Впервые его присутствие было обнаружено на Солнце. Он оставил ярко-желтые следы в солнечном спектре. Их нашли сразу два астронома – француз П. Жансен, которому пришлось для этого совершить путешествие в Индию, и англичанин Н. Локьер, и не думавший покидать Лондон.
Каждый из них тотчас сообщил о необыкновенных следах в Парижскую академию наук. И письма эти пришли в один и тот же день, что немало позабавило академиков. В честь этого удивительного события они даже заказали золотую медаль. Ее украсили портреты Жансена, Локьера и бога Солнца Аполлона, восседающего на колеснице.
Вещество, найденное на Солнце, Локьер назвал именем Солнца – «гелий».
Гелий увидели на расстоянии в 150 миллионов километров от Земли, и он еще долго никого не подпускал к себе на более близкое расстояние. Но прошло 25 лет, и английскому ученому Рэлею удалось запереть его в колбу в собственной лаборатории. Однако ученый вначале даже не подозревал, кто его пленник.
Просто Рэлей хотел восполнить пробел, существовавший в «статистическом ведомстве» химии. Он решил точно измерить удельный вес всех известных химикам газов. Надо было положить конец неразберихе, которая возникла из-за грубых, приближенных измерений.
Рэлей взял самые точные весы и без помех, не торопясь тщательно взвесил водород, потом кислород и занялся азотом, добыв его из воздуха. Веса газов он определил очень точно, вплоть до четвертого знака после запятой. И был вполне доволен своей работой. Но чтобы еще раз убедиться в правильности измерений, Рэлей стал снова мерить веса тех же газов, но добытых другим способом.
Так он проверил удельный вес водорода, кислорода и снова занялся азотом. Но на этот раз добыл его не из воздуха, а из аммиака.
И тут работа застопорилась. Литр азота, добытого из аммиака, почему-то был легче, чем литр азота из воздуха! Меньше на пустяк, не хватало каких-то 6 миллиграммов. Но тем не менее, эта разница заставила Рэлея потрудиться. Сколько ни повторял он взвешивание, литр азота не тянул на положенный вес. Ничтожный, блошиный вес не давал исследователю сдвинуться с места.
Рэлей был не таким ученым, который может отмахнуться от факта.
Он начал добывать азот из самых различных химических соединений и каждый раз заново его взвешивать. И удивительно – веса всех азотов совпадали с весом азота, добытого из аммиака, но не из воздуха. Воздушный азот был самым тяжелым!
В это на первый взгляд ничтожное дело включился еще один известный ученый – Рамзай, у которого, надо думать, были дела и поважнее. Но и он не мог оставить такой факт без внимания. Рамзай тоже стал взвешивать азот.
Как одержимые Рэлей и Рамзай перегоняли газы из одной колбы в другую, очищали, взвешивали... Им было недосуг ни пообедать, ни поговорить. Они не выходили из своих лабораторий, а вечерами обменивались письмами.
И вот оба разными путями пришли к одному и тому же выводу: выделенный из воздуха азот не является азотом. Вернее, это не просто азот. К нему явно примешан другой, неизвестный газ. Но какой?
Потянулись месяцы опытов и раздумий. Но в конце концов в пробирке с «чистым» азотом ученые нашли... солнечное вещество. Но прежде чем они настигли его, в «воздушном азоте» был обнаружен сначала аргон, затем криптон – дотоле неизвестные газы, – а потом уж и гелий.
К этому времени гелий был выделен и из минерала клевеита. Так солнечное вещество спустилось на Землю.
И на нашей планете его оказалось так много, что просто поразительно, почему же о нем ничего не знали химики. А узнав, почему так долго гонялись за ним?
Рамзай с присущим ему юмором сказал как-то: – Поиски гелия напоминают мне поиски очков, которые старый профессор ищет на ковре, на столе, под газетами и находит, наконец, у себя на носу.
Так люди впервые услышали о гелии, показания которого пролили впоследствии свет на тайну оловянной чумы.
Двуликий газ
Гелий оказался газом без запаха и цвета, неспособным соединяться ни с каким другим элементом; самым легким элементом из семейства инертных газов. Казалось, это скромный труженик с покладистым характером; им наполняли дирижабли, применяли его и в металлургии и в медицине. Но, на первый взгляд ничем особенным не примечательный, газ имел и второе лицо.
Странности начались тотчас, как гелий охладили. Ученые привыкли к тому, что в таких случаях газы густеют и уплотняются, превращаясь сначала в жидкость, а потом замерзая в твердое кристаллическое тело.
Было хорошо известно, что кислород сжижается при минус 183 градусах Цельсия, азот при минус 196 градусах, водород около минус 253 градусов. Но гелий повел себя совершенно иначе.
Многие пробовали его охлаждать. Была уже пройдена «точка кислорода», и «точка азота», и «точка водорода», а гелий не собирался сжижаться. Он упорно оставался газом.
Только в 1908 году голландскому физику Г. Каммерлинг-Оннесу удалось сделать, казалось, невероятное: он заставил гелий превратиться в жидкость. И случилось это при температуре минус 269 градусов Цельсия! Такой низкой температуры человек не получал еще никогда.
При такой температуре все другие газы становились твердыми, как кусок льда. А гелий превращался в прозрачную жидкость, напоминающую газированную воду.
Но эта безобидная на вид жидкость была в семьдесят пять раз холоднее ледяной воды!
Кристаллизоваться же гелий не хотел даже вблизи абсолютного нуля – при минус 273 градусах Цельсия, самой низкой температуре, которая только возможна в природе. Этим он бросал вызов всей классической физике, провозглашавшей, что всякое движение при абсолютном нуле прекращается. Все должно замерзнуть! А поскольку гелий оставался жидким, значит его атомы все-таки двигались, они не подчинялись закону «вечного покоя».
Несмотря на то, что в 1926 году голландец В. Кеезом справился с гелием и заставил его затвердеть, призвав на помощь морозу высокое давление, зерно сомнения было посеяно. Гелий стал одним из свидетелей против классической физики. С помощью известных законов физика не могла объяснить его поведения.
Ученые еще не перестали удивляться странному поведению благородного газа, как новая сенсация завладела их вниманием. Каммерлинг-Оннес, заставив гелий обратиться в жидкость, решил полюбопытствовать, что будет в таком холоде, например, с ртутью. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что в таком климате, который создается в ванне с жидким гелием, электрическое сопротивление ртути исчезло! Легко представить себе, как он подозрительно поглядывал на прибор, регистрирующий эту величину; как, проверяя его работу, удостоверился, что прибор цел и невредим и все-таки продолжал констатировать исчезновение в ртути сопротивления электрическому току. А потом оказалось, что еще девятнадцать чистых металлов повели себя в области низких температур таким же неподобающим образом, нарушив покой ученых. Самое большое, что ученые тогда смогли сделать, – это дать явлению название «сверхпроводимость».
Вот к каким странным, не предусмотренным тогдашней наукой событиям привел желтый след гелия.
Белая ворона
И непонятные метаморфозы олова, и неблагородное поведение одного из благородных газов, и предательство девятнадцати металлов взбудоражили научную общественность. Что это: случайные, разрозненные явления, ничем между собой не связанные? Или это внешние проявления одной непонятной еще причины? Все это противоречило основным, казалось бы, незыблемым принципам науки.
Ученые оказались в куда более затруднительном положении, чем малыши перед кубиками, никак не складывающимися в картинку. Им предстояло отдельные, разрозненные явления поставить на свои места, но, увы, образца-картинки у них не было.
Между тем опыты с гелием все больше проявляли темные стороны его характера. Выяснилось, что в условиях неслыханного холода жидкий гелий начинал в миллиард раз быстрее проводить тепло. Казалось, тепло в нем распространяется без всякого сопротивления (не промелькнула ли сейчас тень девятнадцати металлов, без всякого сопротивления проводящих электрический ток?).
Гелий становился в миллион раз более подвижным и менее вязким. Капнув жидкий гелий на гладкую охлажденную поверхность, исследователи в изумлении наблюдали, как быстро растекается он в тончайшую пленочку. Как будто не испытывает никакого сопротивления со стороны поверхности!
Если проделать такой же опыт с любой другой жидкостью, ничего подобного не увидишь. Капля как бы застынет, чуть располнев.
И даже это было еще не самым удивительным. Что, если бы вы увидели человека, бегущего вверх по отвесной стене? Это невозможно? Законы тяготения этого не допускают? Приблизительно то же подумали ученые, когда увидели, как жидкий гелий с необычайной быстротой ползет вверх по стенкам сосуда. Это невозможно, ужаснулись многие из них, а трение, а вязкость?! И еще более изумились, услышав мнение советского ученого Петра Леонидовича Капицы: вязкости у жидкого гелия вблизи абсолютного нуля нет вовсе. Это сверхтекучая жидкость.
Так впервые в 1938 году мир услышал удивительное слово «сверхтекучесть».
Вывод П.Л. Капицы был результатом долгих и кропотливых экспериментов, итогом многих раздумий. Почему так молниеносно распространяется тепло внутри жидкого гелия? Как и обычно, его переносит сама жидкость. Ее слои перемешиваются и менее теплые нагреваются от более теплых. Так происходит всегда во всех жидкостях. Но в жидком гелии это происходит молниеносно. Как же так, ведь слои всегда трутся друг о друга, а это должно мешать быстрому перемешиванию. А если вязкость не препятствует? Значит, ее нет!
И Капица подтверждает свою догадку блестящим экспериментом. Он пропускает жидкий гелий сквозь мельчайшие щели – капилляры, через которые обычная вязкая жидкость если и проходит, то ей нужно затратить на это многие миллиарды лет. А гелий, охлажденный до 2 градусов выше абсолютного нуля, просочился буквально на глазах, получив «диплом» первой в истории науки сверхтекучей жидкости.
Жидкость без вязкости! Это было одним из поразительных открытий нашего века. Как такая жидкость отнеслась бы к инородному телу, погруженному в нее? Оказала бы ему сопротивление или нет?
И экспериментатор спешит поставить такой опыт: он опускает в жидкий гелий качающийся маятник (паучок Капицы). Жидкость без трения, без вязкости не остановит его. Но что это? Совершается непонятное: маятник прекращает движение, останавливается... Жидкий гелий повел себя как самая обычная, тривиальная жидкость.
Есть от чего прийти в смятение! В одном случае (с капилляром) жидкий гелий не имеет вязкости, в другом (с маятником) – имеет. Все происходит так, как будто одновременно в нем заключены... две жидкости. Так оно и оказалось. Вот как описывает ни на что не похожее поведение жидкого гелия замечательный советский физик Лев Давидович Ландау: «...часть жидкости будет вести себя как нормальная вязкая жидкость, «цепляющаяся» при движении... Остальная же часть массы будет вести себя как не обладающая вязкостью сверхтекучая жидкость».
Так гелий доказал, что знакомая нам при нормальных температурах жизнь веществ в области предельного холода подчиняется совсем иным законам. Здесь отношения между атомами и молекулами диктуются законами микроскопического мира, неподвластными классической физике. Это поняли два замечательных советских физика и не только поняли, но и доказали: академик Капица – рядом убедительных экспериментов, академик Ландау – серией виртуозных логических и математических построений, которые он оформил в 1940 году в виде теории сверхтекучести. Они подарили миру прозрение тайны низких температур...
Куда привели следы
С этого времени положение в науке о низких температурах резко меняется. Ученые узнали главное – законы, правящие в царстве холода. Теперь оставалось выяснить нормы поведения, которые законы микромира – квантовые законы – диктуют различным веществам.
Приблизительно с тридцатых годов «столица холода» перемещается из Голландии в Советский Союз, Вокруг Капицы и Ландау сплачивается группа молодых ученых, работы которых в новой области физики становятся ведущими. И если раньше исследователи двигались только по серому следу оловянной чумы и желтому следу гелия, то теперь изыскания ведутся сразу во многих направлениях. Фронт исследований простирается от Москвы до Ленинграда, от Харькова до Тбилиси, от Сухуми до Свердловска.
Кольцо вокруг тайны холода сужается. Теперь ученые наблюдают уже не случайные, непредвиденные явления. Они стараются получить результаты, предсказанные теорией сверхтекучести.
Часть из них продолжает двигаться по следу гелия.