Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Ещё одно необычное и до сих пор не объяснённое свойство вещества — это сверхтекучесть, наблюдавшаяся пока только у гелия. Символично, что это чудо физики низких температур открыто в нашей стране, славной своими морозами. Ещё символичней, что открыл его в 1938 г. не физик-теоретик, а физик-экспериментатор, практик, инженер — Пётр Леонидович Капица, выпускник политеха Санкт-Петербурга [62]. Ведь квантовая теория не то что предсказать, но, даже, объяснить толком сверхтекучесть так и не смогла, равно как и сверхпроводимость. В этом основная причина ограниченного применения того и другого в жизни и технике. Всеми успехами по открытию сверхтекучести, сверхпроводимости, созданию всё более высокотемпературных сверхпроводников мы обязаны только экспериментаторам, интуитивно, случайно, вслепую нащупывающим соединения и сплавы с нужными свойствами. Роль теории в этих поисках ничтожна и сведена к объяснению (формально подогнанному) уже открытого. Поэтому, как многие отмечают, квантовая теория сверхтекучести и сверхпроводимости не оправдала себя. И жизненно необходима принципиально новая теория этих явлений, отличная от квантовой.

Итак, гелий. Как известно, этот инертный газ — самый упрямый из всех газов. Его атомы ни в какую не хотят сцепляться ни друг с другом, ни с атомами других элементов. Упорное нежелание атомов гелия взаимодействовать объясняет, почему этот газ последним сдал свои позиции и поддался сжижению (гелий обладает самой низкой критической температурой TК=5,25 К). Но и в жидком состоянии он сохранил своё упрямство, став единственным веществом, которое даже при абсолютном нуле не затвердевает (лишь под давлением в 25 атмосфер удаётся получить твёрдый гелий). Именно в этом запредельном состоянии, — ниже температуры Т=2,17 К, гелий обретает удивительное свойство сверхтекучести, иначе говоря, теряет вязкость и, даже сквозь тончайшие капилляры, течёт практически без трения.

Сверхтекучесть часто сравнивают со сверхпроводимостью, тоже наступающей возле точки абсолютного нуля [71, 134]. Ведь рождающие ток электроны снуют внутри металла, словно атомы газа. Потому и стали говорить о токе, течении "электронного газа". Его вязким трением, когда тот "сочится" сквозь поры кристалла, и объясняли прежде сопротивление проводников (§ 4.17). Ещё Ом ввёл наглядную гидродинамическую аналогию тока: проводник — это трубопровод; сила тока — расход жидкости (газа); разность потенциалов — разница давлений; сопротивление проводника — сопротивление трубопровода; выделение джоулева тепла — нагрев от вязкости жидкости (или газа) и т. д. А в сверхпроводнике вязкое трение электронного газа, как у гелия, исчезает, и он протекает по проводнику без сопротивления и потерь энергии.

Плодотворность классической модели тока делает её полезной и в настоящее время. Именно она вскрывает связь явлений сверхпроводимости и сверхтекучести, а, значит, — их природу. Правда, в проводнике говорят об электронном газе, тогда как сверхтекучий гелий считают жидкостью. Но вот с этим-то можно поспорить. Всё свидетельствует о том, что сверхтекучий гелий — это, в действительности, тоже газ, и аналогия с электронным газом полная.

Начать с того, что у всех газов с падением температуры T вязкость η, в отличие от жидкостей, не растёт, а убывает по закону η~T1/2. Именно с этим когда-то связывали температурный рост сопротивления металлов: с повышением температуры росла вязкость электронного газа (Рис. 177). Как легко видеть, эта теория предсказывала и полное исчезновение сопротивления возле точки абсолютного нуля, при T=0 К. Поэтому, естественно допустить, что и гелий при охлаждении ниже критической температуры 2,17 К переходит в сверхтекучее состояние, за счёт превращения в газ, обладающий в таких условиях почти нулевой вязкостью η. И точно, опыт Э.Н. Андроникашвили показал, что при падении температуры вязкость сверхтекучего гелия снижается по закону η~T1/2, вплоть до нуля при T=0 К [134]. Но этот опыт почему-то истолковали как подтверждение абсурдной двухжидкостной модели Гинзбурга-Ландау, по которой гелий состоит из нормальной и сверхтекучей компонент: доля последней нарастает при охлаждении, достигая 100 % при абсолютном нуле, что якобы и объясняет нулевую вязкость. На деле же наблюдалось лишь классическое и давно предсказанное падение вязкости газообразного гелия.

Казалось бы, с чего бы это жидкому гелию, полученному при охлаждении газообразного, вновь становиться газом при дальнейшем остывании? Но, зная упрямство гелия, его нежелание пребывать в жидком состоянии, мы можем ожидать от него любого фокуса. Так, на фазовой диаграмме (Рис. 181), показывающей состояние гелия, в зависимости от давления и температуры, видно, что линия AC перехода нормального гелия (He I) в сверхтекучий (He II) — начинается в той же точке А, откуда выходит и линия AB перехода жидкость-газ. Это доказывает тесную связь сверхтекучего и газообразного гелия. Тогда С будет тройной точкой, в которой сходятся твёрдое, жидкое и газообразное состояние вещества, и которой, как полагали физики, нет у одного только гелия.

Рис. 181. Фазовая диаграмма гелия показывает связь сверхтекучего He II с твёрдым гелием и газом.

Физики привыкли твердить, что переход гелия в сверхтекучее состояние принципиально отличен от простых фазовых превращений жидкость-газ (кипение), жидкость-твёрдое тело (кристаллизация) и т. д., сопровождаемых поглощением или выделением определённого тепла и называемых "фазовыми переходами первого рода". А переход He I — He II, не выделяющий тепла, называют уже "фазовым переходом второго рода" (§ 4.18). Но это ошибка: переход гелия в сверхтекучее состояние требует отнятия у него некоторого стандартного количества тепла и столько же тепла надо вернуть, чтобы перевести гелий назад в нормальное состояние. Проморгали физики эту поистине скрытую теплоту перехода, так как привыкли иметь дело с фазовыми переходами, где всё скрытое тепло передаётся при постоянной фиксированной температуре. Так, температура плавящегося льда не тронется с 0 ºC, пока он не поглотит всю теплоту плавления. И, строя кривую теплоёмкости воды, в точке плавления следовало бы изобразить, кроме скачка теплоёмкости, ещё и очень острый пик (так называемую дельта-функцию), соответствующий бесконечной теплоёмкости, ибо в точке плавления подвод тепла не наращивает температуры. Ведь теплоёмкость единицы массы тела — это и есть, по определению, отношение подводимой теплоты к повышению температуры тела.

У гелия теплоёмкость в точке перехода (Рис. 182) тоже устремляется в бесконечность, создавая обычный для фазовых переходов пик [134]. Однако, пик этот уже слегка размыт, что говорит о растянутости самого фазового перехода, но перехода первого рода, сопровождаемого передачей теплоты! Её количество q равно площади S, заключённой под графиком теплоёмкости — в пределах узкой полосы температур в точке перехода (Рис. 182). Такие "размытые" фазовые переходы действительно существуют, особенно, — в сложных двухфазных, двухкомпонентных системах.

Рис. 182. Пик на графике теплоёмкости воды и гелия соответствует фазовому переходу, а его площадь S — скрытой теплоте q этого фазового перехода.

Так, в качестве возможной причины аномального поведения плотности воды возле точки плавления тоже называлось растянутое в широком температурном интервале плавление кристаллов льда (содержащего тяжёлые изотопы), взвешенных в воде [120]. Тем же, видно, обусловлена и другая аномалия воды. Её теплоёмкость с увеличением температуры не растёт, как у всех жидкостей, а падает, достигая минимума при 40 ºC, и лишь при дальнейшем нагреве начинает нарастать (считают, что это и задаёт стандарт температуры тела человека и всех теплокровных [138]). Аномально высокую теплоёмкость воды и её спад в диапазоне от 0 до 40 ºC тоже можно связать с плавлением кристаллов тяжёлого льда, для чего нужен подвод дополнительной теплоты плавления льда (80 кал/г). Причём, это избыточное количество теплоты 0,14 кал/г, находимое как площадь сегмента под левой ветвью кривой теплоёмкости (Рис. 183), в точности равно теплоте плавления заключённого в воде тяжелоизотопного льда. Содержащиеся в 1 г воды 0,0018 г тяжёлого льда H218O, поглощают, по мере плавления, как раз 0,14 кал = (80 кал/г)×(0,0018 г). Выходит, у воды без тяжёлых изотопов нормальный ход имела бы и кривая плотности, и кривая теплоёмкости.

Рис. 183. Пик теплоёмкости С воды от плавления тяжёлого льда.

Интересно, что воду со сверхтекучим гелием роднит как раз очень редкое свойство уменьшать объём при нагревании. Заметим, что природный гелий тоже содержит изотоп, но, в отличие от воды, не тяжёлый, а лёгкий — 3He в количестве от 10–4 до 10–8 %.