Техника - молодёжи 1972-04, страница 42

неподвижной). Иными словами, нормальная и сверхтекучая компоненты могут двигаться относительно друг друга независимым образом, с различными скоростями, проникая друг через друга и при этом не взаимодействуя друг с другом.

В ЧЕМ ЖЕ ДЕЛО!

Из опытов Капицы вытекает, что в экспериментах одного типа при Т<[2,172^СК жидкий гелий проявляет вязкие свойства, присущие всем обычным жидкостям. В экспериментах другого типа он не обнаруживает никаких признаков вязкости. Например, он может течь по тончайшим щелям и капиллярам, не испытывая ни малейшего трения. Ландау нашел причину парадокса: он показал, что жидкий гелий при температуре ниже 2,172° К можно представить как неразделимую смесь двух жидкостей, одна из которых сверхтекучая, а другая обладает хотя и маленькой (по сравнению, например, с водой), но все же вполне ощутимой нормальной вязкостью.

Первая жидкость получила название сверхтекучей компоненты, а вторая — нормальной компоненты. По предположению Ландау, относительная концентрация этих двух жидкостей, измеряемая их плотностями ps и рп , должна изменяться в зависимости от температуры. При 2,172°К ps = О; рп — р. При 0°К ps — .р; рп = О. Здесь р представляет пол-J ную плотность жидкого гелия: р= = ps + рп .

Но чем эти две жидкости отличаются друг от друга? Конечно, каждая из них состоит из вполне идентичных друг другу атомов гелия. И все-таки свойства этих жидкостей радикально различны.

Для объяснения этого различия Ландау предположил, что в жидком гелии вблизи абсолютного нуля структура тепла такова, что его не хватает на всю жидкость. Тепло в этих условиях существует в виде пространственно локализованных

«сгустков», называемых тепловыми возбуждениями. Атомы внутри такого «сгустка тепла» могут быть заметно «нагреты», тогда как атомы в соседних областях продолжают оставаться при температуре абсолютного нуля.

По мере повышения температуры появляется все больше тепловых возбуждений, в связи с чем плотность нормальной компоненты растет, а плотность сверхтекучей убывает. При температуре 2,172"К весь жидкий гелий оказывается охвачен тепловыми возбуждениями, жидкость становится нормальной и феномен сверхтекучести исчезает. Резюмируя, можно сказать, что не испытывают трения о стенки сосуда и внутреннего

трения только те области жидкого гелия, которые находятся при температуре абсолютного нуля. Те области, которые вовлечены в тепловое движение, испытывают трение о стенки сосуда и при столкновении друг с другом.

ЭКСПЕРИМЕНТ ПОКАЗАЛ: ЛАНДАУ ПРАВ

Война помешала немедленному осуществлению этих замечательных научных планов, и к ним оказалось возможным приступить только в 1945 году. Честь экспериментальною подтверждения существования новых явлений, предсказанных теорией Ландау, выпала частично и на мою долю. Я взялся подтвердить, что жидкий гелий, охлажденный ниже X-точки, действительно может и стоять, и двигаться одновременно.

Воспользоваться экспериментом, предложенным Ландау, и наблюдать мениск жидкого гелия? Хотя это и просто, но, в общем, не обязательно. Взамен этого можно измерять, например, плотность той части жидкости, которая принимает участие в движении сосуда, то есть плотность нормальной компоненты.

Какой же вид движения выбрать? Вращение? Колебания? Течение? Я выбрал колебания.

Чем этот вид движения хорош? Взвесить тело можно не только на весах. Массу тела можно определить, например, подвесив его на упругой нити и сообщив ему колебательное движение вокруг его вертикальной оси, совпадающей с осью упругого подвеса.

Период колебания такой системы будет зависеть от момента инерции тела, массу которого мы хотим определить. Измерим период крутильных колебаний цилиндрического сосуда, заполненного жидким гелием выше Х-точки, а затем проследим, как он изменяется с понижением температуры ниже А,-точки. Из этих наблюдений можно сделать все интересующие нас заключения о том, вовлекается жидкий гелий в движение сосуда весь или частично.

Однако практически это сделать не так легко из-за некоторых свойств жидкого гелия. Посудите сами: его плотность в 7 раз меньше, чем у воды. Если взять даже один из самых легких металлов — алюминий, то жидкий гелий будет обладать плотностью в 20 раз меньшей. Поэтому, если вы хотите, чтобы жидкость обладала по меньшей мере такой же массой, как металл, ее объем должен быть в 20 раз больше. Ситуация осложняется тем, что за время одного колебания сосуд может вовлечь в свое движение очень тонкий слой жидкости, прилегающей к поверхности твердого тела.

Стало быть, сосуд должен представлять собой стопку очень тонких и совершенно параллельных дисков, удаленных друг от друга на очень близкие расстояния. Толщину лепестков и их взаимное удаление легко прикинуть. Опыт прост только по замыслу, на самом деле он оказался необычайно сложным по выполнению. Но самое главное в опыте — это простота идеи, которая не оставляла места каким-либо двояким толкованиям полученных результатов.

Эксперимент однозначно показал, что, начиная с Я-точки, период колебания стопки дисков с заключенными между ними слоями жидкого гелия быстро падает с температурой.

Итак, Ландау прав|

А ЭКСПЕРИМЕНТ, ПРЕДЛОЖЕННЫЙ ЛАНДАУ, ВСЕ ЖЕ НЕ УДАЛСЯ...

Уже в 1945—1946 годах стало ясно: теория Ландау верна) Но можно ли осуществить эксперимент в том виде, в каком его предложил Ландау?

В Гейзенберг в ФРГ, Р. Пайерлс в Англии, В. Пешков в Москве начали теребить экспериментаторов: надо вращать прозрачный цилиндрический стакан, полупогруженный в гелий, и измерить глубину и форму мениска этой жидкости! О форме мениска мы уже говорили. На каждый элемент объема вращающейся вязкой жидкости действуют две силы: центробежная, пропорциональная ее плотности, и сила тяжести, также пропорциональная той же плотности. Поэтому на форму параболического мениска плотность не влияет. Все обычные жидкости имеют во время вращения с одной и той же скоростью одну и ту же форму и глубину мениска.

В случае жидкого гелия это справедливо только при Т >Tj , пока он представляет собой обычную жидкость. При Т<0") центробежная сила действует уже не на полную массу гелия, а только на вращающуюся ее часть, то есть на нормальную компоненту. Между тем сила тяжести действует на всю жидкость в целом, и глубина мениска уменьшается с уменьшением доли нормальной компоненты.

Уже в 1947 году мне было ясно, что гелий вращается как целое при любых температурах: глубина мениска оставалась такой же, как и у всех других жидкостей при всех достижимых скоростях.

Ландау эти мои опыты очень- не понравились. Он считал, что вместо искомого эффекта наблюдаются какие-то «нестационарности», имеющие хотя и второстепенное значение, но забивающие эффект. Такой же точки зрения он продолжал придерживаться и тогда, когда к аналогичным за

40