обладая вязкостью, сверхтекучая компонента не сдвигает обтекаемое ею крылышко.

Наличие двух «компонент» гелия II непосредственно выявляется в опыте, идея которого заключается в том, что при вращении цилиндрического сосуда с жидким гелием

должна увлекаться лишь часть его массы — его «нормальна я» часть, испытывающая трение о поверхность стенок; «сверхтекучая» же часть должна оставаться в покое (в ре-? алыюм опыте вращение сосуда заменяется крутильными ко-: лебаниями стопки большого числа тонких дисков, чем увеличивается илощадь поверхности, увлекающей с собой жидкость).

При температурах выше точки перехода (гелий I) жидкость целиком находится в нормальном состоянии и целиком увлекается вращающимися стенками. В точке перехода впервые возникает качественно новое свойство жидкости — впервые появляется сверхтекучая компонента; в этом состо1 ит природа фазового перехода второго рода в жидком гелии. По мере дальнейшего понижения температуры доля сверхтекучей компоненты становится все больше, и при абсолютном нуле жидкость должна стать целиком сверхтекучей. На рис. 8 изображен вид температурной зависимости отношения плотности р„ нормальной компоненты жидкого гелия к полной плотности жидкости р (сумма плотностей нормальной рл и сверхтекучей о, компонент, разумеется, всегда равна полной плотности р).

Наконец, остановимся еще на одном явлении в жидком гелии, связанном с распространением в нем звуковых волн. Как известно, звуковые волны в обычной жидкости представляют собой распространяющийся вдоль жидкости процесс периодических сжатий и разрежений. Каждая частица жидкости совершает при этом колебательное движение, двигаясь с периодически меняющейся  скоростью окаю среднего

положения равновесия. Но в гелии II могут происходить одновременно два различных движения с различными скоростями. В связи с этим возникают две существенно различные возможности для движения в звуковой волне. Если обе компоненты жидкости совершают колебательное движение в одном и том же направлении, двигаясь как бы вместе, то мы будем иметь звуковую волну того же характера, что и в обычной жидкости.

Но обе компоненты могут совершать колебания и во взаимно противоположных направлениях, двигаясь навстречу «друг сквозь друга», так что количества массы, переносимой в том и другом направлениях, почти взаимно компенсируются. В такой волне — о ней говорят как о волне второго звука — почти не будет происходить сжатий и разрежений жидкости как таковой. Но зато в жидкости будут происходить периодические колебания температуры, поскольку взаимные колебания нормальной и сверхтекучей компонент, по существу, представляют собой колебания тепла относительно «сверхтекучего фона». Таким образом, волна второго звука представляет собой как бы «тепловую волну»; естественно поэтому, что для создания такой волны надо пользоваться источником в виде нагревателя с периодически меняющейся температурой.

Мы говорили здесь все время просто о жидком гелии. Необходимо уточнить, что все сказанное относится к одному из изотопов гелия — обычному изотопу Не4. Наряду с ним существует и другой, редкий изотоп — Не3. Методами ядерной физики оказывается возможным получить этот изотоп в количествах, достаточных для его сжижения и экспериментирования с ним. Это тоже «квантовая жидкость», но жидкость с совершенно иными свойствами ( и, в частности, не сверхтекучая). Хотя химически оба изотопа гелия совершенно тождественны, но между ними имеется чрезвычайно важное отличие, связанное с тем, что ядра атомов Не4 состоят из четного, а ядра Не3— из нечетного числа частиц (протонов и нейтронов). Это отличие и приводит к тому, что квантовые свойства обоих веществ совершенно различны, и с этим же связано и различие в физических свойствах соответствующих жидкостей.