Về tính siêu chảy của heli lỏng II

2

P. L. Kapitsa

VỀ TÍNH SIÊU CHẢY CỦA HELI LỎNG

Báo cáo này được Viện sĩ Pyotr Leonidovich Kapitsa đọc tại phiên họp toàn thể của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô vào tháng 9 năm 1943, 5 năm sau khi phát hiện tính siêu chảy của heli. Cuối báo cáo, nhà khoa học đã nói về một số vấn đề đặt ra trước các nhà thực nghiệm và các nhà nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng này. Hiện nay, những vấn đề đó đã được giải quyết. Thực nghiệm đã xác nhận sự tồn tại trong heli siêu chảy của các sóng nhiệt tương tự sóng âm (âm thanh thứ hai); việc nghiên cứu các vận tốc tới hạn của dòng chảy heli siêu chảy đã dẫn tới phát hiện một hiện tượng đáng kinh ngạc — các xoáy lượng tử vĩ mô.

Việc nghiên cứu heli lỏng và các tính chất của nó thuộc lĩnh vực vật lý nhiệt độ thấp nhất. Đây là một trong những lĩnh vực vật lý mà người ta cố gắng nghiên cứu các hiện tượng của tự nhiên trong những điều kiện cực hạn. Ta có nhiều khả năng phát hiện những hiện tượng mới thú vị khi nghiên cứu tự nhiên trong những điều kiện cực hạn, cho phép nó tồn tại, chẳng hạn như trong từ trường cực mạnh, áp suất cao, điện áp cao, v. v., cũng như trong lĩnh vực giá lạnh sâu, tiến gần đến độ không tuyệt đối. Ở đây, ta cũng có thể hy vọng phát hiện những hiện tượng mới, những tính chất của tự nhiên mà trong điều kiện thông thường hoặc thoát khỏi sự quan sát, hoặc thậm chí đơn giản là không xảy ra. Về mặt này, lĩnh vực nhiệt độ tiến gần độ không tuyệt đối đặc biệt thú vị. Các công trình trong thập niên vừa qua đã xác nhận điều đó một cách hết sức rõ ràng.

Độ không tuyệt đối của thang nhiệt độ là gì? Định nghĩa cuối cùng về độ không tuyệt đối là 273,13° C. Được biết rằng đ-

4

do sự thay đổi một loạt tính chất vật lý của heli lỏng. Trạng thái mới của heli lỏng lần đầu tiên được Kamerlingh Onnes phát hiện, được Keesom bắt đầu nghiên cứu và tỏ ra hết sức thú vị.

Keesom nhận thấy rằng heli II ở trạng thái này có độ dẫn nhiệt lớn. Độ dẫn nhiệt của nó, được nghiên cứu trong các mao quản, hóa ra lớn hơn nhiều lần, chẳng hạn, so với đồng hoặc bạc — những kim loại dẫn nhiệt tốt nhất. Vì vậy Keesom gọi heli lỏng II là chất siêu dẫn nhiệt. Tôi đã lặp lại thí nghiệm của Keesom trong những điều kiện có phần thay đổi và kết quả thu được độ dẫn nhiệt còn lớn hơn.

Một nỗ lực giải thích các dữ liệu thực nghiệm dựa trên những quan điểm hiện đại về sự dẫn nhiệt đã làm bộc lộ một mâu thuẫn sâu sắc giữa lý thuyết và thực nghiệm. Tôi sẽ không đi sâu vào việc mô tả chi tiết những quan điểm lý thuyết khá phức tạp về sự dẫn nhiệt, như chúng chủ yếu được trình bày bởi Debye. Bức tranh vật lý về sự dẫn nhiệt có thể hình dung như sau: sự tăng nhiệt độ của một vật nào đó tại một điểm nào đó làm tăng vận tốc trung bình của chuyển động dao động của các phân tử chất; đồng thời quá trình san bằng bắt đầu ngay lập tức: các phân tử «nóng hơn», tức là bị kích thích mạnh hơn, tác động lên các phân tử lân cận và làm cho chúng chuyển động. Quá trình san bằng tuần tự của các vận tốc này sẽ lan truyền ngày càng xa khỏi nơi được đốt nóng, tức là sẽ xảy ra quá trình lan truyền nhiệt trong vật, mà chúng ta gọi là sự dẫn nhiệt. Một sự phân tích chi tiết lớn được tiến hành dựa trên những quan điểm này về sự dẫn nhiệt chỉ ra rằng đối với mỗi vật trong tự nhiên có một lượng nhiệt giới hạn truyền qua nó trong một đơn vị thời gian. Hóa ra rằng sự dẫn nhiệt lớn đến mức đã được phát hiện thực nghiệm trong các thí nghiệm gần đây của chúng tôi với heli lỏng II cũng không thể được giải thích bằng những quan điểm này. Lối thoát khỏi mâu thuẫn này có thể được tìm kiếm hoặc bằng cách từ bỏ những quan điểm cơ bản về cơ chế dẫn nhiệt đã được củng cố vững chắc trong khoa học, hoặc phải thừa nhận rằng hiện tượng dẫn nhiệt trong heli II có nguồn gốc từ một cơ chế nào đó khác.

Như đã biết, nhiệt có thể được truyền không chỉ bằng cơ chế đã mô tả, như nó lan truyền trong các vật rắn và, như người ta cho rằng, trong heli lỏng trong các mao quản hẹp. Nhiệt còn có thể được truyền trong các vật lỏng và khí bằng các dòng đối lưu gọi là dòng đối lưu. Chẳng hạn, các dòng đối lưu trong không khí được mọi người biết rõ, ai cũng đã nhiều lần cảm nhận chúng khi đưa tay lên phía trên một bộ tản nhiệt ấm. Tương tự, bàn tay hoàn toàn không cảm thấy nhiệt nếu giữ ở cùng khoảng cách với bộ tản nhiệt nhưng ở phía dưới, vì ở đây không có các dòng không khí nóng đi lên, những dòng này mang nhiệt lên phía trên bằng con đường đối lưu. Nếu sự truyền nhiệt mạnh trong heli lỏng không thể giải thích theo quan điểm của cơ chế dẫn nhiệt thông thường, thì tôi nghĩ rằng có thể ở đây chính là sự truyền nhiệt đối lưu. Để làm được điều này cần giả định rằng trong heli lỏng II cực kỳ dễ dàng xuất hiện các dòng chất lỏng, và chính chúng chịu trách nhiệm cho khả năng cực kỳ lớn của heli II trong việc truyền nhiệt. Các tính toán cho thấy rằng cường độ truyền nhiệt như vậy trong heli lỏng chỉ có thể được thực hiện bởi những dòng đối lưu phải chảy trong chất lỏng này với độ dễ dàng cần thiết. Vì vậy, theo sự tương tự với tính siêu dẫn, tôi giả định rằng heli II ở nhiệt độ siêu thấp là một chất lỏng có tính chảy cực kỳ cao, tức là cũng là một chất lỏng không có

5

độ nhớt *). Còn lại là cần kiểm tra điều này bằng thực nghiệm.

Quan sát một độ nhớt nhỏ như vậy, lại ở nhiệt độ thấp, hóa ra là một nhiệm vụ thực nghiệm không dễ dàng. Cần phải tìm một phương pháp đặc biệt để đo nó. Khi phương pháp cần thiết đã được tìm ra và xây dựng, bản thân việc quan sát không mất nhiều thời gian và cho thấy rằng độ nhớt của heli lỏng thực sự nhỏ đến mức biến mất. Heli lỏng hóa ra chảy dễ hơn nước hơn một tỷ lần. Một môi trường chảy như vậy rất khó hình dung, thế nhưng con số nêu trên chỉ giới hạn không phải của độ nhớt, mà chỉ của độ nhạy phép đo của chúng ta. Hiện nay chúng ta chưa có phương pháp nhạy hơn. Vì vậy tôi cho rằng có đủ cơ sở để xem heli lỏng là không có độ nhớt; tôi gọi nó là siêu chảy. Ban đầu điều này gặp phải sự phản đối lớn. Người ta tìm kiếm trong các thí nghiệm của tôi những sai sót thực nghiệm trong phương pháp, trong phép đo và những thứ khác. Phát hiện về tính siêu chảy của heli lỏng, vì thế, đã được thảo luận từ mọi phía, và bây giờ, tôi nghĩ, có thể coi sự tồn tại của trạng thái siêu chảy trong heli II là đã được công nhận.

Khi hiện tượng này lần đầu được hình thành, chúng tôi tưởng rằng tính siêu chảy của heli II hoàn toàn đủ để giải thích độ dẫn nhiệt lớn quan sát được ở heli lỏng, phù hợp với bức tranh về sự tồn tại của các dòng đối lưu mà tôi vừa phác ra cho các bạn. Nhưng vấn đề hóa ra thú vị và phức tạp hơn nhiều so với chúng tôi nghĩ ban đầu.

Câu chuyện về việc sau đó quan điểm của chúng tôi về vấn đề này đã phát triển như thế nào có một số khó khăn. Tôi đã cố gắng kể xem chúng tôi bắt đầu vướng vào những mâu thuẫn nào, quan điểm của chúng tôi thay đổi ra sao và dần dần chúng tôi hình thành những quan niệm mà

*) Nghĩa là theo lý thuyết của ông, sẽ không phát sinh tiêu hao năng lượng do ma sát. (Chú thích của ban biên tập).

nếu trình bày chúng tách khỏi mối liên hệ với các thí nghiệm thực tế thì hẳn sẽ giống như một sự tưởng tượng phi lý không phù hợp với bất cứ điều gì.

Nếu đứng trên quan điểm của những hình dung cơ học thông thường của chúng ta, vốn mô tả đầy đủ hành vi của các chất thông thường trong những điều kiện thông thường, thì hóa ra heli siêu chảy, như thực nghiệm cho thấy, không thể truyền nhiệt mạnh đến mức cần thiết để tạo ra các dòng đối lưu. Chúng tôi gặp khó khăn trong việc tìm ra một cơ chế có thể gây ra dòng chảy nhanh cần thiết của heli khi đối lưu. Trong cơ chế truyền nhiệt bằng đối lưu nói chung, chúng ta quy sự chuyển động của môi trường cho việc chất lỏng hoặc khí được nung nóng hơn trở nên ít đậm đặc hơn một chút, do đó có xu hướng đi lên, như thể nổi lên trong môi trường đậm đặc hơn, còn những phần lạnh hơn, đậm đặc hơn thì có xu hướng đi xuống, «chìm». Xảy ra sự trộn lẫn, và điều rất quan trọng là nguyên nhân gây ra chuyển động chính là lực hấp dẫn. Nhưng tính toán cho thấy lực này trong heli II không đủ để gây ra độ dẫn nhiệt lớn như đã quan sát trong thí nghiệm. Điều này lại khiến hiện tượng trở nên khó hiểu. Cần phải tìm những cơ chế khác, mới để giải thích nó. Sau một loạt thí nghiệm, cuối cùng chúng tôi đã tìm ra một cơ chế hoàn toàn mới của chuyển động của heli lỏng II.

Hóa ra dưới tác động của sự phân bố nhiệt độ trong heli lỏng II xuất hiện những dòng rất mạnh, phần nào giống các dòng đối lưu. Dưới tác động của sự phân bố nhiệt độ, chất lỏng bắt đầu chuyển động, nhưng chuyển động này thuộc một loại hoàn toàn đặc biệt, đặc trưng cho heli lỏng II, không được biết đến trong bất kỳ chất lỏng nào khác và trong bất kỳ điều kiện nào khác.

Trước khi cố gắng giải thích sự tồn tại của chuyển động này, hãy tìm hiểu những đặc điểm của nó. Hãy xem nó biểu hiện như thế nào trong thí nghiệm. Tôi sẽ không mô tả chi tiết các khía cạnh kỹ thuật của thí nghiệm này.

6

thí nghiệm. Những đặc điểm chính của nó có thể hình dung từ sơ đồ trên hình 1.

Một bình nhỏ 1 được nhúng vào heli siêu chảy II. Trong phần rộng của bình có đặt một dây đốt nóng 2, còn bình hở ở một phía 3. Khi có dòng điện chạy qua dây đốt nóng 2, gần miệng 3 của bình xuất hiện một dòng heli liên tục chảy ra ngoài. Dòng chảy này có thể được phát hiện và thậm chí làm thay đổi bằng một cánh nhẹ, nếu treo nó gần miệng bình. Dòng chảy tác dụng lực lên cánh và làm nó lệch đi.

Một biến thể của thí nghiệm này, hiệu quả hơn và dễ quan sát hơn để trình diễn, đã được quay thành phim (một trong các khung hình được đưa ra trên hình 2). Sơ đồ của thiết bị được quay khi đang hoạt động được thể hiện trên hình 3. «Chong chóng» thủy tinh gồm «bóng nhỏ» 2, được trang bị một số ống dẫn ra, uốn về cùng một phía. Như vậy, toàn bộ cấu tạo này giống «bánh xe Sêgnơ» quen thuộc (chỉ về hình thức bên ngoài, tất nhiên; xem xét nó, ta dễ dàng nhận thấy rằng «chong chóng» không có đường thông suốt cho chất lỏng). Bóng nhỏ được đặt trên một trục làm bằng đầu nhọn của kim 1. Toàn bộ «chong chóng» được nhúng trong heli lỏng. Heli nằm trong bóng nhỏ có thể được đun nóng bằng một chùm sáng qua thấu kính 3. Chùm sáng này, chiếu vào phần bị bôi đen bên trong bóng nhỏ, đóng vai trò của bộ phận đốt nóng, mà trong thí nghiệm trước là dây đốt nóng. Từ các ống — «chân» của «chong chóng», cũng như từ cổ bình trong thí nghiệm trước, khi đun nóng bình ở giữa, liên tục phun ra các tia chất lỏng. Dưới áp lực của các tia phun ra, «chong chóng» quay.

Việc quay phim thí nghiệm này rất khó. Heli lỏng hoàn toàn trong suốt, và hệ số khúc xạ của tia sáng trong nó khiến cho rất khó quan sát nó qua thủy tinh. Không dễ để

8

Nhưng ở đây cần lưu ý rằng tính chất nhiệt động lực học đáng kinh ngạc này của heli II, mở ra một con đường hoàn toàn mới để biến nhiệt trực tiếp thành công cơ học theo chiều ngược lại, không có gì tương tự trong những hiện tượng tự nhiên mà chúng ta biết cho đến nay.

Tính thuận nghịch của các quá trình nhiệt-cơ, chính xác hơn là nhiệt động lực học, trong heli lỏng có vẻ là một điều hết sức quan trọng đối với chúng ta trong việc tiếp tục nghiên cứu các hiện tượng ở nhiệt độ thấp. Giả sử chúng ta có một mao quản 1 (hình 4) với hai bình ở những độ cao khác nhau. Giữa hai đầu của nó, chúng ta tạo ra một hiệu áp suất. Có thể làm điều này bằng cách đặt bình nhỏ 2 ở đầu mao quản cao hơn bình nhỏ 3 ở đầu kia. Khi đó, do những tính chất đặc biệt của heli và tính thuận nghịch của quá trình, ở hai đầu mao quản, trong các bình 2 và 3, sẽ xuất hiện một hiệu nhiệt độ ΔT. Heli II trong bình thấp hơn 3 sẽ trở nên lạnh hơn.

Như vậy, chúng ta có một phương pháp hạ nhiệt độ của heli II, gồm việc buộc heli II chảy dưới áp suất. Tất nhiên, hình 4 chỉ là sơ đồ minh họa cho nguyên lý của dòng chảy; trên thực tế, thí nghiệm đương nhiên phức tạp hơn.

Không, vì hiện tượng này vẫn còn thuận nghịch cho đến những nhiệt độ thấp nhất, nên sẽ có khả năng rút ra những kết luận thực tiễn rất thú vị. Nếu dùng một máy bơm nhỏ hoặc bằng cách nào khác đẩy heli qua các mao quản mảnh vào một số thể tích nào đó, thì nhiệt độ trong thể tích đó sẽ, hiển nhiên, được thực hiện. Lặp lại thao tác này nhiều lần, ta có một phương pháp để hạ nhiệt độ xuống thấp tùy ý, và do đó mở ra cho chúng ta con đường tiến gần đến độ không tuyệt đối gần tùy ý. Phương pháp này có ý nghĩa quan trọng đối với nhà thực nghiệm, vì cho đến nay vẫn chưa có phương pháp nào, ngay cả về mặt lý thuyết, để tiến gần đến độ không tuyệt đối gần tùy ý.

Trước chiến tranh, chúng tôi bắt đầu phát triển phương pháp này trong các công trình của mình và đã tiến hành một số thí nghiệm thành công theo hướng đó. Bằng phương pháp này, tôi đã đạt được nhiệt độ 0,4°. Tất nhiên, việc đạt được nhiệt độ ở ngay gần độ không tuyệt đối bằng phương pháp mới là một nhiệm vụ kỹ thuật không dễ dàng, và khó có thể trông chờ ngay vào thành công của nó. Ở đây có nhiều khó khăn kỹ thuật, và thành công phụ thuộc rất nhiều vào kỹ năng và óc sáng tạo của nhà thực nghiệm. Nhưng tất cả những khả năng này không có nghĩa là tồn tại những cấm đoán về nguyên tắc nào đó đối với việc tiến gần đến độ không tuyệt đối.

Bây giờ ta chuyển sang giải thích về mặt lý thuyết cơ chế của hiện tượng heli lỏng chảy ra khỏi bình khi bình được đun nóng (xem hình 1). Như tôi đã nói, ban đầu tôi giải thích hiện tượng heli lấp đầy bình bằng sự chảy của heli theo hướng ngược lại trong một lớp mỏng. Tôi cũng giả định rằng trạng thái năng lượng của heli II trong lớp mỏng này khác với trạng thái năng lượng của heli II tự do, và do đó có thể giải thích tính dẫn nhiệt lớn của heli. Tương tự, có thể áp dụng sự-