Как правило, течения жидкости в природе и технике являются турбулентными. Поскольку большая часть энергии, теряемой в различных машинах и устройствах, работающих с потоками жидкости, расходуется на преодоление вызываемого турбулентностью сопротивления, ясно, что понимание этого явления может принести немалую практическую выгоду. Однако изучение турбулентности является одной из самых трудноразрешимых задач физики и техники. В настоящее время ни одно сколько ни будь существенное свойство турбулентного течения не может быть объяснено на основе фундаментальных законов.
Может показаться странным, но не исключено, что легче понять механизм возникновения необычной, так называемой квантово-механической формы турбулентности, появляющейся в сверхтекучем гелии (состояние жидкого гелия, в котором он течет без вязкости и трения), чем классической турбулентности, возникающей в обычной жидкости, например в текущем с большой скоростью потоке или в кипящей воде. Еще более удивителен тот факт, что всего лишь несколько лет назад эта область исследований считалась чем-то вроде «тихой заводи в физике конденсированного состояния.
Сейчас стало ясно, что изучение сверхтекучей турбулентности даст возможность создать упрошенные модели для исследования некоторых форм классической турбулентности. Эти работы могут иметь также и практическое значение. Например, жидкий гелий часто применяется в качестве хладоагента в сверхпроводящих устройствах. При этом именно сверхтекучая турбулентность представляет основное препятствие на пути переноса тепла жидким гелием, и понимание этого явления, возможно, позволит создать более эффективные методы охлаждения сверхпроводящих устройств.
Среда, в которой возникает сверхтекучая турбулентность сверхтекучий гелий, - весьма необычна. При атмосферном давлении газообразный гелий превращается в жидкость при охлаждении до 4,2/0 К (кельвинов), или абсолютный нуль, соответствует температуре примерно – 273 градусов. С помощью вакуумного насоса, с которым соединяется сосуд Дьюра с жидким гелием, его можно охладить до еще более низкой температуры. Применение вакуумного насоса дает возможность понизить давление в сосуде и, следовательно, температуру кипения жидкости; та часть жидкости, температура которой выше новой точки кипения, превращаются в газ и отсасываются вакуумным насосом.
При охлаждении жидкости от 4,2 до 2,172 К, в ней наблюдается интенсивное образование пузырьков. Гелий, при температурах от 4,2 до 2,172 К, носит название гелия 1, ведет себя как обычная жидкость и довольно плохо проводит тепло. Однако при 2,172 К образование пузырьков прекращается и жидкость приобретает совершенно необычные свойства. Например, она может течь без вязкости, т. е. без трения, а также просачиваться сквозь такие узкие отверстия, через которые не проникают даже газы. Эта жидкость сохраняет свои необычные свойства при охлаждении вплоть до абсолютного нуля и называется гелий 1I, или сверхтекучий гелий.
Прекращение образования пузырьков в жидком гелии при 2,172 К обусловлено еще одним замечательным свойством гелия 1I: его теплопроводность аномально высокая (в 10 млн. раз выше теплопроводности гелия 1), поэтому никакой участок жидкости не может быть перегрет настолько, чтобы образовался пузырек пара. Первооткрыватели этого явления У. Кеезом и его дочь А. Кеезом из Лейденского университета имели все основания назвать гелий 1I сверх теплопроводным. В чем причина столь необычных свойств гелия II?
Подробный ответ на этот вопрос слишком сложен и не может быть дан в рамках данной статьи, но основная идея состоит в том, что гелий II представляет собой квантовую жидкость: при таких низких температурах законы классической механики уже неприменимы и должны быть заменены законами квантовой механики. Согласно этим законам, атом может находиться лишь на одном из энергетических уровней (или состояний). Значение энергии, соответствующее данному состоянию, зависит от энергий атомных электронов и свойств атома как целого, включая его колебания и движения.
При движении атом может приобретать энергию (например, при столкновениях с другими атомами), однако передача энергии может происходить только определенными порциями: он должен получить ровно столько энергии, сколько ему нужно для того, чтобы перейти в состояние с более высокой энергией. Вследствие некоторых специфических свойств ядер гелия, при температуре абсолютного нуля многие атомы в жидком гелии переходят в состояние с самой низкой энергией.
Энергия следующего состояния значительно больше, поэтому только возмущения со сравнительно высокой энергией могут перевести атомы жидкости в это состояние. Возмущения же с низкой энергией, приводящие обычно к появлению трения, не действуют на жидкость. Следовательно, сверхтекучий гелий будет течь, не испытывая трения.