книги из ГПНТБ / Добровольский Е.Н. Почерк Капицы

на простой маленькой каравелле. На лод­ чонке с современной точки зрения. Но что­ бы освоить Америку, потребовалось постро­ ить большие корабли, и это полностью себя оправдало. Мне кажется, что нужно идти по этому пути. По пути создания совершенных институтов.

Первой проблемой Института физических проблем был жидкий гелий.

Тут будет много вопросов. Почему гелий? И почему жидкий? И главное — чем объяс­ няется переход Капицы от сверхсильных магнитных полей, принесших ему мировую славу, к проблемам простейшего одноатом­ ного газа без цвета, без запаха, к тому же химически недеятельного, почти инертного?

Казалось, гелий достаточно изучен. Ни­ что не предвещало крупных неожиданностей, сответствующих размаху Капицы.

Гелий, солнечный газ, был открыт в шес­ тидесятых годах прошлого века в спектре Солнца. С тех пор вплоть до наших дней этот факт преподносится широкой публике как одно из классических подтверждений могущества научного метода. Школьникам

78

на уроках физики рассказывают, что обнару­ женная в спектре Солнца ярко-желтая ли­ ния гелия долго не отождествлялась ни с одним из земных элементов до тех пор, пока английский ученый Рамзай не выделил таин­ ственный «солнечный газ» из в общем-то за­ урядного земного минерала — клевеита.

Было время, когда практический интерес к гелию вдруг повысился в связи с возмож­ ностью использовать его для наполнения ди­ рижаблей: гелий не горит, а водородные ди­ рижабли расстреливались из стрелкового оружия в позиционной войне четырнадцатого года, гибли в ночных полетах над Лондоном, под Верденом, на Ипре. Есть страшные фо­ тографии и кадры старых кинохроник. На них пылающие дирижабли, как пылающие жирафы с картины безумного сюрреалиста, символы неуклюжих идей и надежд начала века.

Использование гелия для летательных аппаратов — проблема скорей инженерная, чем научная. Капицу интересовало другое обстоятельство.

При нормальном давлении гелий начина­ ет превращаться в жидкость при температу­ ре, близкой к абсолютному нулю, точней —

79

всего лишь на 4,2 градуса выше. Это самая холодная жидкость.

Жидкий гелий прозрачен. Даже в срав­ нении с самой прозрачной, не водопровод­ ной, а ключевой водой он не заметен. Его можно видеть только на очень близком рас­ стоянии. Но в этом еще нет ничего удиви­ тельного. Чудеса начались с того, что, изу­ чая свойства жидкого гелия, Камерлинг-Он- нес обнаружил, что гелий имеет два состоя­ ния.

Первое состояние существует до темпе­ ратуры 271°С. Это кипящая жидкость. Даже рассеянный свет заставляет ее кипеть. При температуре ниже на два градуса модифи­ кация гелия меняется. Оставаясь жидким, гелий-1 переходит в гелий-11.

Гелий-П уже не кипит. Его свободная поверхность, совсем как вода в стакане, вполне неподвижна. Чтобы защитить жид­

‘ глядит, рассказал корреспондент Всесоюзно­ го радио, объяснения которому давал сын

диотекст.

80

РАДИОРЕПОРТАЖ ИЗ ИНСТИТУТА ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

(Сначала короткое введение в суть воп­ роса, затем мы слышим музыку, очевидно соответствующую характеру физики низких температур, потом — голос диктора.)

Диктор. Вначале нам хочется продемон­ стрировать вам, как действуют температуры на механические свойства вещества. Опыт проводит доктор физико-математических наук Сергей Петрович Капица.

Корреспондент. Мы подойдем поближе к столу экспериментатора. Здесь расставлены круглые блестящие шары. Это сосуды дьюары. Они напоминают термосы, сделан­ ные из двойного стекла, а из пространства между стенками выкачен воздух. В них хра­ нятся жидкости при низких температурах.

Капица. Вы слышите звук свинцового колокольчика, который теплый и незаморо­ женный. Сейчас я его заморожу.

Корреспондент. Что вы льете, Сергей Петрович, в этот сосуд?

Капица. Я лью жидкий азот. Корреспондент. А почему он так кипит? Капица. Потому, что он гораздо холод­

81

нее, чем все окружающее, и все окружающее кажется для него теплым, и потому он на­ гревается и при этом кипит, как вода в чай­ нике.

Корреспондент. А сколько градусов в жидком азоте?

Капица. Почти 200 градусов ниже нуля. Такого мороза на земле никогда не бывает. Вот кипение кончилось. Колокольчик за­ мерз. Теперь колокольчик звонко звенит. Он вместо того, чтобы стать пластическим, стал упругим, жестким металлом.

Корреспондент. А это что такое, Сергей Петрович?

Капица. Резиновый колокольчик. Он сов­ сем не звенит, если я болтаю его в незамерз­ шем состоянии. Заморозим резиновый коло­ кольчик.

Резиновый колокольчик замерз. Резина тоже изменила свои свойства. Стала жест­ кой, почти как эбонит. Теперь ее можно об­ рабатывать, резать, она потеряла всю свою гибкость. Так действует температура на ме­ ханические свойства вещества. Однако и сам жидкий азот обладает тоже интересными свойствами, которые можно продемонстриро­ вать в простом опыте. Вот у меня здесь ма-

82

ленький ручной пистолет — хлопушка такая. Я наливаю в него жидкий азот и затыкаю пробкой. Постепенно азот начинает испа­ ряться и развивает очень большое давление. Таким путем можно вообще получить дав­ ление до 1000 атмосфер. Ну конечно, в этой хлопушке... Вот она выстрелила, давление расширившихся газов выбросило пробку из ствола. Давление, которое можно получать у жидких газов таким способом, использует­ ся в технике. В частности, таким образом можно создавать то большое давление, ко­ торое обычно имеют в баллонах со сжатым газом. Испаряя сжиженный газ в специаль­ ных газификаторах, вы сразу получаете сжи­ женный газ при комнатной температуре очень высокого давления. На таких простых опытах мы постарались показать вам те свойства, которые приобретают вещества, охлажденные до глубокого холода, до темпе­ ратур, которыми обладают сами газы, нахо­ дящиеся в жидком состоянии.

Корреспондент радио уже сказал, что жидкости при низких температурах хранят­ ся в дьюарах. Но все-таки это не просто тер­

83

мосы шаровидной формы. Обычный четырех­ цилиндровый дьюар состоит из двух пар спа­ янных стеклянных цилиндров. В цилиндры заливают жидкий гелий, в пространстве меж­ ду ними — жидкий азот, его температура — минус 196 градусов. Азот защищает гелий от постороннего тепла, но недостаточно на­ дежно.

Сверху стенки дьюара приходится еще и серебрить. Оставляют только узкую смотро­ вую щель, чтобы вести наблюдения. Но все равно жидкий гелий испаряется слишком быстро. Гораздо быстрей, чем нужно было Капице для эксперимента.

Попробовали изменить объем цилиндров. Но в маленький цилиндр вмещалось слишком мало гелия, а в большом слишком увеличи­ валась поверхность испарений. Институтский стеклодув Александр Васильевич Петушков предложил сделать дьюар шаровым.

В Музее восточных культур, в витринах антикварных магазинов всегда выставлено огромное количество шаров, вырезанных из кости. Откуда их столько — непонятно. Ша­ ры вырезают так, что внутри самого боль­ шого перекатывается несколько мал мала меньше. Матрешки из слоновой кости —

84

странная нелепость, но говорят, будто над одним таким шаром-матрешкой мастер ра­ ботает десятилетиями. По непонятному не­ доразумению шары эти до сих пор считают­ ся произведениями искусства, не иначе как для поощрения прилежания и усидчивости. Может, это и разумно. Но как вдуть в один четыре стеклянных шара?

При изготовлении дьюаров допуски опре­ деляются долями миллиметра, и самые обыч­ ные четырехцилнндровые дыоары, «похожие на термосы», — вершина стеклодувного мас­ терства.

Петушков начал с самого большого шара. Сделал. Дал ему остыть. Со вторым, который поменьше, было трудней.

В узкую горловину только что остывшего большого шара Петушков внес на конце стеклодувной трубки комок раскаленного стекла. Нужно было быть очень осторожным. Чуть что — и слипнутся стенки, а замешка­ ешься — стекло остынет и затвердеет, не ус­ пев принять нужных размеров. В такой ра­ боте нет измерительных приборов, только легкие. Дыхание измеряется микронами.

Но вот второй шар лег в первый. По­ том третий. Внутрь третьего — четвертый.

85

Петушков сделал для Капицы три уни­ кальных дьюара. Они похожи на большие елочные шары. У человека, незнакомого со стеклодувным мастерством и не работающе­ го в лаборатории, они не вызовут симфонии чувств. Просто веселые зеркальные шары. Один такой шар стоит в кабинете Петра Леонидовича на книжном шкафу рядом с терракотовой Нефертити и макетом лун­ ника.

Низкая температура сжижения гелия объясняется тем, что силы сцепления между его атомами так ничтожны, что даже само­ го слабого теплового движения достаточно, чтобы помешать им объединиться в жидкость. Именно поэтому жидкий гелий самая холод­ ная и еще самая упрямая жидкость. Сколько его не морозили при обычном давлении, он не превращался ни в лед, ни в снег, как другие газы, кислород или водород, напри­ мер. Зато, понижая температуру жидкого гелия, обнаруживаются удивительные свой­ ства.

Было замечено, что если налить жидкий гелий в сосуд, разделенный перегородкой на две части, то два разных уровня сами собой уравняются. Жидкий гелий тонкой пленкой

86

перебирался из одного сосуда в другой. Тол­ щина такой пленки составляет миллионную часть дюйма, а скорость движения дости­ гает 30 сантиметров в секунду.

Жидкий гелий — прозрачная и легко под­ вижная жидкость. На всю глубину в ней про­ сматриваются мелкие пузырьки. Но как только температуру жидкого гелия пони­ жают до — 271°, с ним происходит нечто абсо­ лютно неожиданное. Гелий вдруг делается совершенно прозрачным и спокойным. В нем нет пузырьков, как в газированной воде, и, по мнению доктора физико-математических наук Шальникова, специалиста по жидкому гелию, при таких температурах он выглядит совсем как «мертвая вода из волшебной сказки». Согласно более сухой терминологии, говорят, что при температуре — 271°С жид­ кий гелий испытывает фазовый переход вто­ рого порядка, превращаясь из гелия-1 в ге­ лий-11. Мы уже говорили об этом.

Первые указания на удивительное свой­ ство гелия пришли в 1935 году из лаборато­ рии Камерлинга-Онесса. Доктор Кеезом вместе со своей сестрой мисс Кеезом откры­ ли, что Не-П очень хорошо проводит тепло. Экспериментируя с капиллярной трубкой, на­

87