Вблизи абсолютного нуля

«Чудеса» мира сверхнизких температур начинаются с самого гелия. У этой жидкости столько неожиданного, она так отличается от других жидкостей, что ученые посвятили гелию сотни, тысячи различных научных работ. Кто-то подсчитал, что по количеству этих исследований гелий даже обогнал воду, а, казалось бы, о воде написано очень много.

Сначала гелий не производит впечатления необыкновенной жидкости. Что особенного? Нелегко получить, быстро вскипает. Как будто бы и все. Но стоит лишь немного охладить эту прозрачную жидкость, как начинаются форменные чудеса. Когда до абсолютного нуля остается лишь два градуса, гелий вдруг переходит в особое состояние. Он и тот и не тот. Ученые дали этой разновидности название — гелий-2 (читается «гелий два») в отличие от обычного гелий-1.

Что такое трение, без сомнения, знают все. Колеса автомобиля трутся о шоссе, наши ботинки — о тротуар. Из-за трения трудно ходить по песку. Когда одно тело движется по поверхности другого, появляется трение. По гладкой дороге автомобилю легче ехать, чем по плохой, проселочной. На проселке трение больше. С другой стороны, трение и помогает нам двигаться. На скользком льду трудновато ходить. Трение там мало, ноги скользят, можно упасть. Многие писатели описывали выдуманный «мир без трения». Там просто жить невозможно. Не только ходить нельзя. Ничего нельзя делать. Люди сидят голые. Ведь наше платье держится потому, что сшито нитками. А нитки не выскакивают благодаря трению.

Столы и стулья, здания и машины лишь из-за трения не разваливаются. А то разлетелись бы на все свои составные части.

В жидкостях тоже есть трение. Когда течет вода, то одни ее слои перемещаются вдоль других. И при этом трутся друг о друга. Поэтому в середине реки течение быстрее, чем у берегов. Каждый следующий слой, считая от середины, движется немного медленнее.

Трение существует внутри всякой жидкости — всякой, кроме гелия-2. Для него трение отсутствует. Удивленные ученые назвали это явление, открытое в 1938 году П. Л. Капицей, сверхтекучестью. Эта жидкость может проникать в тончайшие трубочки — капилляры. И течет быстро, как будто ничто ей не препятствует. Да и в самом деле гелию-2 ничто не мешает.

Еще интереснее «ползучесть» жидкого гелия.

Ученые соорудили небольшой приборчик. Он называется «бочонок Капицы». Это действительно маленький бочонок. Наливают в него жидкий гелий-2. И жидкость храбро начинает взбираться наверх. Ползет, как будто и сила тяжести на нее не действует и законы физики не для нее писаны.

Пленка жидкого гелия может пропутешествовать таким образом очень далеко. Но это еще не все. Гелий — просто фантастическая жидкость. Когда из самовара или водопровода течет вода, мы ничего особенного не замечаем. А если гелий вытекает по очень узкой трубке из большого сосуда, то в трубке он охладится. Зато гелий, оставшийся в сосуде, почему-то нагревается.

Обычные жидкости плохо передают тепло. Зато гелий в этом отношении может поспорить с любым металлом. Невозможно добиться того, чтобы в одном углу сосуда с жидким гелием была одна температура, а в другом — другая. Тепло мгновенно уравновесится. Очевидно, жидкий гелий любит единство в своих рядах и тщательно следит за этим.

В каждом веществе — в воздухе, воде, дереве — звук распространяется по-разному. В воздухе звуковые волны проходят 330 метров в секунду. Если от вспышки молнии до удара грома прошло, скажем, три секунды, то каждый может подсчитать, где была молния. 330 метров в секунду — километр в три секунды. А у нас звук путешествовал ровно три секунды. Значит, молния сверкнула где-то на расстоянии одного километра от нас.

В воде звук распространяется быстрее почти в четыре раза. В твердых телах ему надо еще меньше времени.

Получили ученые жидкий гелий и стали его всячески обследовать. Дошла очередь и до звука. Тут-то и ждал ученых очередной сюрприз. Опять-таки гелий продемонстрировал свои чудесные свойства.

У него оказалось две скорости звука.

Обычная — она называется первым звуком.

И второй звук, это как раз и будет скорость, с которой в гелии распространяется тепло.

Думаете, чудеса на этом кончаются? Не тут-то было! Вот, пожалуйста, еще одно из чудес.

Фонтан в криостате

Все опыты с жидкими газами сверхнизкой температуры производят в особых установках — криостатах.

Криостат — сосуд, в котором физики поддерживают нужную температуру. Зорко следят, чтобы тепло не попало туда со стороны. А если появится внутри сосуда лишняя тепловая энергия, тотчас же отводят ее, изгоняют!

В общем, задача криостата ясна — температура должна быть строго постоянной. Чтобы достичь этой цели, ученые пускаются на всякие хитрости.

Очень тяжело работать вблизи абсолютного нуля. Тут, как нигде, требуются очень умные руки. Даже для конструирования криостатов существует целая наука. А ведь по сути дела — это даже не аппаратура, а просто подготовка рабочего места. Но рабочее место особенное. Слишком уж низка его температура, слишком трудно ее достичь и сберечь.