2
П. Л. Капица
О СВЕРХТЕКУЧЕСТИ ЖИДКОГО ГЕЛИЯ
Этот доклад был прочитан академиком Петром Леонидовичем Капицей на общем собрании Академии Наук СССР в сентябре 1943 г. спустя 5 лет после открытия сверхтекучестижного геля. В конце доклада ученый сказал о некоторых проблемах, стоящих перед экспериментатрами и теоретическими изучениями это явление. Сейчас эти проблемы уже решены. Экспериментально подтверждено существование сверхтекучеем геля температурных волн, подобных звуковым (второй звук); исследование критических скоростей течения сверхтекучего геля приело к открытию удивительного явления — макросоппических квантовых вихрей.
Изучение жидкого геля и его свойств относится к области физики наиболее низких температур. Это одна из тех областей физики, где стремятся изучать явления приоды в крайних условиях. Открытия новых интересных явлений мы можем скорее всего окидать тогда, когда изучаем природу в крайних, допустимых для нее, условиях, как, например, при исключительно сильных магнитных полях, высоких давления, высоких электрических напряжений и т. д., а также в области глобкого холода, приближающегося к абсолотному нулю. Здесь мы тоже можем надеяться обнаружить новые явления, такие свойства приоды, которые в обычных условиях либо ускользают от наблюдания, либо просто даже не проискают. В этом отношении область температур вызизна абсолотного нуля особенно интересна. Работы последнего десятилетия это подтверждили со всей очевидностью.
Что такое абсолотный нуль температурной шкалы? Последнее определение абсолотного нуля — 273,13° С. Известно, что аб-
4
изменением ряда физических свойств жидкого геля. Новое состояние жидкого геля было впервые обнаружено Камерлинг-Оннесом, начало изучаться Кeeзомом и оказалось чрезвычайно любопытным.
Кeeзом нашел, что геля II приобретает в этом состоянии большую теплопроводность. Теплопроводность его, изучаемая в капиллярах, оказалась во много раз больше, например, чем у меди или сербра, — наиболее теплопроводных металлов. Поэтому Кeeзом и назвал жидкий геля II сверхтелопроводным веществом. Я повторил опыт Кeeзома в несколько измененных условиях и в результате получил еще большую теплопроводность.
Попытка осветь экспериментальные данные на основании современных взглядов на теплопроводность вскрыла глубокое противоречие между теорией и опитом. Я не буду вдаваться в подробное описание довольно сложных теоретическихвоззрения на теплопроводность, как они даны в основном Дебаем. Физическая картину теплопроводности мы можем представить себе так: повышение температуры какого-либо тела в какой-либо точке увеличивает среднюю скорость колебательного движения молекул вещества; при этом точас начинается процессы выравнивания: более «горячие», то есть более возбужденные, молекулы воздействуют на соедние и приводят их в движение. Этот процесс последовательного выравнивания скоростей будет распространяться все дальше и дальше от нагретою места, то есть будет иметь место процесс распространения тела, который мы и называем теплопроводностью. Большое подробный анализ, произведенный на основании этих воззрения на теплопроводность, показывает, что для каждой тела в природа есть предельное количество тела в единицу времени, которое можно через него проверить. Оказалось, что также большую теплопроводность, которая экспериментально была обнаружена в наших последних опитах в жидком гели II, с помощью этих воззрения объяснить нельзя. Выход из этого противерия мы можем искать, либо отказавшись от основных взглядов на механизм теплопроводности, которые прочно установились в науке, либо надо признать, что явление теплопроводности в гели II обязано своим происхождением какому-либо иному механизму.
Как известно, теплое может передавать не только посредством описанного механизма, как оно распространяется в твердых телах и, как предполагаюсь, в жидком гели в узких капиллярах. Тепло может еще передавать в жидких и газообразных телах посредством так называемых конвекционных потоков. Например, конвекционные потоки в воздухе хорошо известны какдому, вы их недократно ошушали, когда держали руку над теплым радиатором. Так же рукасовсем не чувствует теплла, если ее держать на этом же расстоянии от радиатора, но внизу, так как здесь нет восходящих потоков нагретого воздуха, которые конвекционным путем уносят теплло вверх. Если интенсивную передачу теплла в жидком гели нельзя обьясить с точки зрения объяного механизма теплопроводности, то мне думалось, что, может быть, здесь имеет место как раз именно конвекционная передача теплла. Для этого нужно предположить, что в жидком гели II чрезвычайно легко возникают потоки жидкости, которые и обязана чрезвычайно большая способность геля II переносить теплло. Подсчеты показали, что такая интенсивность, с которой в жидком гели передавалось теплло, могла бы осуществлена только таким конвекционным потокам, которые должны течь в этой жидкости с необходимой легкостью. Поэтому по аналогии со сверхпроводимостью я предположил, что гели II при сверхнизких температурах представляют собой жидкость чрезвычайно текучую, то есть также жидкость, которая не имеет
5
вязкости *). Оставалось проверить это опытом.
Наблюдать небольшуюязкость, да еще при низкой температуре оказалось нелегкой экспериментальной задачей. Нado было найти специальный метод для ее измерения. Когда был найден и разработан необходимый метод, то само наблюдание не занял много времени и показало, что вязкость жидкого геля действительно исчезающее мала. Жидкий геля оказался свыше чем в миллиард раз более текущей жидкостью, чем вода. Такую текущую среду очень трудно себе представить, а между тем приведенное число ознакомлен предел не вязкости, а только чувствительности наших измерений. Более чувствительного метода мы пока не имеем. Поэтому я предположил, что есть все основания считать, что жидкий геля не имеет вязкости; я называю сверхтекущим. Сначала это встретило большие возможности. Искали в моих опытах экспериментальные ошибки в методике, в измерениях и проче. Открытие сверхтекущости в жидком гели, таким образом, все стороны обсуждалось, и теперь можно, я думаю, считать признаным существование сверхтекущего состояния в гели II.
Когда это явление было впервые формировано, нам казалось, что сверхтекущость геля II вполне достачана, чтобы объяснить большую теплопроводность, наблюдающую в жидком гели в соответствии с той картиной существования конвекционных потоков, которое я вам только что набросал. Но дело оказалось гораздо интереснее и сложнее, чем мы думали вначале.
Расссказ о том, как развивались наши взгляды на этот вопрос дальше, представляет неокоторые трудности. Я попыталось расссказать, с какими противоречиями мы стали вливысь, как менялись наши взгляды и как постепенно складывались у нас представления, которые выгляли
*) To есть при его теории не возникнет потреб энергии на трене. (Прим. ред.).
дели бы ни с чем несообразной фантастикой, если бы их изложить вне связи с реальными опытами.
Если стоять на точке зрения наших обычных механических представлений, вполне исчерпывающее описывающих поведение обычных веществ при обычных условиях, то оказывается, что сверхтекущий гели, как показывает опыт, не может переносить тепло столь интенсивно, как требуется изменение конвекционных потоков. Мы управаемся в трудность найти механизм, который мог бы вызывать необходимое быстroe течение геля при конвеции. В общим механизме переноса тела конвекцией мы обязаны движением среды тому, что более нагрета жидкость или газ становится несколько менее плотными,почему стремиться кверху, как бы всплывая в более плотной среде, а более холодные, более плотные, стремятся вниз, «тоунт». Происходит перемешивание, причем оченьindo, что причина,вызывающая движение, это — сила тяжесте. Но подсчет показывает, что этой силы в гели II недостаочно, чтобы вызывать такую большую теплопроводность, которая наблюдалась на опите. Это делало явление опять неопонятным. Надо было искать для его объяснения какие-то другие, новые механизмы. Рядом оптов, наконец, удалось на толкнуться на совсем новый механизм движения жидкого геля II.
Okазалось, что под влиянием расположости температуры в жидком гели II возникла очень сильные потоки, несколько наполняющие конвекционные потоки. Под действием расположуры жидкости приходит в движение, но это движение совершено особого рода, специфичное для жидкого геля II, неизвестное ни в какой другой жидкости и ни в каких других условиях.
Прежде чем пытается объяснить существование этого движения, познакомимся с его особенностями. Посмотрим, как оно выгляит на эксперименте. Я не буду детально описывать технических подробностей этого эксперимента.
6
римента. Основные его особенности вы можете себе представить из схемы, изображенной на рисунке 1.
В сверхтекущий гелий II погружена колбочка 1. В широкой части этой колбочки помещена нагревающая спираль 2, а колбочка открыта с одной стороны 3. Когда к нагреванию 2 подается ток, около горлышка 3 колбочки обнаруживается непрерывный поток вытекающего из нее гелия. Поток этот может быть обнаружен и даже изменен с помощью легкого крылышка, если его подвесить у горлышка. Поток на него давит и отклоняет его.
Некоторые, более эффективные и получательные видом изменение этого опыта для целей демонстрации было снят на кинопленку (один из кадров которого приводится на рисунке 2). Схема заснякого в действии прибора изображена на рисунке 3. Стеклянный «паччок» состоит из «бульбочки» 2, снабженной несколькоми выводными трубочками, отогнутыми в одну сторону. Таким образом, вся эта конструкция повторяет известное «сегнево колесо» (только по внешности, конечно; рассмотрев его, легко убедиться, что у «паччка» нет сквозного протока для жидкости). Бульбочка поставлена на ось из острия иголки 1. Весь «паччок» погружен в жидкий гелий. Гелий, находящийся в бульбочке, может быть нагret с помощью пучка света через линзу 3. Этот пучок света, падающий на зачеренную часть внутри бульбочки, играет роль нагреваателя, который в предыдущеем опите была спираль. Из трубочек — «ножек-«паччка», так же как из шеи колбочки в предшествующем опите, при нагревании среднего сосуда проискudit непрерывное вытекание струи. Под давлением вытекающих струй врашается вес «паччок».
Сыемка этого опыта трудна. Жидкий гелий совершенню проразчен, и коэффициент преломления в нем луча света таков, что его очень трудно рассмотреть через стекло. Не легко так-
8
No tyt следует отметить, что это удивиительное термодинамическое свойство геля II, открывающее совем новый путь к переводу теплы обратным путем непосредственно в механическую работу, не имеет ничего похожего в известных нам до сих пор явлениях природы.
Обратимость термомеханических, точнее термодинамических, является в жидком геля представляется нам чрезвычайно важным обстоятельством и для дальнейшего изучения явлений при низких температурах. Предположим, что у нас есть капитляр 1 (рис. 4) с двумя сосудами на разных уровнях. Между концами его мы создаем разность давления. Это мы можем сделать, поместив сосудик 2 на конце капитlara выше сосудика 3 на другом его конце. Тогда в результате особых свойств геля и обратности процесса у нас на концах капитlara в сосудах 2 и 3 возникнет разность температур ΔT. В низкомрезервуаре 3 геля II станет более холодным.
Таким образом, у нас есть метод понижения температуры геля II, который состоит в том, чтобы застаивать геля II течь под давлением. Конечно, рисунок 4 является только схема течейской иллюстрацией этого принципиала, на самом деле опыт, разумеется, сложнее.
No поскольку это явление остаетсяся обратным до самых низких температур, возникнет возможность сделать очень интересные практические выводы. Если проталкивать геля насосиком или каким-либо другим путем через тонкие капилляры щелки в некоторых объемам, то температура в этом объеме осуществлено понятно. Повторяя эту операцию несколько раз, мы получаем метод для понижения температуры сколь угодно низко, и, таким образом, для нас открыется путь приближения к абсолотному нулю сколь угодно близко. Этот метод имеет важное значение для экспериментатора, поскольку до сих пор не существует еще метода, даже теоретического, для приближения к абсолотному нулю сколь угодно близко.
Наканную войны мы начали в наших работах развивать этот метод и сделали несколько успешных опытов в этом направлении. Мне удалось этим методом получить понятие температуры на 0,4°. Конечно, получение температуры в непосредственной близости к абсолотному нулю новых методом является техническим нелегкой задачей, и сразу на его удачу рассчитывать трудно. Тут много технических трудностей, и успех во многом зависит от искусства и изобретательности экспериментатора. Но все эти возможности не будут означаться, что существуют какие-то принципальные запреты для приближения к абсолотному нулю.
No перейдем теперь к теоретическому объяснению механизма явления вытекания жидкого геля из сосудика при его нагревании (см. рис. 1). Как я уже говорил, первоначально я объяснял явление заполнения сосудика геля темечением геля в обратном направлении в тонком слое. Я предполагал также, что энергетическая состояние геля II в этом тонком слое отличается от энергетического состояния свободного геля II, и, таким образом, можно было объяснить какуюшую большую теплопроводность геля. Так же можно было применить воз-