При охлаждении жидкого гелия до температуры ниже 2,17 Кельвина вещество претерпевает фундаментальную трансформацию: бурное кипение мгновенно замирает, жидкость теряет вязкость, начинает протекать сквозь микроскопические поры и взбираться по стенкам сосудов вопреки гравитации. Команда научно-популярного канала Veritasium совместно с Лабораторией гравитации Ноттингемского университета воссоздала исторические эксперименты вековой давности, чтобы продемонстрировать макроскопические квантовые эффекты жидкого гелия и проследить путь от первых попыток ожижения газов до драматических теоретических открытий Льва Ландау.
🧊 Гонка к абсолютному нулю и рождение криогеники 1:59
Научная одержимость сверхнизкими температурами зародилась в XIX веке из наблюдений за поведением расширяющегося газа . Физики заметили: когда газ расширяется и толкает поршень, его температура падает. Молекулы при соударении с подвижной преградой передают ей часть импульса, замедляются и теряют кинетическую энергию .
Опираясь на этот принцип, лорд Кельвин сформулировал идею шкалы абсолютной температуры. Он предположил предельное состояние: если позволить газу расшириться настолько, что частицы полностью остановятся, они перестанут оказывать давление на стенки . В этой точке отбирать энергию больше неоткуда — наступает абсолютный ноль. Кельвин рассчитал это значение, получив приблизительно -273 °C . Учёный выдвинул гипотезу, что при приближении к абсолютному нулю металлы, являющиеся отличными проводниками, потеряют электропроводность и превратятся в идеальные изоляторы .
Экспериментальная гонка к этой отметке началась случайно в 1823 году благодаря опытам Майкла Фарадея :
- Фарадей нагревал кристаллогидрат хлора в запаянной стеклянной трубке по совету своего наставника .
- Внутри трубки выделился жёлтый газ, а при росте давления примерно до четырёх атмосфер на дне сконденсировалась ярко-жёлтая жидкость — жидкий хлор .
- За следующие пять недель учёный ожижил ещё шесть газов, однако натолкнулся на непреодолимое препятствие с этиленом .
Любой газ представляет собой совокупность хаотично движущихся частиц, между которыми действуют силы притяжения . При высоких скоростях частицы просто отскакивают друг от друга. Если сжать газ, частицы сближаются и могут образовать жидкую фазу, но лишь в том случае, когда межмолекулярное притяжение способно преодолеть тепловое движение. Если газ слишком горяч, никакое давление не заставит его сконденсироваться — требуется охлаждение .
Спустя двадцать лет Фарадей использовал открытие сухого льда (-79 °C), поместив изогнутую трубку с этиленом под давлением в смесь твёрдой углекислоты и эфира . Этилен сконденсировался в бесцветную жидкость. Развивая методику, Фарадей достиг температуры -110 °C (163 Кельвина), однако шесть газов, включая кислород, азот и водород, так и не поддались его установкам .
В 1883 году польские исследователи Зигмунт Врублевский и Кароль Ольшевский ожижили кислород и азот, опустив рекордную планку до 77 Кельвинов . В 1898 году шотландский физик Джеймс Дьюар ожижил водород при 20 Кельвинах и затем заморозил его при 14 Кельвинах . На рубеже веков непокорённым оставался единственный газ — гелий.
🎈 Охота за гелием: от радиоактивного песка до термосов Дьюара 6:33
Многие физики начала XX века считали гелий веществом, которое невозможно перевести в жидкое состояние в принципе . Причина кроется в квантовой структуре его атома. Будучи благородным газом, гелий обладает полностью заполненной электронной оболочкой . Он не образует химических связей, из-за чего долгое время оставалось неясным, притягиваются ли его атомы друг к другу хоть в какой-то степени .
В 1882 году к криогенной гонке подключился нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, создавший в Лейдене исследовательскую лабораторию промышленного масштаба со штатом стеклодувов, механиков и химиков . К 1906 году он наладил получение жидкого водорода и сосредоточился на гелии .
Исследователь столкнулся с двумя фундаментальными трудностями:
- Критический дефицит сырья на Земле. Гелий — второй по распространённости элемент во Вселенной, но на Земле он практически отсутствует в свободном виде (около 5 частей на миллион в атмосфере) . Из-за малой массы атомы гелия в верхних слоях атмосферы разгоняются солнечным излучением выше второй космической скорости (11 км/с) либо ионизируются и уносятся полярным ветром в открытый космос навсегда . Общемировой запас очищенного гелия тогда не превышал объема 50 праздничных шаров .
- Сложность выделения. Гелий образуется в результате альфа-распада тяжёлых радиоактивных элементов: альфа-частица (ядро гелия) захватывает в породе два электрона и оказывается запертой в кристаллической решётке . Камерлинг-Оннес закупил мешки с монацитовым песком, содержащим около 5% тория . Четыре химика месяцами прокаливали песок, устраивали реакции с кислородом, вымораживали примеси жидким воздухом, сжигали остатки над оксидом меди и пропускали газ через активированный уголь, получив около 25 шаров чистого газа — около 80% всех мировых запасов того времени .
Серией опытов Камерлинг-Оннес доказал, что слабое притяжение между атомами гелия всё же существует . Причиной служат силы Ван-дер-Ваальса: отрицательно заряженное электронное облако вокруг ядра флуктуирует, создавая мгновенный дипольный момент, индуцирующий ответный диполь в соседнем атоме . Поскольку гелий удерживает свои электроны крайне прочно, эти силы минимальны среди всех элементов Периодической таблицы .
Вторая проблема заключалась в колоссальном температурном градиенте . Чем больше разница температур между установкой и комнатой (почти 300 градусов), тем интенсивнее приток тепла. Дьюар ранее изобрёл сосуд с двойными посеребрёнными стенками и вакуумной прослойкой, отсекавшей теплопроводность и конвекцию, что снижало теплопотери в 30 раз . Камерлинг-Оннес усовершенствовал схему, создав систему каскадных сосудов:
- Внешний контур заполнялся жидким воздухом.
- Средний контур содержал жидкий водород с температурой 20 Кельвинов .
- Внутренний резервуар предназначался для гелия.
Благодаря экранированию излучение от стенок с температурой 20 Кельвинов вместо 300 снизило тепловую нагрузку на гелиевый контур в 50 000 раз . Для замера сверхнизких температур учёный встроил гелиевый газовый термометр постоянного объёма: давление разреженного газа внутри пропорционально его температуре .
🌡️ Триумф 1908 года: первое ожижение гелия и открытие сверхпроводимости 15:04
Решающий эксперимент состоялся 10 июля 1908 года . Лаборатория начала работу в 5:30 утра. Заготовив накануне 75 литров жидкого воздуха, команда запустила водородный ожижитель и к 13:30 получила 20 литров жидкого водорода .
Гелий циркулировал по замкнутому циклу под давлением 100 атмосфер, предварительно охлаждаясь водородом до 15 Кельвинов, после чего стравливался через дроссель во внутренний сосуд . Расширение заставляло молекулы преодолевать силы межмолекулярного притяжения за счёт собственной кинетической энергии (эффект Джоуля — Томсона), что вызывало падение температуры . Охлаждённый газ возвращался по теплообменнику, остужая встречный поток.
К 18:30 установка достигла небывалой отметки в 6 Кельвинов . В районе 5 Кельвинов падение температуры внезапно прекратилось. Присутствовавший химик предположил, что показания стабилизировались из-за погружения термометра в жидкость . Сквозь полупрозрачные стенки ничего не было видно: коэффициент преломления жидкого гелия составляет 1,025, что почти неотличимо от оптических свойств воздуха . Камерлинг-Оннес подсветил сосуд фонарём под углом, и на границе сред блеснул отчётливый мениск, похожий на лезвие ножа . Гелий был ожижён при температуре 4,2 Кельвина.
Вечером того же дня учёный попытался получить твёрдый гелий . Понизить температуру любой жидкости можно интенсивной откачкой паров: удаление самых быстрых молекул уносит теплоту парообразования . Жидкость вскипела, её уровень стремительно падал, но в точке 2,17 Кельвина бурление внезапно и необъяснимо прекратилось — поверхность стала зеркально гладкой . Несмотря на откачку до 1,7 Кельвина, гелий оставался абсолютно жидким .
В последующие два года Камерлинг-Оннес дошёл до 1 Кельвина, но гелий не кристаллизовался. Оставив попытки заморозить вещество, учёный перешёл к проверке гипотезы Кельвина о бесконечном сопротивлении металлов . В апреле 1911 года он погрузил в ванну с жидким гелием ртуть. По мере охлаждения её электрическое сопротивление плавно снижалось, а в районе 4,2 Кельвина мгновенно рухнуло до нуля . Так была открыта сверхпроводимость, принёсшая Камерлинг-Оннесу Нобелевскую премию по физике 1913 года .
🧪 Упущенное открытие: феномен лямбда-точки и ползущая плёнка 21:42
Тот факт, что в день открытия сверхпроводимости кипение гелия резко прекратилось при 1,8 Кельвина, Камерлинг-Оннес зафиксировал в журнале, однако счёл незначительным артефактом . На протяжении следующих двух десятилетий жидкий гелий регулярно демонстрировал аномалии:
- В районе 2,17 Кельвина плотность жидкости достигала выраженного максимума .
- График удельной теплоёмкости при приближении к 2,17 Кельвина взмывал вверх крутым пиком, напоминающим греческую букву $\lambda$ (лямбда), из-за чего рубеж назвали лямбда-точкой .
- Сотрудники лаборатории поначалу сочли всплеск теплоёмкости сбоем измерений и отбросили эти точки, опубликовав лишь данные выше 2,61 Кельвина, укладывавшиеся в классические формулы .
Камерлинг-Оннес лично наблюдал, как уровни жидкости в двух сообщающихся сосудах, вложенных друг в друга, сравнивались ниже 2,17 Кельвина с колоссальной скоростью . Он списал это на ускоренную дистилляцию.
Эксперимент Ноттингемского университета показал истинную природу феномена: если приподнять чашечку с гелием над поверхностью резервуара при 1,5 Кельвина, гелий начинает вытекать каплями с её сухого наружного донышка . Атомы гелия притягиваются к стенкам чашки сильнее, чем друг к другу, за счёт поляризации атомов твёрдого тела . Жидкость мгновенно покрывает поверхность тончайшей плёнкой толщиной около 30 нанометров (плёнка Роллина) и за счёт сифонного эффекта перетекает через край сосуда, полностью его опустошая .
⏱️ Вязкость на грани нуля: открытие сверхтекучести и научная драма 1938 года 28:41
Точное понимание природы гелия начало складываться только в конце 1930-х годов, когда физики обратили внимание на отсутствие измерений его вязкости . Канадский аспирант Дон Майзнер в Кембридже решил измерить вязкость методом крутильных колебаний: цилиндр, подвешенный на упругой нити, закручивался в ванне с гелием . Чем дольше затухают колебания, тем ниже вязкость среды. Выше точки перехода вязкость гелия составляла 14% от вязкости воздуха, а ниже 2,17 Кельвина падала до 5%, но оставалась вполне измеримой величиной .
К исследованиям подключился 27-летний канадский физик Джек Аллен . Вместе с Майзнером они применили капиллярный метод, пропуская жидкость через узкие трубки . Согласно законам гидродинамики Пуазёйля, скорость истечения вязкой жидкости пропорциональна перепаду давления и резко падает при сужении просвета . Однако жидкий гелий при 1 Кельвине протекал через узкий капилляр с той же скоростью, что и через капилляр с площадью сечения в тысячу раз больше, а повышение давления практически не меняло скорость потока . Вязкость жидкости внутри капилляра математически обращалась в ноль.
Пока Аллен и Майзнер проверяли расчёты, в лабораторию пришло письмо из Москвы :
- Оборудование, на котором работали кембриджские учёные, ранее принадлежало советскому физику Петру Капице, работавшему в Кавендишской лаборатории у Резерфорда до лета 1934 года, пока во время визита в СССР его паспорт не был аннулирован по приказу Сталина .
- Оставшись в Москве, Капица воссоздал криогенную лабораторию в Институте физических проблем и параллельно провёл аналогичные измерения истечения гелия через узкий зазор между полированными дисками .
- Обнаружив исчезновение вязкости, Капица немедленно отправил заметку в журнал Nature с припиской редактору: «Печатайте как можно быстрее, не утруждайте себя пересылкой гранок в Москву» .
Аллен и Майзнер форсировали подготовку статьи, и 8 января 1938 года оба исследования вышли на соседних полосах Nature . Капица ввёл в научный обиход фундаментальный термин «сверхтекучесть» (superfluidity) по аналогии со сверхпроводимостью .
Отсутствие вязкости объяснило поведение пористого стакана в экспериментах: полимерный аэрогель на дне пронизан порами диаметром в десятки нанометров . Выше 2,17 Кельвина гелий блокируется в них силами трения, но ниже точки перехода протекает сквозь твердь без малейшего гидродинамического сопротивления .
⚛️ Квантовый тупик: бозоны, фермионы и пробел в теории Эйнштейна 36:15
Нулевая вязкость противоречит классической физике: миллиарды миллиардов частиц движутся по каналу, не испытывая трения о стенки и не теряя кинетической энергии при столкновениях . В марте 1938 года немецкий теоретик Фриц Лондон вспомнил забытую работу Альберта Эйнштейна 1925 года, развивавшую идеи индийского физика Шатьендраната Бозе .
Квантовая механика постулирует корпускулярно-волновой дуализм: длина волны де Бройля частицы равна постоянной Планка, делённой на её импульс ($\lambda = h/p$) . При охлаждении импульс падает, а длина волны растёт. Когда волны отдельных частиц начинают перекрываться, их индивидуальность стирается .
Поведение квантовых систем определяется фундаментальным типом частиц:
- Фермионы (электроны, протоны, нейтроны) обладают полуцелым спином ($1/2$). Их коллективная волновая функция антисимметрична. В силу принципа запрета Паули два тождественных фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, поэтому при охлаждении они послойно заполняют энергетические уровни снизу вверх .
- Бозоны (фотоны и составные частицы с целым спином) описываются симметричной волновой функцией. При охлаждении ниже критической температуры макроскопическая часть бозонов скачкообразно конденсируется на самом нижнем, основном энергетическом уровне .
Это состояние получило название конденсата Бозе — Эйнштейна (БЭК). Атом гелия-4 состоит из шести фермионов (два протона, два нейтрона, два электрона), суммарный спин которых целочисленный, что превращает гелий-4 в составной бозон . Ниже 2,17 Кельвина атомы конденсируются, и триллионы триллионов частиц начинают вести себя как единая волновая функция размером со весь сосуд .
Однако ведущий Veritasium подчеркнул: отождествление сверхтекучести с идеальным конденсатом Бозе — Эйнштейна неверно . В классическом БЭК частицы неконденсированного газа не взаимодействуют между собой, поэтому любая сколь угодно малая сила способна выбить атом из основного состояния, разрушив когерентность и вызвав рассеяние потока . Для объяснения истинной природы сверхтекучей жидкости требовался иной фундаментальный подход.
🏛️ Спасение из Лубянки: как Пётр Капица вызволил Льва Ландау 43:20
Единственным теоретиком, способным разрешить загадку взаимодействующего квантового конденсата, Пётр Капица считал Льва Ландау . Однако к весне 1938 года Ландау находился в тюрьме в разгар сталинского Большого террора .
Ландау критически оценивал бюрократизацию советского руководства. 28 апреля 1938 года он был арестован органами НКВД по обвинению в руководстве контрреволюционной группой и распространении антисталинской листовки . После изнурительных допросов учёный подписал признание о том, что существующая власть выродилась и действует против интересов трудящихся . В тех реалиях подобный документ означал неминуемый расстрел.
Узнав об аресте, Капица немедленно направил письмо Сталину, характеризуя Ландау как сложного и вздорного человека, но выдающегося физика, необходимого советской науке . Ответа не последовало. Спустя год, совершив открытие сверхтекучести, Капица написал председателю Совнаркома Вячеславу Молотову, заявив, что только гений Ландау способен создать теорию нового состояния материи .
В мае 1939 года Капицу вызвали на ночную беседу на Лубянку. Следователи указали учёному, что Ландау — опасный государственный преступник и шпион, сознавшийся во всех преступлениях . Капица настоял на личном поручительстве. Оформив письменные гарантии собственной головой в случае «любых эксцессов», директор института добился освобождения Ландау, который через два дня вернулся к теоретической работе .
💡 Фононы, ротоны и фонтан на энергии света: квантовая механика Ландау 46:20
Ландау посвятил разработке теории сверхтекучести восемь лет. В отличие от модели идеального газа Лондона, Ландау учёл межмолекулярные силы реальной жидкости . В плотной среде невозможно возбудить одиночный атом — воздействие неизбежно вовлекает ансамбль соседних частиц. Потеря энергии текущей жидкости может происходить только через рождение коллективных элементарных возбуждений (квазичастиц) :
- Фононы — кванты звуковых волн, продольные колебания плотности среды .
- Ротоны — вихревые возбуждения, напоминающие кратковременное возникновение упорядоченных микроскопических кристаллических кластеров в объёме жидкости .
Для возникновения возбуждения текущая жидкость должна одновременно удовлетворять фундаментальным законам сохранения энергии и импульса . Отношение энергии квазичастицы к её импульсу задаёт критическую скорость течения. Чтобы породить фонон, поток должен двигаться быстрее скорости звука в гелии (около 240 м/с) . Для генерации ротонов критический порог составляет около 60 м/с .
При скоростях ниже критической рождение возбуждений квантово-механически запрещено: поток физически не способен передать свою энергию стенкам трубы, и вязкое трение строго равняется нулю . В 1964 году физики Йельского университета закрутили кольцо сверхтекучего гелия в замкнутом контуре — циркуляция продолжалась без малейшего затухания более 12 часов .
🌊 Двухжидкостная модель, «второй звук» и тишина без пузырьков 52:04
Парадокс противоречия между опытом Майзнера (ненулевая вязкость) и опытом Аллена (нулевая вязкость) Ландау объяснил с помощью двухжидкостной гидродинамики, концептуально предложенной Ласло Тиссой . При любой температуре выше абсолютного нуля гелий представляет собой неразрывную смесь двух компонент:
- Сверхтекучая компонента — конденсированный квантовый фон, обладающий нулевой вязкостью и нулевой энтропией .
- Нормальная компонента — газ возбуждений (фононов и ротонов), переносящий всё тепло и обладающий классической вязкостью .
У лямбда-точки (2,17 Кельвина) доля сверхтекучей фракции составляет лишь около 13%, возрастая до 89% при охлаждении до 1,5 Кельвина . Аллен и Майзнер в капиллярах фиксировали лишь сверхтекучую составляющую, просачивающуюся сквозь поры, тогда как крутильный маятник Майзнера тормозился нормальной компонентой .
Двухжидкостная модель прояснила природу термомеханического эффекта (фонтанного эффекта), открытого Алленом в 1938 году . В узкую стеклянную трубку с пористым дном засыпается мелкий наждачный порошок или углеродные гранулы. При освещении карбида обычным фонариком порошок нагревается, нормальная фракция не может уйти сквозь микропоры наружу, а сверхтекучая компонента устремляется внутрь для выравнивания плотности [47:11, 54:14]. Возникает механическое давление, выбрасывающее струю гелия из сопла на несколько сантиметров вверх исключительно за счёт тепловой энергии света .
Также в гелии возникает уникальный механизм термопереноса — противоток двух жидкостей . Нормальная горячая компонента течёт от источника тепла, а навстречу ей сквозь неё беспрепятственно движется холодная сверхтекучая фракция . Теплопроводность сверхтекучего гелия превышает теплопроводность меди в тысячу раз .
Колебания температурного градиента вызывают волны плотности квазичастиц, получившие название «второго звука» — температурных волн в объёме жидкости . Из-за мгновенного рассеяния тепла внутри гелия не могут возникнуть локальные перегретые очаги, поэтому жидкость ниже лямбда-точки перестаёт кипеть пузырьками, сохраняя зеркальное спокойствие . Благодаря этим свойствам в Европейском центре ядерных исследований (CERN) циркулирует 700 000 литров жидкого гелия для охлаждения 9000 сверхпроводящих магнитов Большого адронного коллайдера .
❄️ Почему гелий никогда не замерзает: нулевая энергия и парадигмы науки 58:32
Гелий — единственный элемент во Вселенной, который принципиально не затвердевает при нормальном давлении даже при температуре абсолютного нуля . Объяснение этому даёт соотношение неопределённостей Гейзенберга: $\Delta x \cdot \Delta p \ge \hbar/2$ .
Сотрудник Лаборатории гравитации доктор Крис Гудвин наглядно описал физику процесса:
- Атом гелия в жидкости зажат соседними атомами в условной ячейке радиусом $R$, определяющим неопределённость координаты ($\Delta x \approx R$) .
- Неопределённость импульса частицы составляет величину порядка $\Delta p \approx \hbar / R$ .
- Кинетическая энергия локализации вычисляется по формуле $E = p^2 / 2m$. Малая атомная масса гелия делает значение этой неснимаемой нулевой энергии (zero-point energy) колоссальным .
- На нулевые квантовые колебания приходится свыше 98% всей энергии жидкого гелия .
Эти непрекращающиеся микроскопические толчки преодолевают ван-дер-ваальсово притяжение и разрушают кристаллическую решётку. Чтобы преодолеть нулевые колебания и сблизить атомы для кристаллизации, к системе необходимо приложить внешнее давление не менее 25 атмосфер при температуре около 1 Кельвина .
Анализируя историю исследований, автор Veritasium подчеркнул: Камерлинг-Оннес держал в руках сверхтекучий гелий на протяжении 18 лет, лично наблюдая исчезновение кипения и перетекание через стенки, но так и не осознал масштаба открытого им явления .
Опираясь на концепцию «Структуры научных революций» Томаса Куна, ведущий заключил: исследователи склонны отбрасывать аномальные данные как экспериментальные погрешности, если они противоречат устоявшейся картине мира . По его мнению, научный прорыв требует не только выдающегося интеллекта и трудолюбия, которыми Оннес обладал в полной мере, но и готовности усомниться в привычной парадигме и взглянуть на физическую реальность без предубеждений .
