В журнале Nature вышла статья, посвященная 80 годовщине открытия явления сверхтекучести. В 1938 году явление сверхтекучести было открыто советским ученым Петром Леонидовичем Капицей, точнее открыто то оно было раньше, но было опубликовано в Nature 8 января 1938 года и, что забавно, статья длинной всего одна страница от начала и до конца, содержала в себе одну картинку и всего 2 цитирования. И что вообще поражает, что спустя 40 лет Петр Капица за эту одну страничку получил Нобелевскую премию по физике (1978). Стоит сказать, что одновременно, в этом же номере журнала вышла другая статья двух ученых из Кэмбриджа - Джона Аллана и Дона Майзенера, которая была посвящена этому явлению. При этом изначально Аллан планировал работать вместе с Капицей в Мондонской лаборатории, но в 1934 году Сталин запретил Капице покидать территорию СССР и Аллан и Майзнер были вынуждены работать отдельно. Сейчас же считается, что это общее открытие трех ученых.
Что сделали эти ученые и почему их открытие так ценится до сих пор?
Для начала стоит вернуться еще раньше, в 1908 год, когда Голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес смог достичь рекордно низкой, на тот момент, температуры: 0,9 Кельвин или -272,25 градуса Цельсия. При этом целью эксперимента было не достижение абсолютного 0 (0 К или -273,15 C), а исследование свойств веществ при сверхнизких температурах (фактически он открыл сверхпроводимость, но об этом как-нибудь в другой раз). Для достижения таких низких температур ему потребовался жидкий Гелий, который он и смог синтезировать в 1908 году - это было одним из главных его открытий, за него он был удостоен Нобелевской премии в 1913 году: "за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого Гелия". В настоящий момент жидкий Гелий применяется в большом количестве областей науки и техники, например: в МРТ для охлаждения магнитов, в Большом Адронном Коллайдере и тд.
Теперь вернемся к нашим героям - что же они сделали.
Капица понял, что при понижении температуры жидкого гелия до 2,17 К происходят невероятные изменения. Он провел эксперимент (картинка ниже), где использовал ванну с жидким гелием, 2 стеклянных диска с очень узким зазором между ними и трубку куда заливался жидкий гелий. Соответственно уровень гелия в трубке был сильно выше чем в остальной ванне и при температуре выше 2,17 К уровень жидкости в трубке медленно падал, до полного выравнивания его с уровнем гелия в ванне (закон сообщающихся сосудов). В момент когда температура системы падала ниже 2,17 К уровень жидкости в трубке падал почти мгновенно. Из этого Петр Леонидович сделал вывод, что при падении температуры ниже какого-то критического уровня вязкость жидкого гелия становится неизмеримо мала. Фактически гелий переставал испытывать трение со стенками сосуда и мгновенно проходил через тонкий зазор между дисками.
Параллельно с этим, в Англии, Аллан и Майзенер тоже поняли, что с Гелием происходит что-то странное. Они провели эксперимент с капиллярными трубками. При прохождении критической температуры поток сквозь капилляр резко возрастал, что свидетельствовало о резком падении вязкости. Температуру 2,17 К назвали Лямбда-точкой, потому что на графике рисунок похож на букву Лямбда.
В дальнейшем было сделано еще множество открытий связанных с явлением сверхтекучести, например, то что жидкость, как бы наплевав на силу притяжения, может спокойно, сама, вытечь из вашего стакана. Или фонтанный эффект - когда один конец трубки находился в жидкости и при нагревании некой области (даже на сотые доли градуса) из трубки начинала литься тонкая струйка жидкого гелия при том, что никакой разницы давлений не было, только за счет разницы температур.
Еще в 1938 году Капица понял, что эффект сверхтекучести как-то связан с эффектом сверхпроводимости (когда электрическое сопротивление материала становится равно нулю), но окончательное доказательство этого утверждения было получено только в 1957 году, когда трое ученых - Бардин, Купер и Шрифер, построили теорию для сверхпроводников. Некоторое время спустя с помощью этой теории объясняли почему же гелий становится сверхтекучими и было придумано некоторое определение - “Конденсат Бозе-Эйнштейна”, это такой материал у которого все частицы (которые называются бозонами), при прохождении через некоторую критическую точку, как бы “падают” на самый низкий (основной) энергетический уровень. То есть эти частицы теряют энергию и падают на дно и в таком состоянии частички попросту перестают взаимодействовать между собой да и вообще с чем либо, соответственно пропадает трение. Но можно спросить - почему частички не могут получить немного энергии и сразу начать взаимодействовать с окружением? А это не так просто, так как энергия которую нужно получить, чтобы частичка поднялась на следующий уровень, строго определена, то есть она не может быть ниже некоторого значения.
Я понимаю, что сейчас было сложно, но я попробую объяснить. Представьте, что вы стоите у железнодорожной станции и чтобы попасть на поезд, который увезет вас в светлое будущее (в данном контексте этот поезд и есть взаимодействие), вам нужно подняться на платформу и для этого вам нужно пройти 100 ступеней. Вы никак не сможете сесть в этот поезд и уехать если забрались только на первую или вторую ступеньку лестницы к платформе, потому что вы не дотянетесь до двери в вагон. Вам необходимо полностью подняться на саму платформу чтобы уехать и никак иначе. То есть потратить определенную энергию, чтобы подняться ровно на 100 ступеней и тогда вы уедете в светлое будущее на поезде счастья) Точно так же и с частицами гелия - они все находятся в самом низу платформы и их нужно очень хорошо подтолкнуть ( получить определенную энергию) для попадания на поезд.
В заключении хочу сказать, что эффект сверхтекучести жидкого гелия был одним из самых первых квантовых эффектов которые человечество смогло увидеть. И это прекрасное доказательство того, что квантовая физика работает) Ну и ответ на вопрос - а где же применяются сверхтекучий гелий? Например в спутниках, где необходимо одновременно охлаждать и не замедлять движение - в охлаждение сверхчувствительных гироскопах.