Сверхтекучесть: как жидкость течёт без вязкого сопротивления
Сверхтекучесть — квантовое состояние вещества, в котором возможно течение без вязкого сопротивления. Самый известный пример — сильно охлаждённый жидкий гелий. Опыты Петра Капицы и теория Льва Ландау помогли понять, как квантовые свойства проявляются в жидкости, которую можно исследовать обычными измерительными приборами.
Что происходит с гелием при охлаждении
При обычных условиях гелий — газ. После сильного охлаждения он становится жидкостью, а гелий-4 при температуре около 2,17 кельвина и давлении, близком к атмосферному, переходит в особое состояние. Эта граница называется лямбда-точкой. Ниже неё свойства течения и переноса тепла резко меняются. Речь идёт о перестройке коллективного поведения атомов: квантовые эффекты определяют движение всей жидкости.
В опытах такую жидкость можно пропускать через очень узкие каналы, в которых обычное вязкое течение было бы сильно затруднено. Измеряют расход, разность давлений и температуру. Именно сопоставление разных измерений позволяет установить, что наблюдается особое физическое состояние.
Что показал Капица и что объяснил Ландау
В конце 1930-х годов Пётр Капица исследовал течение жидкого гелия в Институте физических проблем. Его работы стали одним из оснований экспериментального изучения сверхтекучести; независимо явление исследовали Джон Аллен и Дон Мизенер. Точность опытов зависела и от техники: Капица ранее разработал установку, позволявшую получать жидкий гелий в значительных количествах.
Лев Ландау построил теорию, связывающую свойства жидкости с её возможными возбуждениями — коллективными движениями, способными переносить энергию. Такой подход помог объяснить, при каких условиях поток сохраняется без потерь и почему изменение режима движения может привести к сопротивлению.
Почему говорят о двух компонентах жидкости
В двухжидкостном описании выделяют нормальную и сверхтекучую компоненты. Они занимают один объём и описывают разные стороны движения вещества. Нормальная компонента переносит энтропию и проявляет вязкость; сверхтекучая способна двигаться без вязкого трения. Их соотношение зависит от температуры. Представлять их как два слоя, которые можно разлить по отдельным стаканам, было бы неверно.
Границы эффекта и его значение
Сверхтекучесть сохраняется при определённых условиях. Слишком быстрое движение и возникновение вихрей могут сопровождаться потерями энергии. Поэтому выражение «течёт без сопротивления» всегда относится к конкретному режиму опыта. Также следует различать сверхтекучесть жидкости и сверхпроводимость — исчезновение электрического сопротивления в подходящем материале.
Сверхтекучий гелий позволяет исследовать коллективные квантовые явления, вихри и перенос тепла. У другого изотопа, гелия-3, сверхтекучесть возникает при гораздо более низких температурах и устроена сложнее. История этих исследований показывает, как точный эксперимент и теоретическая модель дополняют друг друга и создают новые вопросы для физики. Вихри в таком веществе имеют квантовые ограничения: движение вокруг них нельзя менять совершенно произвольно. Наблюдение этих особенностей связывает лабораторный опыт с представлениями о квантовом устройстве материи.
Источники и дальнейшее чтение
Официальные материалы с объяснением явления и историей его исследования.
Учёные, связанные с этой темой
Биографии помогают увидеть, как возникли вопросы, эксперименты и объясняющие их идеи.
Пётр Капица
Физик-экспериментатор, исследователь сильных магнитных полей, низких температур и плазмы. Открыл сверхтекучесть жидкого гелия и основал Институт физических проблем в Москве.
Лев Ландау
Физик-теоретик, который объяснил необычное поведение жидкого гелия и создал научную школу. Его имя связано с теорией квантовых жидкостей, фазовых переходов и многотомным курсом теоретической физики.