Представьте, что вы налили утренний кофе в чашку, отвернулись на минуту, а он сам «выполз» через край и лужей растекся по столу. Звучит как бред или сцена из хоррора? В нашем макромире — да.
Но если вместо кофе взять жидкий гелий и охладить его почти до абсолютного нуля, он начнет творить вещи, от которых у классических физиков дергается глаз. Он будет проходить сквозь стекло, течь вверх по стенам и вращаться вечно.
Добро пожаловать в мир сверхтекучести.
Момент, когда физика ломается
Гелий — единственный элемент, который не замерзает в твердый лед при нормальном давлении, сколько его ни морозь. Но самое интересное начинается, когда температура падает ниже 2,17 Кельвина (-271°C).
Сначала жидкий гелий ведет себя нормально: он бурлит и кипит, как вода в чайнике. Но в тот момент, когда температура пересекает заветную черту (ее называют «лямбда-точкой»), происходит магия.
Кипение мгновенно прекращается. Жидкость становится абсолютно прозрачной и спокойной, как стекло.
В этот момент рождается сверхтекучесть. Жидкость полностью теряет вязкость. Представьте воду, у которой вообще нет трения. Если вы размешаете чай ложкой, он остановится через пару секунд. Сверхтекучий гелий будет крутиться в стакане бесконечно долго.
Почему он лезет на стены?
Самый визуально шокирующий эффект — это способность гелия «убегать» из сосудов. Если налить его в пробирку и опустить её в ванну с таким же гелием, жидкость начнет сама заползать по стенкам пробирки вверх и переливаться наружу, пока уровни не сравняются.
Это не магия, а физика. Гелий образует тончайшую плёнку толщиной всего в несколько сотен атомов (так называемая пленка Роллина).
- Обычная жидкость тоже пытается смачивать стенки, но вязкость и гравитация тянут её назад.
- У сверхтекучего гелия вязкости нет. Ничто не мешает ему ползти вверх, побеждая гравитацию.
Он буквально «облизывает» весь сосуд изнутри и снаружи, пытаясь занять максимально возможный объем. Запереть такого беглеца — инженерный кошмар.
Квантовая армия: как это работает?
Здесь на сцену выходит квантовая механика. При обычных температурах атомы ведут себя как беспорядочная толпа людей на рынке — все толкаются, бегут в разные стороны. Это создает трение.
При критическом охлаждении атомы гелия замедляются настолько, что теряют свою индивидуальность. Они начинают двигаться синхронно, как идеально обученный полк солдат на параде.
В физике это состояние близко к понятию Бозе-конденсат. Миллиарды атомов действуют как единый суператом. Если один атом начинает движение, все остальные подхватывают его мгновенно и без потерь энергии. Нет хаоса — нет трения.
Гордость науки и польза
Именно за открытие и объяснение этих процессов советский физик Пётр Капица получил Нобелевскую премию (правда, спустя 40 лет после открытия). Он придумал термин «сверхтекучесть» по аналогии со сверхпроводимостью.
Зачем нам это знание, кроме фокусов с банками?
- Охлаждение монстров: Без жидкого гелия не работал бы Большой адронный коллайдер и томографы МРТ в больницах.
- Квантовые компьютеры: Кубиты требуют идеальной изоляции и холода, чтобы не терять данные.
Мы научились использовать вещество, которое ведет себя как живое, чтобы заглядывать внутрь человека и в начало Вселенной.
А какой еще закон физики вы бы хотели отменить на один день? Пишите в комментариях!