Член-корреспондент Академии наук СССР А.И. Шальников, чтобы изучить взаимодействие нормальной и сверхтекучей частей жидкого гелия, «подкрашивает» его электронами. По их движению он надеется проследить за отношением этих двух разных жидкостей.
Доктор физико-математических наук В.П. Пешков обнаружил «второй звук» в гелии, предсказанный теорией Ландау. Оказалось, что, кроме обычного звука, представляющего собой волны сжатия и разрежения, в сверхтекучем гелии возможны незатухающие тепловые волны, названные вторым звуком.
Что бы вы сказали, если бы обнаружили, что вода в чайнике никак не нагревается даже при сильном огне? Сам чайник уже раскален, а вода в нем еще холодная. Нечто подобное обнаружил П.Л. Капица еще в далекие дни первых опытов с гелием.
Объяснить это странное явление удалось лишь в наши дни ученику Ландау доктору физико-математических наук И.М. Халатникову. Оказывается, жидкий гелий нагревается вовсе не так, как вода в чайнике, – от соприкосновения с его стенками. Гелий нагревают те самые неслышимые звуковые волны, которые исходят от стенок сосуда при их нагревании. А процесс этот и не быстрый и не такой уж эффективный...
Так, шаг за шагом, ученые разоблачают тайны необычного характера гелия.
Много интересных явлений предсказали в области низких температур и экспериментально подтвердили московские физики: действительные члены Академии наук СССР В.Л. Гинзбург, И.Я. Померанчук, члены-корреспонденты Академии наук СССР Е.М. Лифшиц, А.А. Абрикосов и многие другие. Но и их работами далеко не исчерпываются исследования всех замечательных и многообразных явлений, связанных со сверхтекучестью гелия.
Вызов физике
Ну, а куда привел ученых след девятнадцати металлов? Туда же, куда и след гелия. Причина сверхтекучести гелия и сверхпроводимости металлов оказалась общей.
Все, конечно, замечали, как вода просачивается сквозь песок. Так и электрический ток представляет собой движение электронов, просачивающихся между атомами металла. Электроны тормозятся атомами, которые сами находятся в тепловом движении и непрестанно колеблются. На эти столкновения и уходит энергия электронов, полученная ими от электрической батареи.
Атомы металла, получив дополнительную энергию, раскачиваются еще больше и еще сильнее мешают продвижению электрического тока. Таков механизм сопротивления металлов электрическому току. Это не было для ученых откровением – явление давно изучено. Но то, чему стали свидетелями ученые, охладившие металлы, было действительно откровением. Куда девается способность металлов сопротивляться электрическому току? Что в них происходит?
Если металл охладить, тепловые колебания атомов уменьшаются. Они меньше мешают электрическому току. А при очень низкой температуре почти совсем не мешают.
Но такое «замерзание» сопротивления не может привести к сверхпроводимости. Ведь тепловые колебания в соответствии с классической физикой убывают вместе с температурой и уменьшаются до нуля только при абсолютном нуле температуры. Квантовая физика показала, что даже при абсолютном нуле движения внутри вещества не прекращаются полностью – остаются так называемые нулевые колебания атомов и элементарных частиц.
Однако опыт показывает, что при постепенном охлаждении сверхпроводящих металлов их сопротивление сначала убывает вместе с уменьшением температуры (как предсказывает классическая физика), но при какой-то температуре, характерной для данного металла, сопротивление внезапно, скачком падает до нуля.
При этом происходит своеобразное явление, не имеющее прецедентов ни в одной другой области науки. Вблизи абсолютного нуля, когда тепловые колебания атомов крайне ослаблены, электроны начинают вести себя совсем по-особому. Их поведение кажется просто непостижимым.
Между ними возникают вдруг силы притяжения! Электроны, несмотря на то, что отрицательно заряженным телам полагается отталкиваться, начинают вдруг стремиться друг к другу!
Для ряда металлов это стремление оказывается настолько интенсивным, что оно пересиливает отталкивание между электронами. По мере охлаждения они все сильнее связываются между собой, объединяясь в дружный, слаженный коллектив. Это немного похоже на то, как отдельные бессильные капли воды превращаются однажды в мощную реку, сметающую на своем пути песок и камни, вырывающую с корнем кусты и деревья.
Так и отдельные электроны в металле вблизи абсолютного нуля сливаются в электронный поток, свободно текущий внутри металлов без всякого сопротивления с его стороны. Наступает состояние сверхпроводимости...
Это удивительное явление до сих пор поражает воображение ученых, до сих пор с трудом переводится на общедоступный язык образов и аналогий. Такое состояние электронов неустойчиво и капризно. Если металл снова нагреть, атомы начнут колебаться сильнее и снова разобьют сверхтекучую жидкость на отдельные беспомощные капли – электроны, которые в одиночку с трудом будут пробираться в металле, растрачивая при этом всю свою энергию...
Итак, странное поведение гелия и металлов при низких температурах имеет общие корни. Явления сверхтекучести и сверхпроводимости очень схожи по своему механизму и подчиняются одним и тем же квантовым законам. Так же как сверхтекучая жидкость при низких температурах без всякого трения проходит через самые узкие щели, так и электронная жидкость в металле – электрический ток – свободно, без трения просачивается через «щели» между атомами и молекулами.
Совсем недавно, в 1958 году, голландский физик X. Казимир с сожалением констатировал: «В настоящее время объяснение явления сверхпроводимости остается вызовом физику-теоретику».
Но вызов этот физики тогда уже приняли. Над проблемой сверхпроводимости размышляли английский ученый Фрелих, американцы Бардин, Купер и Шриффер, австралийцы Шаффрот, Батлер и Блат... Советскую группу по «борьбе» с тайной сверхпроводимости возглавлял математик академик Николай Николаевич Боголюбов.
В тот момент, когда Казимир произнес свою полную горечи фразу, под явлением сверхпроводимости подводилась черта. Полувековая загадка доживала последние часы. Но сдавалась она не без последнего боя.
Формулы в обороне
Еще в 1950 году англичанин Фрелих наметил путь решения проблемы сверхпроводимости. Он понял некоторые причины странного поведения электронов в металле близ абсолютного нуля и тогда составил основное уравнение задачи, но... решить его не сумел.
Задачу он поставил правильно, но ввиду ее исключительной математической сложности с ней не справился. Хотя, надо отдать ему справедливость, он высказал ряд правильных гипотез о природе математических трудностей.
Перед учеными встала трудная задача расшифровки уравнения Фрелиха, которое обещало прояснить картину сверхпроводимости. Над этой задачей работали многие.
Важную физическую идею о природе математических трудностей уравнения Фрелиха высказали австралийские ученые. Потом в эту работу включилась группа американских ученых, но... Задача Фрелиха оказалась и им не по зубам. Это несколько напоминает историю со знаменитой тринадцатой задачей Давида Гильберта. Известный немецкий математик решил много считавшихся неразрешимыми задач, но свою собственную, под таким несчастливым номером, так и не смог одолеть. За нее брались многие математики, но безуспешно. Задача была поставлена в 1904 году, но прошло полвека, а она все не поддавалась. Многие даже шутили поэтому поводу: «Старику Гильберту следовало бы пропустить при обозначении несчастливый номер: этим он облегчил бы труд тех, кто пытается найти ответ его задачи №13».
Несчастливую задачу решил Володя Арнольд, студент 4-го курса Московского государственного университета (ныне доктор физико-математических наук), ученик замечательного математика А.Н. Колмогорова.
Задача Гильберта являлась чисто абстрактной, она представляла соблазн просто как курьез, как математический орешек, на котором математикам стоило поточить зубы. Никаких практических обещаний она не давала, впрочем так же как и другие знаменитые нерешенные задачи: теорема Ферма, поставленная лет сто назад, и Диофантовы уравнения, которым уже чуть ли не тысячу лет.
С задачей сверхпроводимости дело обстояло совсем иначе, ведь это была насущная задача не только чистой науки, но и техники.
Поэтому задача сверхпроводимости была решена гораздо быстрее. И сделали это Боголюбов с группой сотрудников и американские ученые Купер, Бардин и Шриффер. Они решили даже не уравнение Фрелиха, а математическую задачу, обогащенную по сравнению с этим уравнением более точными данными о явлении; задачу более полную, точнее рисующую сложное поведение электронов в охлажденных металлах.
Картина сверхпроводимости оказалась до тонкости похожей на картину сверхтекучести. Поэтому ученые использовали теорию сверхтекучести как фундамент для построения теории сверхпроводимости. Академик Н.Н. Боголюбов за раскрытие тайны сверхпроводимости был удостоен Ленинской премии 1958 года.
Разоблачение
А след оловянной чумы? Не затерялся ли он в путанице многочисленных следов, покрывающих недавно еще девственные просторы царства холода? Если его отыскать и пойти по нему, он приведет в Харьков, в одну из старейших лабораторий низких температур, руководимую действительным членом Академии наук УССР Б.Г. Лазаревым. Он и его сотрудники В.И. Хоткевич, И.А. Гиндин, Я.Д. Стародубцев натолкнулись в своих исследованиях и на давнюю загадку олова.
Изучая поведение металлов при низких температурах, физики обнаружили интереснейшие вещи. Что, если заморозить воду? Конечно, она превратится в лед. И может даже показаться, что, замерзнув, лед так и останется льдом. Но лед льду рознь. Ученым уже известен почти десяток видов льда, отличающихся между собой своей структурой.
Экспериментаторы замораживали не только воду, а и такие металлы, как литий, натрий, висмут, бериллий, ртуть, цезий, и получали... нечто совсем иное. Так говорил рентгеноструктурный анализ, фиксируя новую структуру.
В чем же дело? Несомненно, ученые имели дело все с теми же исходными веществами. Это были те же металлы, но, оказывается, при низких температурах они, так же как и обыкновенная вода, изменяли свою структуру.
Харьковчанами раскрыт и секрет олова. Оно тоже испытывает превращения, названные низкотемпературным полиморфизмом. При определенной температуре белое олово превращается в серое порошкообразное вещество, удивительно похожее на то, которое полтора столетия тому назад было обнаружено на петербургском складе. Это было то же олово, но изменившее свою структуру. Такое превращение может произойти и при более высокой температуре, если потрясти металл. Удар, сотрясение ускоряет перерождение. Как видно, по этой же причине развалились баки с горючим на экспедиционных кораблях Роберта Скотта. Поэтому теперь никогда не паяют чистым оловом радиотехническую аппаратуру, подверженную тряске.
Но все-таки олово не раскрыло своей тайны до конца. Если другие охлажденные металлы сохраняют металлические свойства, то олово ведет себя совсем неожиданно. Оно превращается в полупроводник... Это все еще не объясненный факт.
Необъяснимым остается и другое. В большинстве случаев строение охлажденных металлов становится экономичнее, атомы и молекулы упаковываются плотнее. В этом удивительном факте ученые убеждались не раз. Низкие температуры поступают с металлами так же, как высокие давления.
Этому правилу подчиняются литий, натрий и многие другие металлы.
А олово – нет. Оно поступает как раз наоборот. Аккуратные белые брусочки распухают и превращаются в рыхлое месиво.
Почему оно ведет себя именно так? Почему при охлаждении и деформации стремится занять побольше места? Ответа на это пока нет.
Но стоит ли об этом думать? Может быть, это вовсе не так важно?
Нет, и обращение олова в полупроводник, и увеличение его объема при охлаждении не случайность. Это, несомненно, проявление какой-то скрытой закономерности. И ученые трудятся над ее выявлением, ибо это необходимо для управления поведением металлов, для создания материалов с наперед заданными свойствами.
Ставя опыт с охлажденными металлами, харьковские ученые обнаружили совсем уж курьезное явление, объяснить которое поначалу не брались даже самые опытные теоретики.
Результаты опытов упорно настаивали на том, что металл в куске может обладать совсем иными свойствами, чем тот же самый металл, но... в виде пленки. На первый взгляд это кажется просто абсурдным, противоречащим всему опыту общения с металлами. Однако...
Не по правилам
Как садовник сажает семена растений, так физики «сажали» атомы висмута и бериллия, натрия и калия на охлажденную жидким гелием пластинку. Сажали не торопясь, один за другим. Только так можно было получить действительно сверхтонкую пленку.