Но, пожалуй, самая впечатляющая находка в стране абсолютного нуля – псевдочастицы. Как сказать о них? О частицах: протонах, нейтронах, электронах и так далее и так далее (число их все время увеличивается!) – рассказать нетрудно. Они есть, они существуют. Каждая имеет свое лицо, свою биографию, у каждой есть паспорт, где указаны и место жительства и род занятий.
Но то, что ученые назвали компромиссным словом «псевдочастицы», не частицы в обычном смысле. Это скорее явления, но явления очень специфические. Да, они не настоящие частицы, но оказывают влияние на окружающий их микромир, как настоящие.
Как самые настоящие частицы, они участвуют в его жизни, взаимодействуют друг с другом. И в то же время... они не существуют. Они живут лишь на бумаге. Но без них ученые не в состоянии справиться со сложными законами, царящими в микромире. Для создания современных теорий физики вынуждены призвать на помощь наряду с реально существующими частицами и псевдочастицы.
И среди них одна из интереснейших – полярон. Эта псевдочастица удивительных свойств родилась в 1946 году под пером киевского физика-теоретика профессора С.И. Пекара.
Как за человеком в солнечный день движется его тень, так за электроном внутри кристаллической решетки движется облако поляризации, образованное его электрическим зарядом.
Встречные атомы, настигнутые облаком, поляризуются им, как бы связываются с электронами невидимыми нитями. Но и электрону эта связь с окружающими его атомами не обходится даром: он становится как бы тяжелее – масса увеличивается в шесть раз. Эту комбинацию электрона с окружающим его состоянием поляризации и назвали поляроном.
В теории такая комбинация электрона с его облаком поляризации казалась вполне ясной, обоснованной, реально существующей. Но как ее обнаружить, какими средствами подтвердить существование?
Полярон стал предметом пристального внимания физиков. Появились десятки исследований, посвященных этой псевдочастице. Но в большинстве это были теоретические изыскания, так как ни одному физику экспериментатору не удалось непосредственно наблюдать полярон в движении.
Иногда эта затея казалась просто безумной. Стоит ли гоняться за тенью, призраком?
Но ленинградские ученые оказались упрямыми. Они решили оттолкнуться от уже известных вещей. Итак, масса полярона в шесть раз больше массы обычного электрона. Если бы можно было непосредственно взвесить тот и другой, мы получили бы самое лучшее доказательство правильности теории. Но облако взвесить нельзя. Тогда, решили физики, надо проделать такой опыт, в котором бы вес электрона и полярона проявился косвенным путем. Такой опыт вскоре и был проделан.
Если поместить крупинки металла в сильное магнитное поле и воздействовать на них радиоволнами, электроны в металле начнут двигаться по окружности, черпая энергию для этого движения у радиоволн. Электроны будут «танцевать» по кругу в определенном ритме. А если на месте электронов окажутся поляроны? Они тяжелее и, очевидно, «затанцуют» по-другому.
Такая мысль и пришла в голову ученым. Они решили испытать полярон в аналогичном опыте.
Но прежде чем приступить к этому эксперименту, надо было устранить одно мешающее обстоятельство – тепловое хаотическое движение атомов кристалла. Ведь оно нарушает поляронное облако, сопровождающее электрон. Избавиться от этого препятствия помогла техника низких температур. Когда вещество было сильно охлаждено, удалось осуществить задуманный опыт и впервые обнаружить несомненное проявление движущегося полярона. Вот как это случилось.
Подтверждения надо добыть
На охоту за поляроном вышел доктор физико-математических наук Н.М. Рейнов в сопровождении молодых физиков: теоретика А.И. Губанова и экспериментатора Н.И. Кривко.
В качестве поля для охоты они избрали хорошо изученный кристалл закиси меди, а в качестве оружия – мощную технику сантиметровых радиоволн и огромных магнитных полей. Для того чтобы облегчить охоту, они решили вести ее в сверхарктических условиях, погрузив кристалл закиси меди в жидкий гелий. Можно представить себе, с каким волнением ученые приступили к опыту. Кристалл закиси меди погружен в специальный прибор – криостат. Криостат заполнен жидким гелием. Движения атомов в кристалле ослабевают, они как бы замерзают, погружаются в зимнюю спячку. Кривко включает генератор радиоволн. Радиоволны легко проникают сквозь кристалл, практически не поглощаясь им. Затем он включает ток, проходящий через обмотку огромного электромагнита, и медленно увеличивает его силу. Магнитное поле постепенно увеличивается до 1000, 2000,3000 эрстед.
Исследователи внимательно следят за приборами, готовясь уловить момент, когда мощность радиоволн резко упадет. Это будет значить, что электроны в кристалле затанцевали, отобрав энергию, нужную для своего танца, у радиоволн.
Напряженность магнитного поля достигла уже 3500 эрстед, но поглощения радиоволн в кристалле все еще не наблюдается.
Если бы при этом присутствовал посторонний наблюдатель, знающий лишь, что поглощение, связанное с танцем электронов, должно наблюдаться при поле около 2500 эрстед, он пришел бы в волнение. Но ученые спокойны. Они вновь уменьшают ток в обмотке электромагнита, и магнитное поле убывает до нуля. Это был контрольный опыт: при температуре 4,2 градуса выше абсолютного нуля в закиси меди слишком мало свободных электронов, чтобы можно было наблюдать поглощаемую ими энергию, чтобы их танец стал заметным.
Ученые зажигают яркую электрическую лампу и при помощи системы линз направляют ее свет сквозь стенки стеклянных сосудов и сквозь жидкий гелий на кристалл закиси меди. Лучи света выбивают из атомов кристалла электроны, которые начинают беспорядочно двигаться внутри него. Теория предсказывает, что при этом должны возникать и таинственные поляроны.
Разговоры стихают. Все настораживаются. Вновь плавно возрастает ток в обмотке электромагнита, и вдруг... Когда поле достигает 2350 эрстед, приборы показывают сильное поглощение радиоволн.
Губанов быстро проводит расчет. Ему ясно, что это заплясали электроны, выбиваемые светом.
Ток в обмотке электромагнита продолжает возрастать. Теперь волнуются и ученые. Спокойны лишь приборы. Стрелка амперметра – указателя тока – медленно движется вправо. Ток непрерывно увеличивается. Но стрелка прибора, показывающего поглощение радиоволн, все еще неподвижна – поглощение прекратилось.
Медленно идет время, медленно возрастает магнитное поле – 4000 эрстед, 5000... 10 000. Почему же нет поглощения? 15000 эрстед... 17... 18... 19...
Внимание! Теория говорит: ожидай здесь! Если в закиси меди есть поляроны – поглощение близко. 19500 эрстед... Победа! Поглощение радиоволн заметно возросло, плавно увеличилось и, достигнув максимума при 19600 эрстед, вновь уменьшилось.
Так был впервые обнаружен подвижный полярон с массой, в шесть раз превышающей массу электрона. Но теория требовала продолжения опыта. И действительно, при 21600 эрстед был обнаружен еще один максимум поглощения, соответствующий полярону, масса которого не в 6, а в 6,6 раза больше массы электрона.
Хотя ученые и дальше увеличивали силу тока, достигнув напряженности магнитного поля огромной величины – в 30 000 эрстед, больше максимумов поглощения не появлялось.
Два максимума поглощения, наблюдавшиеся во время опыта, были вызваны двумя типами поляронов. Один из них был порожден электронами, другой, как это ни парадоксально, отсутствием электронов или, как говорят ученые, – дырками. В соответствии с предсказанием теории массы обоих типов поляронов несколько различались.
Так, в Физико-техническом институте в Ленинграде в 1959 году впервые наблюдался движущийся полярон – не существующая на самом деле частица, дотоле скрывавшаяся от физиков-экспериментаторов. Еще раньше там же, несколько иным способом, но тоже с помощью тонкого и сложного эксперимента в условиях низких температур изучались свойства другой, не менее своеобразной псевдочастицы.
Речь идет об экситоне, свойства которого предсказал видный советский физик Я.И. Френкель. Он предположил и подтвердил теоретическими расчетами, что атомы и ионы в кристаллической решетке в некоторых случаях, поглощая свет, переходят в особое, возбужденное состояние. Поглотив свет, атом, подобно заряженному ружью или натянутому луку, может сохранять избыточную энергию длительное время. Более того, строй атомов, образующих решетку кристалла, может по цепочке передавать друг другу эту энергию подобно тому, как если бы по шеренге солдат передавалось заряженное ружье. Так, внутри кристалла от одного узла решетки к другому, передается избыточный запас энергии – то, что было названо экситоном.
Если за поляроном ученые охотились почти 15 лет, то экспериментальные поиски экситона отняли у них ненамного меньше времени. И здесь одним из камней преткновения была, во-первых, невозможность «опознать» экситон прямым путем, и, во-вторых, снова мешало тепловое движение атомов кристалла, которое нарушало регулярный процесс передачи экситона от атома к атому, усложняло его, мешало рассмотреть детали.
Только благодаря проведению сложного эксперимента в условиях сверхнизких температур, когда замирают атомы, ученые доказали, что и экситон – реальное состояние атома в кристалле.
Покоя нет
Вы идете по лесу и не можете налюбоваться его летним нарядом, наслушаться веселых птичьих песен. Вокруг все цветет, живет, дышит, напоенное теплом... А зимой, повторяя тот же маршрут на лыжах, вы находите не менее прекрасный, но совершенно другой мир. Поеживаются от холода деревья, одетые в пушистые снежные шапки. Там, где летом нежно журчал ручей, потрескивает сковавший его лед.
«Хорошо, красиво, – думаете вы, растирая озябшие руки, – но холодно...»
Есть на Земле места, где царит такой мороз, что человек, без предосторожности вдохнувший глоток воздуха, моментально застудит легкие. За минуты на таком морозе унты становятся твердыми, жидкое топливо теряет текучесть, железо делается хрупким, а обычная резина разваливается на мелкие куски...
Как люди могли не задуматься над причиной изменения привычных свойств веществ? Как могли не попытаться разузнать что-либо о законах, правящих в царстве деда-мороза, о том, что может принести он в дар человеку не в призрачном мире сказки, а в реальной действительности?
Охотникам за тайнами холода не нужно ездить на Северный полюс или в Антарктиду. Там они спустятся лишь на несколько ступеней в глубь шкалы температур. Чтобы всесторонне изучить повадки холода, ученые прежде всего научились создавать низкие температуры в лабораториях. Теперь исследователи умеют получать не только самую низкую температуру, встречающуюся на Земле (минус 85,7 градуса), но перешагнули даже за 272 градуса холода. А ведь это всего на градус выше самой низкой температуры, возможной в природе, – абсолютного нуля.
А можно ли достичь абсолютного нуля? Можно ли отобрать от частиц вещества всю их тепловую энергию. Наука отвечает на этот вопрос отрицательно. Можно сколько угодно близко подойти к абсолютному нулю температуры, но достичь его невозможно. Причиной этому является неотъемлемое внутреннее движение, присущее материи. Это внутреннее движение связано с запасами внутренней энергии, уничтожить которые невозможно, не нарушив строения молекул, атомов и самих элементарных частиц. Даже в самом пустом пространстве всегда присутствует энергия электромагнитных полей, устранить которую невозможно. А вследствие неизбежных связей, существующих между частицами и полями и между отдельными частицами, эти запасы энергии будут переходить в тепловую энергию, препятствующую возникновению абсолютной неподвижности и достижению абсолютного нуля температуры.
Достичь абсолютного нуля невозможно, но на пути к нему ученые уже, как вы знаете, встретились с рядом неожиданных, поразительных фактов. Несомненно, много замечательных открытий еще лежит в неисследованных далях этого пути.
За последние десятилетия рухнула не одна крепость царства мороза. Образовалась целая область науки – физика низких температур, призванная освоить целину царства холода.
А в последние годы мы стали свидетелями рождения еще новой области – физики сверхнизких температур. Так ученые называют область, лежащую между десятой долей градуса и абсолютным нулем.
Многие лаборатории Советского Союза уже чувствуют себя как дома на этом абсолютном полюсе холода. Здесь особенно удобно исследовать тонкие особенности строения ядер, силы, приводящие к соединению атомов в причудливые конструкции решеток кристаллов, и многие явления, маскируемые тепловым движением материи.
Обнаружив новое явление, поначалу полное таинственности, экспериментаторы часто не торопятся с выводами и с нетерпением ожидают, что же скажет по этому поводу теория. А бывает и так. Теория предсказывает новый эффект, новое явление, какое-то неожиданное свойство знакомого вещества, но эксперимент столь сложен и тонок, что проходит немало времени, прежде чем утверждения формул получат воплощение в жизни.
Сложная теория и тончайшая, ювелирная точность техники эксперимента – вот особенности этой области физики. Она обогащает не только наши знания о природе веществ, но уже дает и практический выход.
Охота за тайнами низких температур в полном разгаре. Не все они разгаданы до конца, многие служат еще предметом споров между специалистами, но все обещают быть полезными человеку.
Без дьявола
Наше проникновение в мир атомов
можно сравнить с великими,