4.7

В 1941 году Лев Давыдович Ландау соз­дал теорию сверхтекучести гелия-II. Теория эта базируется на представлении о том, что вблизи абсолютного нуля состояние всякого тела можно описать с помощью «газа квази­частиц». Это я мог вычитать из вузовского курса физики. Но мне хотелось послушать специалиста-теоретика, узнать подробности решения. Как он объяснит сверхтекучесть.

Разговор с теоретиком

Утром Теоретик принимал экзамен у ас­пирантов. Домой пришел не в четыре, как обещал, а в пять.

— Посмотри, на кого ты похож! — ска­зала жена Теоретика.

« Ладно, — сказал Теоретик.

Теоретику — тридцать пять. Он доктор физико-математических наук, ученик Лан­дау. Наши общие знакомые долго уговарива­ли его объяснить мне сверхтекучесть. Нако­нец он согласился. Мне передали, он сказал: «Ладно, я буду отвечать, если он будет за­давать мне глупые вопросы».

Надо отметить, что все теоретики школы Ландау отличаются заботливой вежливо­стью ко всем нефизикам и даже к физикам, но другой школы.

Чтобы я не очень стеснялся, Теоретик, усевшись с ногами на тахту, похвастался, что готов объяснить эту фундаментальную сверхтекучесть любому школьнику, причем во время объяснения не напишет ни одной формулы.

— Тут ведь какая вещь... — закуривая сигарету, начал он. — Аппарат на уровне гидродинамики. Глупости. Но вот положения, которые привели к объяснению явления, действительно очень глубокие. Метод описа­ния простой: две жидкости. Одна сверхтеку­чая, другая обычная... Нормальное вязкое движение гелия, это ж как движение газа элементарного возбуждения относительно са­мого гелия... Понятно?

Чтоб не прерывать ход его мыслей, Я смалодушничал, сказал: «Понятно». Теоре­тик кивнул:

— В этом смысле вообще-то гелий, ко­нечно, не есть сумма двух жидкостей. Он же сделан не из сверхтекучей и обычной жидкости, верно?

Тут он замолчал надолго. 

— Пожалуй, нужно написать одну формулку...

Я обрадовался, что зазнайство наказано.

— Или буду говорить много слов, — не сдавался Теоретик, — фононы, элементарные возбуждения...

Когда мы прощались, он сказал:

— Все это просто, как апельсин. Вот ес­ли бы вы попросили объяснить сверхтеку­честь кого-нибудь из боголюбовских учени­ков, — это да. Вот там было бы гораздо со­лидней.

Теоретик зажмурился, начал тихо-тихо хихикать:

— Там были бы функции корреляций, ой...

Я не знаю, что такое функции корреля­ций. Я не стал спрашивать. И не пожалел. С какой стати физику дома после службы говорить о физике? Это тяжелая работа уже хотя бы потому, что ее не объяснишь каж­дому.

И все-таки как объяснить природу жидкого гелия, пусть на пальцах, только верно?

Согласно законам классической механи­ки все тела по приближении к абсолютному нулю должны отвердевать: атомы занимают фиксированные положения.

Все вещества затвердевают раньше, чем начинают проявляться их квантовые свойст­ва, свойства отдельных атомов и молекул. Исключением является гелий. Гелий стано­вится квантовым веществом до отвердева­ния. Благодаря жидкому гелию природа смогла доставить физикам удовольствие изу­чать квантовую жидкость.

Согласно этой теории, созданной Ландау, гелий-II может одновременно находиться в двух движениях, о чем и пытался рассказать без формул Теоретик, к которому я пришел домой. Утверждение о наличии двух движе­ний, по мнению приверженцев классики, про­тиворечит здравому смыслу, но его нужно принять хотя бы потому, что без него ясней не будет. Дело в том, что в случае дви­жения обычной жидкости, воды например, можно дать полное описание движения, измеряя распределение скоростей в потоке.

В случае жидкого гелия одного направле­ния недостаточно. Эта ситуация изображает­ся с помощью аналогии, названной двух-компонентной моделью. По этой модели ге­лий-II состоит из двух жидкостей, и они могут двигаться одна сквозь другую без трения.

На самом деле, конечно, есть только одна жидкость. Двухкомпонентная модель — ана­логия.

Два типа движения в Не-II имеют абсо­лютно различные свойства. Одна из компо­нент движется так, будто у нее нет вяз­кости. Ландау назвал ее сверхтекучей ком­понентой, а другая компонента движется, как обычная вязкая жидкость, она была наз­вана нормальной. Нормальная компонента переносит тепло, в то время как сверхтеку­чее движение не сопровождается теплопере­дачей. В некотором смысле допустимо ска­зать, что нормальная компонента и есть сама теплота. Это достаточно строго.

Получается, что теплота приобретает в Не-II нечто вроде независимости. Она отде­ляется от вещества. Она как бы сама по себе.

Такие представления слишком отличают­ся от обычных представлений о теплоте как о хаотическом движении атомов, неотдели­мых от всей массы, вещества. Но что делать — эти представления, какими бы нелепыми они ни выглядели на первый взгляд, объясняют результаты экспериментов с жидким гелием. Уже хотя бы поэтому их нужно принять.

Что же происходит в опыте с вертуш­кой, когда гелий, вытекая из сосуда, вра­щает вертушку, а уровень в сосуде не ме­няется?

Согласно теории, вытекает из сосуда и вращает вертушку нормальная компонента, но сосуд остается полным потому, что в это же время в него вливается сверхтекучая ком­понента.

Для того чтобы подтвердить это объяс­нение, в 1940 году Капица провел экспери­мент, считающийся одним из самых элегант­ных экспериментов современной физики.