Текст статьи Кресин В. З. Вблизи абсолютного нуля // Квант. — 1974. — № 1. — С. 9—12.
«... Если бы мы смогли поместить Землю в некую весьма холодную область, то все наши реки и океаны превратились бы в горы. Воздух перестал бы быть невидимым и превратился бы в жидкость. Превращение такого рода открыло бы возможность получения новых жидкостей, о которых мы до сих пор не имеем никакого понятия». Эти слова, произнесённые в середине XVIII века, принадлежат великому французскому химику Лавуазье.
В ХIХ веке были сжижены многие газы, но окончательно мечта Лавуазье о получении новых жидкостей исполнилась только в 1908 году, когда в лаборатории голландского физика Камерлинг-Оннеса в Лейденском университете последний из газов — гелий был превращён в жидкость.
Несколько слов о главных достижениях на пути к абсолютному нулю.
Один из основных методов сжижения газов состоит в их сжатии. При этом молекулы сближаются, возрастает роль сил сцепления и становится возможным переход в жидкое состояние. Однако если газ находится при температуре выше критической, то никаким сжатием нельзя превратить его в жидкость. В этом случае необходимо предварительное охлаждение газа.
К семидесятым годам ХIХ века было произведено огромное количество опытов по сжижению газов и получено много новых жидкостей (следует особо отметить опыты Фарадея, который наряду со сжатием, применяемым раньше для сжижения газов, первым использовал охлаждение газа).
Однако кислород, азот и водород не проявляли никаких признаков превращения в жидкость.
Поэтому в физике стало складываться убеждение, что эти три вещества являются «постоянными газами». Лишь в 1877 году французский учёный Кальете сумел получить жидкий кислород при температуре
Очень сложным был путь получения жидкого водорода.
Он превращается в жидкость при температуре всего
Гелий был открыт в 1869 году при исследовании спектра солнечной короны. На Земле же в течение очень длительного времени никому не удавалось его найти. Только в 1895 году английский химик Рамсей обнаружил его в составе газов, выделяющихся при нагревании некоторых минералов. Лишь в самом конце XIX века стало ясно, что температура сжижения гелия лежит ниже точки кипения жидкого водорода.
В конце девяностых годов прошлого столетия Камерлинг-Оннес приступил к опытам, цель которых состояла в получении жидкого гелия. Ему-то и удалось провести эксперимент, ставший последней страницей в истории поиска «новых жидкостей».
Почему Камерлинг-Оннес заинтересовался именно физикой низких температур? Позже, в 1913 году, всемирно известный учёный при вручении ему Нобелевской премии сам дал ответ на этот вопрос: «Эта работа должна приподнять завесу, которой тепловое движение при обычных температурах закрывает от нас внутренний мир атомов и электронов».
Температура, при которой гелий переходит в жидкое состояние, составляет
Успех не был случайным. Помимо огромного таланта, фантазии, работоспособности, Камерлинг-Оннес отличался особым подходом к постановке эксперимента. Это был физик необычного склада. Личный пример Камерлинг-Оннеса и созданная им научная школа сыграли важную роль в формировании облика современного физика-экспериментатора.
Новые жидкости (кислород, азот и водород) были получены в лабораториях Парижа, Вроцлава и Лондона с помощью весьма остроумных, но достаточно скромных экспериментальных средств. Камерлинг-Оннес первым понял, что физик-экспериментатор двадцатого века должен быть ещё и хорошим инженером. Ему было ясно, что получение жидкого гелия требует совершенно новых мощных технических средств. Он создал знаменитую школу стеклодувов и прибористов, сконструировал специальную холодильную машину.
В наши дни такая постановка эксперимента никого бы не удивила. Всем хорошо известно, например, что современные ускорители — это не только физические приборы, но и сложнейшие технические сооружения. То же самое можно сказать и о современных радиотелескопах, электронных микроскопах, установках высокого давления и других технических средствах современной физики. Но в начале века Камерлинг-Оннес резко выделялся на фоне многих экспериментаторов, проводивших свои исследования (главным образом качественного характера) с помощью небольших лабораторных установок.
Итак, в 1908 году было произведено сжижение последнего природного газа — гелия. В эти же годы работами Планка по тепловому излучению и Эйнштейна по фотоэффекту были заложены основы квантовой теории.
Вначале квантовая физика и физика низких температур развивались независимо друг от друга. Однако в дальнейшем обнаружилась тесная связь этих «ровесников». Большую роль в этом сыграли работы Камерлинг-Оннеса. В своей Нобелевской лекции, уже упоминавшейся выше, он говорил: «... Учение Планка о квантах выдвинуло измерения при самых низких температурах на передний план физического интереса».
Жидкий гелий часто называют «квантовой жидкостью». При первом знакомстве с квантовой физикой может создаться впечатление, что законы её важны только для описания свойств атомов, атомных ядер, электронов и других микрочастиц. Жидкий гелий — один из самых ярких примеров того, что квантовая физика может описывать также и свойства макроскопических тел.
Перед вами — жидкость, налитая в сосуд. Вы можете наблюдать за её поведением, переливать в другой сосуд и т. д. И вместе с тем свойства жидкого гелия совершенно необычны; он радикально отличается от всех других жидкостей. Его поведение объясняется только законами квантовой физики.
Каковы же основные особенности поведения жидкого гелия?
Первая из них была обнаружена Камерлинг-Оннесом ещё при проведении эксперимента, во время которого впервые был получен жидкий гелий.
Оннес предпринял попытку перевести гелий в твёрдое состояние.
Он начал уменьшать давление в сосуде, где находилась кипящая жидкость.
При этом температура понижалась (её значение стало близким к
Камерлинг-Оннес и в дальнейшем неоднократно пытался получить твёрдый гелий.
Последняя такая попытка была предпринята им в конце жизни в 1922 году.
Откачивая пар над жидким гелием двенадцатью новыми насосами специальной конструкции (давление при этом упало до
В настоящее время твёрдо установлено, что гелий — единственное в природе вещество, которое не затвердевает вплоть до абсолютного нуля (он может стать твёрдым лишь при дополнительном сильном сжатии). Впервые твёрдый гелий был получен в 1926 году Х. Кеезомом, преемником Камерлинг-Оннеса, возглавившим после него работу в Лейденской лаборатории.
С точки зрения классической физики уникальное поведение жидкого гелия совершенно непонятно. Ведь с понижением температуры тепловые колебания частиц вещества становятся всё слабее и слабее. Наличие же сил межмолекулярного сцепления должно приводить в конце концов к затвердеванию вещества.
Поведение жидкого гелия не имеет ничего общего с этой картиной. Гелий оставался бы жидким и при абсолютном нуле, хотя при этом вообще бы не было никакого теплового движения.
Камерлинг-Оннеса в первом же эксперименте поразила очень малая плотность жидкого гелия. Он оказался в 8 раз легче воды! Столь малая, плотность говорит о том, что лёгкие и инертные атомы гелия находятся к тому же на большом расстоянии друг от друга. Перевести такую жидкость в твёрдое состояние гораздо сложнее, чем обычные жидкости.
Гелий и остаётся поэтому жидким вплоть до самых низких температур. Вблизи же абсолютного нуля его затвердеванию препятствуют законы квантовой физики. Согласно этим законам обычное представление о полной остановке атомов при абсолютном нуле оказывается неправильным.
Дальнейшее развитие физики низких температур привело к обнаружению ещё одного замечательного свойства жидкого гелия.
При температуре
Получив в 1908 году жидкий гелий и добившись рекордно низких температур, Камерлинг-Оннес резко меняет направление своих исследований. Увидев, что область температур вблизи абсолютного нуля — это целый мир особых физических явлений, он приступает к последовательному изучению различных свойств вещества при низких температурах. «Из всех областей физики, — писал Оннес, — подходят к нам толпой вопросы, ожидающие решения от измерений при гелиевых температурах».
Новые исследования привели Оннеса в 1911 году к открытию явления сверхпроводимости.
Прошло почти полвека со времени открытия этого явления, прежде чем стала понятной его природа. Это — уникальный в наше время случай научной загадки. Однако и в наши дни, когда уже создана теория сверхпроводимости, необычность свойств сверхпроводников продолжает вызывать удивление и восхищение многих физиков.