Корреспондент радио уже сказал, что жидкости при низких температурах хранятся в дьюарах. Но все-таки это непросто термосы шаровидной формы. Обычный четырехцилиндровый дьюар состоит из двух пар спаянных стеклянных цилиндров. В цилиндры заливают жидкий гелий, в пространстве между ними — жидкий азот, его температура — минус 196 градусов. Азот защищает гелий, от постороннего тепла, но недостаточно надежно.
Сверху стенки дьюара приходится еще и серебрить. Оставляют только узкую смотровую щель, чтобы вести наблюдения. Но все равно жидкий гелий испаряется слишком быстро. Гораздо быстрей, чем нужно было Капице для эксперимента.
Попробовали изменить объем цилиндров. Но в маленький цилиндр вмещалось слишком мало гелия, а в большом слишком увеличивалась поверхность испарений. Институтский стеклодув Александр Васильевич Петушков предложил сделать дьюар шаровым.
В Музее восточных культур, в витринах антикварных магазинов всегда выставлено огромное количество шаров, вырезанных из кости. Откуда их столько — непонятно. Шары вырезают так, что внутри самого большого перекатывается несколько мал мала меньше. Матрешки из слоновой кости — странная нелепость, но говорят, будто над одним таким шаром-матрешкой мастер работает десятилетиями. По непонятному недоразумению шары эти до сих пор считаются произведениями искусства, не иначе как для поощрения прилежания и усидчивости. Может, это и разумно. Но как вдуть в один четыре стеклянных шара?
При изготовлении дьюаров допуски определяются долями миллиметра, и самые обычные четырехцилиндровые дыоары, «похожие на термосы», — вершина стеклодувного мастерства.
Петушков начал с самого большого шара. Сделал. Дал ему остыть. Со вторым, который поменьше, было трудней.
В узкую горловину только что остывшего большого шара Петушков внес на конце стеклодувной трубки комок раскаленного стекла. Нужно было быть очень осторожным. Чуть что — и слипнутся стенки, а замешкаешься — стекло остынет и затвердеет, не успев принять нужных размеров. В такой работе нет измерительных приборов, только легкие. Дыхание измеряется микронами.
Но вот второй шар лег в первый. Потом третий. Внутрь третьего — четвертый.
Петушков сделал для Капицы три уникальных дьюара. Они похожи на большие елочные шары. У человека, незнакомого со стеклодувным мастерством и не работающего в лаборатории, они не вызовут симфонии чувств. Просто веселые зеркальные шары. Один такой шар стоит в кабинете Петра Леонидовича на книжном шкафу рядом с терракотовой Нефертити и макетом лунника.
Низкая температура сжижения гелия объясняется тем, что силы сцепления между его атомами так ничтожны, что даже самого слабого теплового движения достаточно, чтобы помешать им объединиться в жидкость. Именно поэтому жидкий гелий самая холодная и еще самая упрямая жидкость. Сколько его не морозили при обычном давлении, он не превращался ни в лед, ни в снег, как другие газы, кислород или водород, например. Зато, понижая температуру жидкого гелия, обнаруживаются удивительные свойства.
Было замечено, что если налить жидкий гелий в сосуд, разделенный перегородкой на две части, то два разных уровня сами собой уравняются. Жидкий гелий тонкой пленкой перебирался из одного сосуда в другой. Толщина такой пленки составляет миллионную часть дюйма, а скорость движения достигает 30 сантиметров в секунду.
Жидкий гелий — прозрачная и легко подвижная жидкость. На всю глубину в ней просматриваются мелкие пузырьки. Но как только температуру жидкого гелия понижают до -271°, с ним происходит нечто абсолютно неожиданное. Гелий вдруг делается совершенно прозрачным и спокойным. В нем нет пузырьков, как в газированной воде, и, по мнению доктора физико-математических наук Шальникова, специалиста по жидкому гелию, при таких температурах он выглядит совсем как «мертвая вода из волшебной сказки». Согласно более сухой терминологии, говорят, что при температуре –271°С жидкий гелий испытывает фазовый переход второго порядка, превращаясь из гелия-I в гелий-II. Мы уже говорили об этом.
Первые указания на удивительное свойство гелия пришли в 1935 году из лаборатории Камерлинга-Онесса. Доктор Кеезом вместе со своей сестрой мисс Кеезом открыли, что Не-II очень хорошо проводит тепло. Экспериментируя с капиллярной трубкой, наполненной Не-II, они обнаружили, что Не-II проводил тепло в 200 раз быстрее, чем медь.
Это явление очень заинтересовало Капицу. Почему тепло так быстро передается в Не-II? Капица предположил, что быстрая теплопередача в Не-II связана не с удивительной теплопроводимостью, а с движением самой жидкости. Если это так, то Не-II должен иметь очень низкую вязкость. Иначе не сходятся концы. Тут все просто. И не требуется никакого математического аппарата. Пугаться не нужно.
Если теплопроводность можно рассматривать как способность атомов передавать свои колебания друг другу (чем значительней это свойство, тем значительней теплопроводность), то при увеличении теплопроводности естественно ожидать увеличения вязкости, верно ведь — у нефти большая вязкость, чем у водопроводной воды, но никак не наоборот.
Из самых повседневных наблюдений ясно, что вязкость вещества тем больше, чем лучше распространяется в нем тепло. Это действительно так. Можно остановиться и подумать.
Получается, что гелий вроде бы исключение. А почему?
Трудно поверить, что ни один ученый до Капицы не сталкивался с этим противоречием. Вполне возможно, многие сталкивались, но проходили мимо. Так было, так будет. Есть противоречия, на них случайно обращают внимание и закономерно проходят мимо. Капица остановился.
Первые же подсчеты показали, что вязкость гелия-II должна быть значительно меньше той, которая была измерена канадцами. Но это теоретически. А практически малую вязкость попробуй измерь.
Капица пропускал Не-II между двумя полированными кварцевыми дисками с зазором в полмикрона. И вот тут-то выяснилось, что Не-I едва протекает в такую щель, а Не-II протекает почти мгновенно. Капица пришел к удивительному заключению, что вязкость Не-II составляет одну десятитысячную вязкости водорода (сравнивать с водой не стоит потому, что слишком много нулей). На основе этих измерений Капица предположил, что Не-II вообще не имеет вязкости, и ввел в физику новое явление, которое назвал сверхтекучестью.
Не без гордости рассказывал Капица на общем собрании Академии наук:
«Нам удалось построить вискозиметр (прибор для измерения вязкости) с очень узкой щелью, всего в полмикрона, через которую протекал гелий. Поставив опыт таким образом, можно было в значительной мере избежать вредного влияния вихрей, и тогда удалось показать, что наблюдаемая вязкость гелия-II была по крайней мере в тысячу раз меньше прежде определяемой».
Было замечено, что при течении сквозь узкую щель гелий ведет себя так, как будто его вязкость равна нулю, хотя в других экспериментах обнаруживает вязкость. Действительно, странное вещество.
Капица проделал такой опыт. Он приготовил сосуд с подвижной вертушкой, помещенной так, что поток жидкого гелия, вытекающий из сосуда, должен был отклонять вертушку. Сосуд был наполнен жидким гелием и помещен в гелиевую ванну.
Гелий в самом сосуде Капица нагревал лучом света, направляя его на зачерненную поверхность сосуда, совсем так же, как мальчишки в солнечные дни пускают зайчиков.
Вертушка стала поворачиваться. Значит, из сосуда вытекал гелий. Но удивительное дело — уровень в сосуде не уменьшался! Гелий вытекал, а сосуд оставался полным. Попробуйте поверить, что может быть такое. Мистика.
Работа эта чисто экспериментальная, выполнена в излюбленной капицинской манере. Рассказать о ней более подробно затруднительно. Тут уместней всего привести слова Капицы о том, что оценить методику работы, технику опыта, точность измерений для человека, не работающего в лаборатории и к тому же в данной области, очень трудно. Он говорит: «...так же трудно, как человеку, любящему и понимающему музыку, но не музыканту, оценить технику исполнения музыкального произведения, хотя это ни в коей мере не мешает ему наслаждаться музыкой, любить ее и интересоваться ею».
Добавить комментарий