Техника - молодёжи 1972-04, страница 43

ключениям пришел в 1949 году английский физик Д. Осборн.

Вопрос разъяснился только после того, как Л. Онзагер на одном из международных конгрессов 1949 года, выступив в прениях по соответствующему докладу, высказал предположение о том, что в жидком гелии при определенных условиях и прежде всего при достаточных скоростях могут образовываться небольшие вихорьки, движение вокруг которых подчиняется законам квантовой механики.

УМОЗРИТЕЛЬНЫЙ опыт РИЧАРДА ФЕЙНМАНА

Та же идея была независимо от Онзагера высказана несколько позже замечательным американским физиком Ричардом фейнманом, тогда тридцатисемилетним молодым теоретиком. Фейнман предложил один из возможных чисто умозрительных, но очень красивых вариантов образования вихрей. Эксперимент Фейнмана не может быть реализован на практике. Но он дает многое для понимания интересующей нас проблемы.

Предположим, говорит Фейнман, у нас есть сосуд, заполненный жидким гелием при температуре абсолютного нуля. Вообразим себе перегородку, делящую сосуд на две части, и пусть по одну сторону от этой перегородки жидкий гелий покоится, а по другую атомы гелия движутся с какой-то скоростью. Выдернем внезапно перегородку. Текущий гелий окажется отделенным от неподвижного только поверхностным слоем. Если бы мы имели дело с обычной вязкой жидкостью, то подвижные атомы из одной половины просто передали бы долю своей энергии неподвижным атомам другой половины. Сверхтекучий гелий ведет себя иначе. Из-за отсутствия вязкости текучий гелий не будет увлекать за собой гелий неподвижный. Благодаря периодичности квантовомеханической волновой функции, описывающей движение жидкого гелия, значения квантовых характеристик движения гелия по обе стороны от поверхностного слоя будут периодически уравниваться и поверхностная энергия в этих точках будет обращаться в нуль. Именно в этих местах ничто не мешает изменить форму границы и ничто не мешает движущемуся гелию затекать в область неподвижного гелия. В то же время плоские участки поверхностного слоя не останутся неподвижными. Подобно капле жидкости, они под влиянием поверхностного натяжения и центробежной силы свернутся в полые трубки, радиус которых имеет размеры порядка межатомных расстояний. Вокруг таких пустотелых стволов, количество кото

рых тем больше, чем больше скорость течения жидкого гелия, будут образовываться вихри сверхтекучего гелия.

Эти рассуждения, проведенные для температуры абсолютного нуля, не могут измениться в связи с присутствием в Сосуде нормальной компоненты, поскольку она не взаимодействует со сверхтекучей. Таким образом, рассуждения фейнмана могут быть обобщены на любые температуры ниже 2,17^СК.

Движение атомов гелия вокруг вихревого ствола может быть описано уравнениями, по существу вполне эквивалентными тому постулату Ниль-са Бора, который, «квантуя» момент количества движения электрона, двигающегося вокруг атомного ядра, выбирает размеры «боровской орбиты».

Радиус орбиты гелиевого атома, в отличие от «боровской» орбиты в атоме, может изменяться непрерывно и принимать любую величину. Если во вращающемся стакане рождается всего лишь один вихрь, то радиус атомной орбиты может достигать величины порядка радиуса самого стакана — нескольких сантиметров. Таким образом, после того как Онзагер и Фейнман сформулировали новый принцип, масштабы квантования в физике стали совсем другими, они увеличились от размеров порядка 5 X 10—⁹ см в случае «боровских орбит» до нескольких сантиметров в случае движения жидкого гелия, то есть в миллиарды раз.

Законы, которые считались применимыми только к движениям электронов внутри атомов, оказались в силе применительно к целому стакану жидкого гелия. Это первый случай, когда законы квантовой механики оказались приложимыми для описания макроскопических движений.

КОГДА КВАНТОВАННЫЕ ВИХРИ ПРОНИЗЫВАЮТ ЖИДКОСТЬ

Законы вращения сверхтекучей компоненты жидкого гелия вокруг вихревого ствола разительно отличаются от закономерностей вращающейся обычной вязкой жидкости. Вязкая жидкость, как бы сильно ее ни вращать, неподвижна относительно стенок стакана. А скорость ее движения тем быстрее, чем дальше от оси вращающегося стакана.

Со сверхтекучей компонентой жидкого гелия все наоборот — скорость вращения сверхтекучей жидкости вокруг вихревого ствола обратно пропорциональна расстоянию от оси. По мере приближения к оси вихря сверхтекучая жидкость двигается все быстрее, пока на поверхности вихревого ствола ее скорость не достигнет значения порядка 60 м/сек. При этих скоростях явление сверхтекучести вообще исчезает.

Сами вихри возникают при несравнимо меньших скоростях, зависящих, кстати, от размера сосуда. Чем больше размеры сосуда, тем при меньших скоростях рождается вихрь. Для цилиндра с радиусом в 1 см нужна угловая скорость около одного оборота за час, чтобы в нем началось вихреобразование. В узких щелях и капиллярах гелий должен течь со значительно большей скоростью, достигающей десятков сантиметров в секунду, и только тогда зарождаются первые вихри.

Когда во вращающемся стакане возникает много вихрен, они образуют своеобразную решетку, выстраиваясь параллельно оси вращения и закрепляясь как на шероховатостях донышка, так и на поверхности вращающегося гелия. Чем стремительнее крутится стакан, тем больше вихревых стержней возникает в жидком гелии.

В круглых капиллярах рождаются вихревые кольца, аналогичные дымовым. Эти вихревые кольца перемещаются вместе с потоками гелия относительно стенок.

Как только образовался первый вихрь сверхтекучей компоненты, исчезает способность жидкого гелия совершать одновременно два независимых вида движения: вихри сверхтекучей компоненты начинают взаимодействовать с нормальной компонентой, благодаря чему устанавливается совместное движение обеих компонент. Таково объяснение, почему не получился предложенный Л. Ландау опыт с вращающимся стаканом, наполненным жидким гелием.

Вихри во вращающемся гелии придают этой жидкости ряд необычных свойств, роднящих ее с твердым телом, — например, в ней появляется сопротивление кручению, отсутствующее в других жидкостях. Кроме того, вязкие свойства вращающегося жидкого гелия оказываются зависящими от направления, вдоль которого они измеряются.

Эти явления, равно как и ряд других свойств, были обнаружены и изучены в нашей лаборатории. Законы, управляющие движением сверхтекучей жидкости, включая и квантованные вихри, в настоящее время нашли применение для объяснения многих явлений, разыгрывающихся в недавно открытых пульсарах — звездах, состоящих из ядерной материи.

Так удалось раскрыть тайны сверхтекучего гелия — первой в истории науки квантовой жидкости. Описанные выше идеи и опыты легли в основу построения быстро развивающейся новой дисциплины — квантовой гидродинамики. Тбилисская группа физиков под руководством академика Элевтера Луарсабовича Андро-никашвили внесла в эту область знания особенно весомый вклад.

41