Страница:
Лев Давидович понимал, что в Москве лучшие условия для работы, что столица открывает перед ученым более широкие перспективы. Но без этого чисто внешнего повода – ссоры с ректором – он, наверное, долго бы еще собирался в столицу.
Уехав из Харькова, Ландау не порывал с ним связи. С какой радостью он всегда ехал на научные конференции во вторую столицу Украины! Он вообще любил города, где ему довелось жить – таково свойство его характера, – и никогда не забывал людей, с которыми был связан. Он уносил с собой лишь светлые воспоминания, неприятные словно улетучивались.
Недели через три после отъезда он сообщил харьковским друзьям и ученикам, что будет работать в Институте физических проблем у П.Л. Капицы. «А вы, – писал Ландау, – уже достигли уровня третьего с половиной класса и можете работать самостоятельно».
Глава пятая. Капичник
Глава шестая Год в тюрьме
Уехав из Харькова, Ландау не порывал с ним связи. С какой радостью он всегда ехал на научные конференции во вторую столицу Украины! Он вообще любил города, где ему довелось жить – таково свойство его характера, – и никогда не забывал людей, с которыми был связан. Он уносил с собой лишь светлые воспоминания, неприятные словно улетучивались.
Недели через три после отъезда он сообщил харьковским друзьям и ученикам, что будет работать в Институте физических проблем у П.Л. Капицы. «А вы, – писал Ландау, – уже достигли уровня третьего с половиной класса и можете работать самостоятельно».
Глава пятая. Капичник
Лишь немногие люди на земле в состоянии постичь то невероятное напряжение и, прежде всего, то самопожертвование, без которого не могут родиться творения разума, прилагающие науке новые пути; только эти люди в состоянии постичь всю силу чувства, побуждающего к такому труду, далекому от практической жизни.
Альберт Эйнштейн
Институт физических проблем с момента своего возникновения связан с именем академика Капицы.
«Осенью 1934 года, когда я, как обычно, поехал в Советский Союз, чтобы повидать мать и друзей, и был совершенно неожиданно для меня лишен возможности вернуться в Кембридж, я в последний раз видел Резерфорда и больше не слышал его голоса и смеха», – писал Петр Леонидович Капица в своих воспоминаниях, опубликованных в 1966 году в журнале «Новый мир».
Капицу оставили в Москве для организации нового физического института по приказу Сталина.
Место для института было выбрано на редкость удачное: старинный парк на высоком берегу Москвы-реки, в самом начале Воробьевского шоссе.
Здесь вырос целый комплекс домов строгой архитектуры: главный корпус, лаборатории, мастерские, особняк директора и длинный двухэтажный дом для сотрудников, глядящий на Калужское шоссе. По другую сторону современной улицы Косыгина был пустырь. За ним деревянные дома совсем по-деревенски вытянулись вдоль дороги, дальше шли огороды. По утрам молочница спешила через дорогу с парным молоком.
Капица оказался талантливым организатором. Он выискивал для своего института лучших специалистов, создавал им все условия для работы, был строг и требователен.
Из Англии в Институт физических проблем прибыло первоклассное оборудование Монд-лаборатории, построенной Резерфор-дом в 1933 году специально для Капицы.
Советское правительство купило это оборудование за 30 тысяч фунтов стерлингов.
Сотрудники Резерфорда недоумевали: как он мог отправить в Москву уникальнейшие приборы, с которыми раньше не согласился бы расстаться ни за какие деньги. Лорду Эрнесту Резерфорду как истинному ученому важно было не то, где находится оборудование – в Англии или в Советском Союзе, а то, что интересы науки требуют продолжения начатых Капицей экспериментов. Если Капица не может приехать в лабораторию Резерфорда, пусть лаборатория Резерфорда едет к Капице.
Жизнь в институте била ключом, работать здесь было интересно. Дау повезло, что он попал в Капичник (так называли институт его сотрудники).
«Без экспериментов теоретики скисают», – часто повторял он.
Он довольно быстро освоился на новом месте. Ему дали жилье в доме при институте. Здесь все было устроено на английский лад: квартира – в два этажа, в верхние комнаты ведет дубовая лестница, в гостиной камин. Стол, стулья, тахта, низенький столик, несколько забавных игрушек – вот и вся обстановка. В одной квартире с Ландау поселился Коля Алексеевский, молодой физик-экспериментатор, знакомый еще по Харькову.
Дау много работал, ему нравился институт, но он тосковал по харьковским друзьям и по Коре. При всей своей нелюбви к эпистолярному творчеству он писал ей очень часто.
В 1937 году Ландау публикует две работы, посвященные теории фазовых переходов, – «Теория фазовых переходов» и «К теории фазовых переходов». Вопрос о фазовых переходах был запутан. Не было ясности даже в том, возможен или нет непрерывный переход из жидкого состояния в кристаллическое. Ландау впервые отметил тот факт, что понятие фазового перехода в твердом теле неразрывно связано с изменением тела, а потому фазовый переход не может быть непрерывным, и обязательно должна существовать точка перехода, где симметрия меняется скачком.
Кроме построения теории фазовых переходов второго рода, Л.Д. Ландау получил ряд других важных результатов относительно фазовых превращений и симметрии тел.
Им был изучен вопрос о пересечении различных кривых перехода, рассмотрены свойства жидких кристаллов, показана невозможность существования одномерных и двухмерных кристаллов.
В том же 1937 году Лев Давидович пишет работу «К статистической теории ядер». В этой работе получен ряд важных соотношений, характеризующих тяжелые ядра.
Исследования Л.Д. Ландау по статистической теории ядер были продолжены рядом авторов (Вейскопф и другие) и изложены во всех книгах по ядерной физике.
В 1938 году Л.Д. Ландау совместно с Ю.Б. Румером построил теорию электронных ливней в космических лучах.
Работа в Институте физических проблем целиком захватила Дау. В институте царила деловая атмосфера. Она помогла Ландау создать одну из лучших его работ, посвященную проблеме сверхтекучести жидкого гелия.
В 1937 году Петр Леонидович Капица обнаружил у гелия парадоксальное свойство: при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, жидкий гель не только не становится твердым, но теряет вязкость, переходя в состояние сверхтекучести.
Абсолютный нуль – температура, при которой хаотическое движение атомов прекращается. Следовательно, при абсолютном нуле все тела должны быть твердыми. Жидкий гелий – единственное вещество, которое не затвердевает при абсолютном нуле.
Попытки построить теорию сверхтекучести оставались неудачными до тех пор, пока объяснить явление сверхтекучести не взялся Ландау. Он доказал, что состояние тела может меняться без поглощения или выделения тепла. Бурно кипящий при нормальном давлении гелий I близ абсолютного нуля переходит в новую модификацию – спокойный сверхтекучий гелий П. Ландау применил к гелию II квантовую теорию, объяснившую все явления сверхтекучести.
Вот как излагал сам Ландау сущность сверхтекучести в публичной лекции (стенограмма лекции приводится в некотором сокращении):
«Наиболее замечательное свойство жидкого гелия было открыто советским физиком Петром Леонидовичем Капицей. Капица показал, что жидкий гелий вовсе лишен всякой вязкости. Что такое вязкость? Это способность жидкости сопротивляться движению. Вы ясно представляете себе, насколько труднее было бы плавать в меде, чем в воде. Соответственно этому говорят, что мед – это жидкость гораздо более вязкая, чем вода.
Жидкости по своей вязкости бывают самые различные – от очень слабо вязких жидкостей, как вода, спирт, до очень вязких жидкостей типа глицерина, меда и даже стекла, которое тоже является необычайно вязкой жидкостью, и т. д. Жидкий гелий I обладает малой вязкостью по сравнению с другими жидкостями. Но эта вязкость еще вполне нормальна и измерима. Она в 500 раз меньше вязкости воды.
Петр Леонидович Капица произвел очень простой и необычайно важный эксперимент. Он наблюдал протекание гелия через очень тонкие щели. Щели эти были настолько тонкие, что даже такая с обычной точки зрения невязкая жидкость, как вода, вытекала бы через эти щели в течение многих и многих суток. Оказалось, что жидкий гелий II протекает через щели в течение нескольких секунд.
Петру Леонидовичу Капице удалось показать, что вязкость гелия отличается от вязкости воды не менее чем в миллиард раз. Это только верхний предел, связанный с точностью экспериментов, тот предел вязкости, который наблюдал Петр Леонидович Капица. Вязкость гелия II оказалась столь маленькой, что вообще не могла быть измерена. Можно утверждать, что жидкий гелий II просто лишен всякой вязкости. Это явление получило название сверхтекучести. Поэтому гелий II называют сверхтекучей жидкостью.
Открытие Петром Леонидовичем Капицей сверхтекучести сразу объяснило казавшееся почти мистическим перетекание гелия из одного сосуда в другой. Все жидкости, смачивающие стенки, покрывают эти стенки очень тонким слоем. Этот тонкий слой незаметен для глаза и обычно вообще никак не проявляется. В жидком гелии благодаря сверхтекучести жидкость довольно быстро перетекает из сосуда по тонкой пленке, которая имеет толщину стотысячной доли миллиметра.
Таким образом, одно из явлений, казавшихся мистическими, получило свое объяснение. Зато, однако, открылись многие другие явления, оказавшиеся еще более непонятными. Прежде всего, оказалось, что когда гелий течет через щель, то происходит странное явление с теплом. Если гелий протекает из одного сосуда в другой через очень тонкую щель, то оказывается, что при этом гелий в том сосуде, куда он вытекает, охлаждается, а в том сосуде, из которого вытекает, нагревается. Это явление получило название термомеханического эффекта, и само по себе представлялось крайне удивительным.
Еще более удивительным представляется другое свойство гелия. Капица показал, что гелий сверхтекуч, то есть мгновенно вытекает через всякую щель. Протекание через щель есть не единственный способ измерения вязкости. В физике известны и другие способы, которые основаны на сопротивлении жидкости движению в ней тела. Если вы хотите измерить вязкость воды, вы можете измерить ее двумя способами: можете пропускать воду через щель и можете двигать в воде тело и определять вязкость по тем силам, которые действуют на это тело.
Для гелия были применены оба эти способа, и оказалось, что в то время, когда у всех жидкостей они приводят к совершенно тождественным не только качественным, но и количественным результатам, у гелия они приводят, если можно так выразиться, к результатам противоположным. Жидкий гелий I при протекании через щель сверхтекуч, то есть не обнаруживает вовсе никакой вязкости. Он обнаруживает сопротивление движению тела, то есть в то время, когда все обыкновенные жидкости обладают обыкновенной вязкостью, жидкий гелий обладает двумя совершенно различными по природе вязкостями: одной – бесконечно малой, отсутствующей, и другой – вполне качественной, измеримой вязкостью.
Капице удалось сделать эксперименты, кажущиеся еще более удивительными.
Эксперимент заключается в следующем. В большой сосуд с гелием была погружена бульбочка с идущей от нее трубочкой, открытой и наполненной гелием. В этой бульбочке гелий слегка подогревался. Что произошло бы с какой-нибудь жидкостью? Жидкость нагревалась бы, тепло выходило бы в окружающую жидкость, и можно было бы обнаружить, что разные места жидкости обладают разной температурой.
Петр Леонидович Капица поместил напротив отверстия капилляра легкое крылышко и, двигая этим крылышком, показал, что из отверстия капилляра бьет струя гелия. Обстоятельство, удивительное во всех отношениях. Удивителен не столько сам факт, что при нагревании ни с того ни с сего бьет струя гелия. Еще более удивительным является то обстоятельство, что сосуд при этом не пустеет. Если из сосуда систематически вырывается струя жидкости, то через короткое время в сосуде не должно ничего остаться. В данном случае никаких изменений не происходит. Сосуд остается наполненным гелием, как вначале.
Получается библейский эксперимент в стиле куста, который горит и не сгорает. Так и здесь: бульбочка, из которой бьет струя и которая при этом не пустеет, а остается столь же полной, какой была и вначале.
Это обстоятельство является одним из многочисленных примеров (некоторые из которых я уже упомянул) парадоксальности свойств жидкого гелия. Его свойства на первый взгляд кажутся совершенно нелепыми, как в известном анекдоте о жирафе, про которого сказано, что такого не может быть. Такое примерно ощущение вызывают свойства жидкого гелия. Получается ощущение, что вообще такого не может быть.
Само собою, разумеется, что никаких логических противоречий здесь, как и в других областях физики, быть не может. Это показывает только на то, что причины этих свойств лежат в очень необычных вещах, очень чуждых нашему представлению. И, действительно, в дальнейшем мне удалось построить теорию, которая объяснила некоторые существенные свойства жидкого гелия.
Было бы невозможно даже в самых общих чертах попытаться объяснить вам сущность этой теории. Она основана на одном из величайших достижений физики двадцатого века, так называемой квантовой механике. Квантовая механика – это бесконечно сложная как методически, так и по заложенным в ней физическим понятиям область теории физики. Она характеризуется тем, что многие из используемых ею понятий очень плохо доступны нашему восприятию. ‹...›
Оказывается, что чисто теоретически квантовая механика наделила жидкость, находящуюся при низких температурах, близких к абсолютному нулю, при которых находится жидкий гелий, следующей особенностью. Для того чтобы объяснить эту особенность, я напомню очень старую историю о некоторой теории, которая в свое время фигурировала в физике. В свое время в физике фигурировала такая, разумеется, никогда не существовавшая, жидкость, как теплород. Считалось, что наряду с обыкновенной жидкостью существует еще тепловая жидкость и что если тело является теплым, то это значит, что в нем больше теплорода. Если же меньше теплорода, значит, оно соответственно становится более холодным. Теплород – жидкость, специально придуманная для объяснения этих явлений.
Эксперименты доказали, что никакой тепловой жидкости не существует, а тепло есть движение частиц жидкости. Оказывается, что в гелии сохранилось кое-что от теплорода, кое-что, конечно, в очень своеобразном смысле. Именно в обыкновенной жидкости тепло непосредственно связано со всей жидкостью, точнее говоря, со всей массой жидкости.
Иначе обстоит дело в жидком гелии. Там оказывается, что тепло связано не со всей массой жидкости, а только с ее частью, причем меньшей частью, то есть если говорить как бы о тепловой жидкости, то в обыкновенных жидкостях тепловая жидкость – это вся жидкость, в жидком же гелии тепловая жидкость – это часть жидкости. Чем меньшая часть, тем ниже температура.
Эта часть получила название нормальной массы гелия. ‹...› При температуре 2,19 градуса Кельвина происходит переход от гелия II к гелию I. Выше этой температуры вся масса гелия – это нормальная масса. Ниже этой температуры – часть гелия, которая не связана с теплом. И чем ниже температура, тем меньшая часть гелия связана с теплом. При абсолютном нуле весь гелий никак с теплом не связан.
Из существования таких двух масс гелия – массы нормальной и остальной массы, которая получила название массы сверхтекучести, следует другое, не менее на первый взгляд чудовищное утверждение, что гелий способен одновременно к двум движениям. Имея две массы, хотя в одном и том же месте, в одном и том же объеме, гелий может совершать одновременно два различных движения одновременно в одной точке жидкости. В то время как обычная жидкость в одной точке имеет одну определенную скорость, гелий в одной точке имеет две скорости, совершенно различные. Одна из скоростей называется скоростью нормального движения, другая – скоростью сверхтекучего движения.
Теория показывает, что оба эти движения должны обладать существенно различными свойствами.
Нормальное движение, связанное с теплом, является нормальным во всех смыслах. Именно оно обладает всеми свойствами всякого нормального движения, в частности оно связано с вязкостью. Наоборот, сверхтекучее движение не связано с теплом, не связано ни с какой вязкостью.
На первый взгляд такая концепция имеет характер почти абсурда. Может показаться, что это довольно бессмысленное рассуждение, которое если и объясняет что-нибудь, то чисто словесным образом, без всякого реального результата. Однако это не так. Теория не только объяснила те явления, о которых я говорил, но и предсказала ряд явлений, которые в дальнейшем были обнаружены экспериментами. Больше того, те два движения, о которых я вам сказал и существование которых производит такое дикое впечатление, может быть непосредственно наблюдено на экспериментах.
Это может быть сделано следующим образом. Представьте себе, что цилиндрический сосуд с гелием начинает вращаться, причем вращаться очень медленно, что жидкость должна увлекаться при своем движении стенками сосуда. Так как жидкий гелий способен к двум движениям и его масса состоит из двух масс, то увлекаться будет только одна из них, именно нормальная масса гелия. Сверхтекучее движение, не будучи связано ни с какой вязкостью, не будет ни в каком взаимодействии со стенками сосуда и увлекаться не будет. При вращении гелия будет вращаться часть гелия, между тем как при вращении любой другой жидкости будет вращаться вся жидкость.
Эти замечательные результаты были обнаружены докторантом Элевтером Андроникашвили, который непосредственно проделал, я бы не сказал, эти, но аналогичные опыты, отличающиеся от изложенного опыта только деталями. При этом эксперименте оказалось, что выше 2,19 градуса гелий увлекается весь, ниже этой температуры гелий увлекается тем меньшим количеством, чем ниже температура. Таким образом, Андроникашвили имел возможность непосредственно измерить, какая часть массы гелия является нормальной и какая часть массы гелия является сверхтекучей.
Сверхтекучее движение не есть теоретическая функция, а это есть вообще реально наблюдающееся при эксперименте явление.
Количественно полученные результаты тоже оказались в прекрасном согласии с теорией. Таким образом, эксперимент Андроникашвили наглядно показал, что заложенная в теории жидкого гелия основа, несмотря на свою странность, отвечает реальной действительности. Легко также видеть, что с помощью этих теоретических представлений действительно объясняются те кажущиеся противоречивыми явления, которые наблюдаются в жидком гелии.
Возьмем этот удивительный эксперимент Капицы с вытекающей струей жидкого гелия. С точки зрения теории сверхтекучести ясно, в чем тут дело. Нагревание жидкого гелия происходит необычным образом. Обычным образом тепло переходит от молекулы к молекуле, без всякого движения в целом. В жидком гелии под влиянием нагревания возникают одновременно два движения: тепло скапливается слева, потом движется слева направо вместе с нормальным движением.
Сверхтекучее же движение, наоборот, движется в противоположную сторону, так что полное количество гелия в бульбочке, естественно, установилось неизменно.
В жидком гелии, в котором распространяется тепло, имеется два встречных потока: поток нормальный и поток сверхтекучий, движущийся в противоположную сторону. Сверхтекучий поток благодаря отсутствию вязкости никак не действует на погруженные в него предметы. Нормальный поток вследствие вязкости действует на погруженные предметы. Поэтому крылышко, погруженное в гелий, чувствуя струю вытекающего гелия, колеблется, но оно совершенно не чувствует струи втекающего гелия.
Этим же обстоятельством объясняется и грандиозная теплопроводность гелия – способность к передаче громадного количества тепла.
В обыкновенной жидкости, где тепло передается молекулярным движением – от молекулы к молекуле, тепло передается медленно. В жидком гелии тепло буквально течет слева направо. Таким образом, может быть передано огромное количество тепла.
Наличием обоих течений объясняется и другое парадоксальное обстоятельство, о котором я говорил, именно то, что гелий обладает одновременно двумя вязкостями, в зависимости от того, каким способом эти вязкости измеряются. Когда гелий вытекает через щель, то, естественно, происходит сверхтекучее течение, не связанное с какой-либо вязкостью. Поэтому никакой вязкости мы при этом не наблюдаем.
Наоборот, когда в гелии движется тело, то это тело, естественно, взаимодействует не только со сверхтекучей, но и с нормальной частью, откуда и наблюдается вязкость. Этим объясняется и другое обстоятельство, а именно знаменитый гелиево-термический эффект – то, что гелий охлаждается в том сосуде, куда втекает через тонкие щели, и нагревается в том сосуде, откуда вытекает. При сверхтекучем движении гелий вытекает без всякого тепла. В том сосуде, куда он втекает, одно и то же количество тепла, а гелия становится больше. Соответственно гелий в этом сосуде охлаждается. Наоборот, в том сосуде, откуда гелий вытекал, гелия становилось меньше, а тепла оставалось столько же. Естественно, что гелий нагревался. Естественно, что все основные явления, которые наблюдаются в гелии, находят себе теоретическое объяснение.
Кроме этих явлений, теорией было предсказано еще одно явление, также в дальнейшем открытое в эксперименте. Именно в жидком гелии, в отличие от обыкновенной жидкости, могут распространяться два разных звука. Звук – это колебание плотности жидкости. В вязкой жидкости могут происходить такие колебания, которые распространяются с определенной скоростью. Такие колебания могут распространяться в гелии I со скоростью 250 метров в секунду. С такой же скоростью звук может распространяться в гелии П.
Теория показала, что наряду с таким звуком в гелии может распространяться звук особого рода, связанный с возможностью двух движений. В гелии возможен еще один звук, когда в целом масса не перемещается, а колебание нормальной и сверхтекучей части происходит друг относительно друга. Содержащая тепло часть гелия колеблется относительно остального гелия.
Этот звук получил название второго звука и был открыт Пешковым, который обнаружил распространение этого звука в гелии I. Распространение второго звука легко отличить от распространения обыкновенного звука, потому что его скорость не имеет ничего общего со скоростью обыкновенного звука: вместо 250 метров в секунду составляет 20 метров в секунду. Пешкову удалось обнаружить, что в гелии действительно распространяется особого вида звук. Он вызывается колебанием тепла.
Если производить колебания температуры в обыкновенной жидкости, эти колебания быстро затухают. Никакого второго звука здесь не получается. Если колебать температуру в жидком гелии, то это колебание распространяется как звук с определенной скоростью, которая составляет около 20 метров в секунду.
Таким образом, и это явление, предсказанное теоретически, было наблюдено при эксперименте. Есть, разумеется, и много других явлений более или менее удивительных, происходящих с жидким гелием. Разумеется, не следует думать, что все явления, происходящие в жидком гелии, достаточно исследованы и что все они получили ясное теоретическое объяснение. В действительности здесь еще много неясного, хотя основные черты и получили ясное экспериментально-теоретическое толкование, но вдаваться в эти детали мне не хотелось бы, а поэтому разрешите на этом закончить свою лекцию».
«Осенью 1934 года, когда я, как обычно, поехал в Советский Союз, чтобы повидать мать и друзей, и был совершенно неожиданно для меня лишен возможности вернуться в Кембридж, я в последний раз видел Резерфорда и больше не слышал его голоса и смеха», – писал Петр Леонидович Капица в своих воспоминаниях, опубликованных в 1966 году в журнале «Новый мир».
Капицу оставили в Москве для организации нового физического института по приказу Сталина.
Место для института было выбрано на редкость удачное: старинный парк на высоком берегу Москвы-реки, в самом начале Воробьевского шоссе.
Здесь вырос целый комплекс домов строгой архитектуры: главный корпус, лаборатории, мастерские, особняк директора и длинный двухэтажный дом для сотрудников, глядящий на Калужское шоссе. По другую сторону современной улицы Косыгина был пустырь. За ним деревянные дома совсем по-деревенски вытянулись вдоль дороги, дальше шли огороды. По утрам молочница спешила через дорогу с парным молоком.
Капица оказался талантливым организатором. Он выискивал для своего института лучших специалистов, создавал им все условия для работы, был строг и требователен.
Из Англии в Институт физических проблем прибыло первоклассное оборудование Монд-лаборатории, построенной Резерфор-дом в 1933 году специально для Капицы.
Советское правительство купило это оборудование за 30 тысяч фунтов стерлингов.
Сотрудники Резерфорда недоумевали: как он мог отправить в Москву уникальнейшие приборы, с которыми раньше не согласился бы расстаться ни за какие деньги. Лорду Эрнесту Резерфорду как истинному ученому важно было не то, где находится оборудование – в Англии или в Советском Союзе, а то, что интересы науки требуют продолжения начатых Капицей экспериментов. Если Капица не может приехать в лабораторию Резерфорда, пусть лаборатория Резерфорда едет к Капице.
Жизнь в институте била ключом, работать здесь было интересно. Дау повезло, что он попал в Капичник (так называли институт его сотрудники).
«Без экспериментов теоретики скисают», – часто повторял он.
Он довольно быстро освоился на новом месте. Ему дали жилье в доме при институте. Здесь все было устроено на английский лад: квартира – в два этажа, в верхние комнаты ведет дубовая лестница, в гостиной камин. Стол, стулья, тахта, низенький столик, несколько забавных игрушек – вот и вся обстановка. В одной квартире с Ландау поселился Коля Алексеевский, молодой физик-экспериментатор, знакомый еще по Харькову.
Дау много работал, ему нравился институт, но он тосковал по харьковским друзьям и по Коре. При всей своей нелюбви к эпистолярному творчеству он писал ей очень часто.
В 1937 году Ландау публикует две работы, посвященные теории фазовых переходов, – «Теория фазовых переходов» и «К теории фазовых переходов». Вопрос о фазовых переходах был запутан. Не было ясности даже в том, возможен или нет непрерывный переход из жидкого состояния в кристаллическое. Ландау впервые отметил тот факт, что понятие фазового перехода в твердом теле неразрывно связано с изменением тела, а потому фазовый переход не может быть непрерывным, и обязательно должна существовать точка перехода, где симметрия меняется скачком.
Кроме построения теории фазовых переходов второго рода, Л.Д. Ландау получил ряд других важных результатов относительно фазовых превращений и симметрии тел.
Им был изучен вопрос о пересечении различных кривых перехода, рассмотрены свойства жидких кристаллов, показана невозможность существования одномерных и двухмерных кристаллов.
В том же 1937 году Лев Давидович пишет работу «К статистической теории ядер». В этой работе получен ряд важных соотношений, характеризующих тяжелые ядра.
Исследования Л.Д. Ландау по статистической теории ядер были продолжены рядом авторов (Вейскопф и другие) и изложены во всех книгах по ядерной физике.
В 1938 году Л.Д. Ландау совместно с Ю.Б. Румером построил теорию электронных ливней в космических лучах.
Работа в Институте физических проблем целиком захватила Дау. В институте царила деловая атмосфера. Она помогла Ландау создать одну из лучших его работ, посвященную проблеме сверхтекучести жидкого гелия.
В 1937 году Петр Леонидович Капица обнаружил у гелия парадоксальное свойство: при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, жидкий гель не только не становится твердым, но теряет вязкость, переходя в состояние сверхтекучести.
Абсолютный нуль – температура, при которой хаотическое движение атомов прекращается. Следовательно, при абсолютном нуле все тела должны быть твердыми. Жидкий гелий – единственное вещество, которое не затвердевает при абсолютном нуле.
Попытки построить теорию сверхтекучести оставались неудачными до тех пор, пока объяснить явление сверхтекучести не взялся Ландау. Он доказал, что состояние тела может меняться без поглощения или выделения тепла. Бурно кипящий при нормальном давлении гелий I близ абсолютного нуля переходит в новую модификацию – спокойный сверхтекучий гелий П. Ландау применил к гелию II квантовую теорию, объяснившую все явления сверхтекучести.
Вот как излагал сам Ландау сущность сверхтекучести в публичной лекции (стенограмма лекции приводится в некотором сокращении):
«Наиболее замечательное свойство жидкого гелия было открыто советским физиком Петром Леонидовичем Капицей. Капица показал, что жидкий гелий вовсе лишен всякой вязкости. Что такое вязкость? Это способность жидкости сопротивляться движению. Вы ясно представляете себе, насколько труднее было бы плавать в меде, чем в воде. Соответственно этому говорят, что мед – это жидкость гораздо более вязкая, чем вода.
Жидкости по своей вязкости бывают самые различные – от очень слабо вязких жидкостей, как вода, спирт, до очень вязких жидкостей типа глицерина, меда и даже стекла, которое тоже является необычайно вязкой жидкостью, и т. д. Жидкий гелий I обладает малой вязкостью по сравнению с другими жидкостями. Но эта вязкость еще вполне нормальна и измерима. Она в 500 раз меньше вязкости воды.
Петр Леонидович Капица произвел очень простой и необычайно важный эксперимент. Он наблюдал протекание гелия через очень тонкие щели. Щели эти были настолько тонкие, что даже такая с обычной точки зрения невязкая жидкость, как вода, вытекала бы через эти щели в течение многих и многих суток. Оказалось, что жидкий гелий II протекает через щели в течение нескольких секунд.
Петру Леонидовичу Капице удалось показать, что вязкость гелия отличается от вязкости воды не менее чем в миллиард раз. Это только верхний предел, связанный с точностью экспериментов, тот предел вязкости, который наблюдал Петр Леонидович Капица. Вязкость гелия II оказалась столь маленькой, что вообще не могла быть измерена. Можно утверждать, что жидкий гелий II просто лишен всякой вязкости. Это явление получило название сверхтекучести. Поэтому гелий II называют сверхтекучей жидкостью.
Открытие Петром Леонидовичем Капицей сверхтекучести сразу объяснило казавшееся почти мистическим перетекание гелия из одного сосуда в другой. Все жидкости, смачивающие стенки, покрывают эти стенки очень тонким слоем. Этот тонкий слой незаметен для глаза и обычно вообще никак не проявляется. В жидком гелии благодаря сверхтекучести жидкость довольно быстро перетекает из сосуда по тонкой пленке, которая имеет толщину стотысячной доли миллиметра.
Таким образом, одно из явлений, казавшихся мистическими, получило свое объяснение. Зато, однако, открылись многие другие явления, оказавшиеся еще более непонятными. Прежде всего, оказалось, что когда гелий течет через щель, то происходит странное явление с теплом. Если гелий протекает из одного сосуда в другой через очень тонкую щель, то оказывается, что при этом гелий в том сосуде, куда он вытекает, охлаждается, а в том сосуде, из которого вытекает, нагревается. Это явление получило название термомеханического эффекта, и само по себе представлялось крайне удивительным.
Еще более удивительным представляется другое свойство гелия. Капица показал, что гелий сверхтекуч, то есть мгновенно вытекает через всякую щель. Протекание через щель есть не единственный способ измерения вязкости. В физике известны и другие способы, которые основаны на сопротивлении жидкости движению в ней тела. Если вы хотите измерить вязкость воды, вы можете измерить ее двумя способами: можете пропускать воду через щель и можете двигать в воде тело и определять вязкость по тем силам, которые действуют на это тело.
Для гелия были применены оба эти способа, и оказалось, что в то время, когда у всех жидкостей они приводят к совершенно тождественным не только качественным, но и количественным результатам, у гелия они приводят, если можно так выразиться, к результатам противоположным. Жидкий гелий I при протекании через щель сверхтекуч, то есть не обнаруживает вовсе никакой вязкости. Он обнаруживает сопротивление движению тела, то есть в то время, когда все обыкновенные жидкости обладают обыкновенной вязкостью, жидкий гелий обладает двумя совершенно различными по природе вязкостями: одной – бесконечно малой, отсутствующей, и другой – вполне качественной, измеримой вязкостью.
Капице удалось сделать эксперименты, кажущиеся еще более удивительными.
Эксперимент заключается в следующем. В большой сосуд с гелием была погружена бульбочка с идущей от нее трубочкой, открытой и наполненной гелием. В этой бульбочке гелий слегка подогревался. Что произошло бы с какой-нибудь жидкостью? Жидкость нагревалась бы, тепло выходило бы в окружающую жидкость, и можно было бы обнаружить, что разные места жидкости обладают разной температурой.
Петр Леонидович Капица поместил напротив отверстия капилляра легкое крылышко и, двигая этим крылышком, показал, что из отверстия капилляра бьет струя гелия. Обстоятельство, удивительное во всех отношениях. Удивителен не столько сам факт, что при нагревании ни с того ни с сего бьет струя гелия. Еще более удивительным является то обстоятельство, что сосуд при этом не пустеет. Если из сосуда систематически вырывается струя жидкости, то через короткое время в сосуде не должно ничего остаться. В данном случае никаких изменений не происходит. Сосуд остается наполненным гелием, как вначале.
Получается библейский эксперимент в стиле куста, который горит и не сгорает. Так и здесь: бульбочка, из которой бьет струя и которая при этом не пустеет, а остается столь же полной, какой была и вначале.
Это обстоятельство является одним из многочисленных примеров (некоторые из которых я уже упомянул) парадоксальности свойств жидкого гелия. Его свойства на первый взгляд кажутся совершенно нелепыми, как в известном анекдоте о жирафе, про которого сказано, что такого не может быть. Такое примерно ощущение вызывают свойства жидкого гелия. Получается ощущение, что вообще такого не может быть.
Само собою, разумеется, что никаких логических противоречий здесь, как и в других областях физики, быть не может. Это показывает только на то, что причины этих свойств лежат в очень необычных вещах, очень чуждых нашему представлению. И, действительно, в дальнейшем мне удалось построить теорию, которая объяснила некоторые существенные свойства жидкого гелия.
Было бы невозможно даже в самых общих чертах попытаться объяснить вам сущность этой теории. Она основана на одном из величайших достижений физики двадцатого века, так называемой квантовой механике. Квантовая механика – это бесконечно сложная как методически, так и по заложенным в ней физическим понятиям область теории физики. Она характеризуется тем, что многие из используемых ею понятий очень плохо доступны нашему восприятию. ‹...›
Оказывается, что чисто теоретически квантовая механика наделила жидкость, находящуюся при низких температурах, близких к абсолютному нулю, при которых находится жидкий гелий, следующей особенностью. Для того чтобы объяснить эту особенность, я напомню очень старую историю о некоторой теории, которая в свое время фигурировала в физике. В свое время в физике фигурировала такая, разумеется, никогда не существовавшая, жидкость, как теплород. Считалось, что наряду с обыкновенной жидкостью существует еще тепловая жидкость и что если тело является теплым, то это значит, что в нем больше теплорода. Если же меньше теплорода, значит, оно соответственно становится более холодным. Теплород – жидкость, специально придуманная для объяснения этих явлений.
Эксперименты доказали, что никакой тепловой жидкости не существует, а тепло есть движение частиц жидкости. Оказывается, что в гелии сохранилось кое-что от теплорода, кое-что, конечно, в очень своеобразном смысле. Именно в обыкновенной жидкости тепло непосредственно связано со всей жидкостью, точнее говоря, со всей массой жидкости.
Иначе обстоит дело в жидком гелии. Там оказывается, что тепло связано не со всей массой жидкости, а только с ее частью, причем меньшей частью, то есть если говорить как бы о тепловой жидкости, то в обыкновенных жидкостях тепловая жидкость – это вся жидкость, в жидком же гелии тепловая жидкость – это часть жидкости. Чем меньшая часть, тем ниже температура.
Эта часть получила название нормальной массы гелия. ‹...› При температуре 2,19 градуса Кельвина происходит переход от гелия II к гелию I. Выше этой температуры вся масса гелия – это нормальная масса. Ниже этой температуры – часть гелия, которая не связана с теплом. И чем ниже температура, тем меньшая часть гелия связана с теплом. При абсолютном нуле весь гелий никак с теплом не связан.
Из существования таких двух масс гелия – массы нормальной и остальной массы, которая получила название массы сверхтекучести, следует другое, не менее на первый взгляд чудовищное утверждение, что гелий способен одновременно к двум движениям. Имея две массы, хотя в одном и том же месте, в одном и том же объеме, гелий может совершать одновременно два различных движения одновременно в одной точке жидкости. В то время как обычная жидкость в одной точке имеет одну определенную скорость, гелий в одной точке имеет две скорости, совершенно различные. Одна из скоростей называется скоростью нормального движения, другая – скоростью сверхтекучего движения.
Теория показывает, что оба эти движения должны обладать существенно различными свойствами.
Нормальное движение, связанное с теплом, является нормальным во всех смыслах. Именно оно обладает всеми свойствами всякого нормального движения, в частности оно связано с вязкостью. Наоборот, сверхтекучее движение не связано с теплом, не связано ни с какой вязкостью.
На первый взгляд такая концепция имеет характер почти абсурда. Может показаться, что это довольно бессмысленное рассуждение, которое если и объясняет что-нибудь, то чисто словесным образом, без всякого реального результата. Однако это не так. Теория не только объяснила те явления, о которых я говорил, но и предсказала ряд явлений, которые в дальнейшем были обнаружены экспериментами. Больше того, те два движения, о которых я вам сказал и существование которых производит такое дикое впечатление, может быть непосредственно наблюдено на экспериментах.
Это может быть сделано следующим образом. Представьте себе, что цилиндрический сосуд с гелием начинает вращаться, причем вращаться очень медленно, что жидкость должна увлекаться при своем движении стенками сосуда. Так как жидкий гелий способен к двум движениям и его масса состоит из двух масс, то увлекаться будет только одна из них, именно нормальная масса гелия. Сверхтекучее движение, не будучи связано ни с какой вязкостью, не будет ни в каком взаимодействии со стенками сосуда и увлекаться не будет. При вращении гелия будет вращаться часть гелия, между тем как при вращении любой другой жидкости будет вращаться вся жидкость.
Эти замечательные результаты были обнаружены докторантом Элевтером Андроникашвили, который непосредственно проделал, я бы не сказал, эти, но аналогичные опыты, отличающиеся от изложенного опыта только деталями. При этом эксперименте оказалось, что выше 2,19 градуса гелий увлекается весь, ниже этой температуры гелий увлекается тем меньшим количеством, чем ниже температура. Таким образом, Андроникашвили имел возможность непосредственно измерить, какая часть массы гелия является нормальной и какая часть массы гелия является сверхтекучей.
Сверхтекучее движение не есть теоретическая функция, а это есть вообще реально наблюдающееся при эксперименте явление.
Количественно полученные результаты тоже оказались в прекрасном согласии с теорией. Таким образом, эксперимент Андроникашвили наглядно показал, что заложенная в теории жидкого гелия основа, несмотря на свою странность, отвечает реальной действительности. Легко также видеть, что с помощью этих теоретических представлений действительно объясняются те кажущиеся противоречивыми явления, которые наблюдаются в жидком гелии.
Возьмем этот удивительный эксперимент Капицы с вытекающей струей жидкого гелия. С точки зрения теории сверхтекучести ясно, в чем тут дело. Нагревание жидкого гелия происходит необычным образом. Обычным образом тепло переходит от молекулы к молекуле, без всякого движения в целом. В жидком гелии под влиянием нагревания возникают одновременно два движения: тепло скапливается слева, потом движется слева направо вместе с нормальным движением.
Сверхтекучее же движение, наоборот, движется в противоположную сторону, так что полное количество гелия в бульбочке, естественно, установилось неизменно.
В жидком гелии, в котором распространяется тепло, имеется два встречных потока: поток нормальный и поток сверхтекучий, движущийся в противоположную сторону. Сверхтекучий поток благодаря отсутствию вязкости никак не действует на погруженные в него предметы. Нормальный поток вследствие вязкости действует на погруженные предметы. Поэтому крылышко, погруженное в гелий, чувствуя струю вытекающего гелия, колеблется, но оно совершенно не чувствует струи втекающего гелия.
Этим же обстоятельством объясняется и грандиозная теплопроводность гелия – способность к передаче громадного количества тепла.
В обыкновенной жидкости, где тепло передается молекулярным движением – от молекулы к молекуле, тепло передается медленно. В жидком гелии тепло буквально течет слева направо. Таким образом, может быть передано огромное количество тепла.
Наличием обоих течений объясняется и другое парадоксальное обстоятельство, о котором я говорил, именно то, что гелий обладает одновременно двумя вязкостями, в зависимости от того, каким способом эти вязкости измеряются. Когда гелий вытекает через щель, то, естественно, происходит сверхтекучее течение, не связанное с какой-либо вязкостью. Поэтому никакой вязкости мы при этом не наблюдаем.
Наоборот, когда в гелии движется тело, то это тело, естественно, взаимодействует не только со сверхтекучей, но и с нормальной частью, откуда и наблюдается вязкость. Этим объясняется и другое обстоятельство, а именно знаменитый гелиево-термический эффект – то, что гелий охлаждается в том сосуде, куда втекает через тонкие щели, и нагревается в том сосуде, откуда вытекает. При сверхтекучем движении гелий вытекает без всякого тепла. В том сосуде, куда он втекает, одно и то же количество тепла, а гелия становится больше. Соответственно гелий в этом сосуде охлаждается. Наоборот, в том сосуде, откуда гелий вытекал, гелия становилось меньше, а тепла оставалось столько же. Естественно, что гелий нагревался. Естественно, что все основные явления, которые наблюдаются в гелии, находят себе теоретическое объяснение.
Кроме этих явлений, теорией было предсказано еще одно явление, также в дальнейшем открытое в эксперименте. Именно в жидком гелии, в отличие от обыкновенной жидкости, могут распространяться два разных звука. Звук – это колебание плотности жидкости. В вязкой жидкости могут происходить такие колебания, которые распространяются с определенной скоростью. Такие колебания могут распространяться в гелии I со скоростью 250 метров в секунду. С такой же скоростью звук может распространяться в гелии П.
Теория показала, что наряду с таким звуком в гелии может распространяться звук особого рода, связанный с возможностью двух движений. В гелии возможен еще один звук, когда в целом масса не перемещается, а колебание нормальной и сверхтекучей части происходит друг относительно друга. Содержащая тепло часть гелия колеблется относительно остального гелия.
Этот звук получил название второго звука и был открыт Пешковым, который обнаружил распространение этого звука в гелии I. Распространение второго звука легко отличить от распространения обыкновенного звука, потому что его скорость не имеет ничего общего со скоростью обыкновенного звука: вместо 250 метров в секунду составляет 20 метров в секунду. Пешкову удалось обнаружить, что в гелии действительно распространяется особого вида звук. Он вызывается колебанием тепла.
Если производить колебания температуры в обыкновенной жидкости, эти колебания быстро затухают. Никакого второго звука здесь не получается. Если колебать температуру в жидком гелии, то это колебание распространяется как звук с определенной скоростью, которая составляет около 20 метров в секунду.
Таким образом, и это явление, предсказанное теоретически, было наблюдено при эксперименте. Есть, разумеется, и много других явлений более или менее удивительных, происходящих с жидким гелием. Разумеется, не следует думать, что все явления, происходящие в жидком гелии, достаточно исследованы и что все они получили ясное теоретическое объяснение. В действительности здесь еще много неясного, хотя основные черты и получили ясное экспериментально-теоретическое толкование, но вдаваться в эти детали мне не хотелось бы, а поэтому разрешите на этом закончить свою лекцию».
Глава шестая Год в тюрьме
Стыдно жить в стране, управляемой негодяями.
Сергей Ковалев. Из интервью
Теория сверхтекучести жидкого гелия, за которую впоследствии Ландау получит Нобелевскую премию, создавалась с перерывом: в ночь на 28 апреля 1938 года его арестовали.
Ландау жил в восьмой квартире жилого корпуса Института физических проблем. Этот длинный дом тянется от главного корпуса института вдоль улицы и сейчас полускрыт разросшимися липами. В годы, о которых идет речь, Дау занимал комнату на втором этаже. Он и его сосед по квартире Алексеевский для ведения хозяйства пригласили экономку. Это была женщина средних лет, хорошо знавшая свое дело.
Дау был пунктуален, и Алексеевский в то утро очень удивился, что тот так долго не выходит из своей комнаты. Вдруг дверь отворилась, на пороге появилась домоправительница. На ней лица не было. «Льва Давидовича ночью арестовали», – сказала она.
Алексеевский бросился в институт. Там уже знали об аресте.
Не теряя ни часа, директор Института физических проблем профессор Петр Леонидович Капица начал действовать. Сказалась не только его смелость, но и положение, которое он занял после того, как по прихоти всемогущего главы государства был задержан в России против собственной воли. Для него были созданы все условия, с его мнением считались, и он никак не ожидал, что у него ни с того ни с сего «сцапают» лучшего теоретика, единственного в Москве, кто мог теоретически обосновать и его собственную экспериментальную работу.
Возмущению Петра Леонидовича не было границ. Оно сквозит в каждой строчке письма, написанного им грозному правителю страны.
Ландау жил в восьмой квартире жилого корпуса Института физических проблем. Этот длинный дом тянется от главного корпуса института вдоль улицы и сейчас полускрыт разросшимися липами. В годы, о которых идет речь, Дау занимал комнату на втором этаже. Он и его сосед по квартире Алексеевский для ведения хозяйства пригласили экономку. Это была женщина средних лет, хорошо знавшая свое дело.
Дау был пунктуален, и Алексеевский в то утро очень удивился, что тот так долго не выходит из своей комнаты. Вдруг дверь отворилась, на пороге появилась домоправительница. На ней лица не было. «Льва Давидовича ночью арестовали», – сказала она.
Алексеевский бросился в институт. Там уже знали об аресте.
Не теряя ни часа, директор Института физических проблем профессор Петр Леонидович Капица начал действовать. Сказалась не только его смелость, но и положение, которое он занял после того, как по прихоти всемогущего главы государства был задержан в России против собственной воли. Для него были созданы все условия, с его мнением считались, и он никак не ожидал, что у него ни с того ни с сего «сцапают» лучшего теоретика, единственного в Москве, кто мог теоретически обосновать и его собственную экспериментальную работу.
Возмущению Петра Леонидовича не было границ. Оно сквозит в каждой строчке письма, написанного им грозному правителю страны.
«П.Л. Капица – И.В. Сталину
28 апреля 1938
Товарищ Сталин.
Сегодня утром арестовали научного сотрудника института Л.Д. Ландау. Несмотря на свои двадцать девять лет, он вместе с Фоком – самые крупные физики-теоретики у нас в Союзе. Его работы по магнетизму и по квантовой теории часто цитируются как в нашей, так и в заграничной научной литературе. Только в прошлом году он опубликовал одну замечательную работу, где первый указал на новый источник энергии звездного лучеиспускания. Этой работой дается возможное решение: «Почему энергия Солнца и звезд не уменьшается заметно со временем и до сих пор не истощилась». Большое будущее этих идей Ландау признает Бор и другие ведущие ученые. Нет сомнения, что утрата Ландау как ученого для нашего института, как и для советской, так и для мировой науки, не пройдет незаметно и будет сильно чувствоваться. Конечно, ученость и талантливость, как бы велики они ни были, не дают право человеку нарушать законы своей страны, и, если Ландау виноват, он должен ответить. Но я очень прошу Вас, ввиду его исключительной талантливости, дать соответствующие указания, чтобы к его делу отнеслись очень внимательно. Также, мне кажется, следует учесть характер Ландау, который, попросту говоря, скверный. Он задира и забияка, любит искать у других ошибки и, когда находит их, в особенности у важных старцев вроде наших академиков, то начинает непочтительно дразнить. Этим он нажил много врагов.