Послесловие к открытию

Это послесловие не к рассказу о созданной Ландау теории сверхтекучести, а к самому его открытию. И коль скоро имеешь в виду существо дела, всю проблему квантовых макросистем или, как еще говорят, квантовую механику конденсированных состояний, то такое послесловие к открытию Ландау разрастается в целую науку, а точнее — в несколько весьма мощных ветвей физики. И процесс этот, пожалуй, начался лишь сравнительно недавно — ветвям предстоит еще расти, взрослеть, набирать мощь и вес.

Правда, может быть и непосредственное послесловие к теории сверхтекучести гелия II. В первую очередь следует назвать эксперимент, с помощью которого физики получили кривую энергетического спектра.

В сосуд с гелием II были запущены нейтроны. Метод исследования путем бомбардировки вещества как нейтронами, так и заряженными частицами применяется в физике очень широко. Частица-«пуля» взаимодействует с частицей-«мишенью», а результаты взаимодействия, измеряемые приборами или фиксируемые фотопленкой, рассказывают о свойствах частиц.

Нейтроны, попадая в жидкий гелий, тоже не проходят сквозь него индифферентно, без взаимодействия. Но с чем они взаимодействуют? В этом-то все дело. Не с атомами, не с отдельными частицами делятся нейтроны своей энергией. Когда прибор регистрирует, что вылетевший из сосуда нейтрон потерял часть энергии и импульса, это значит, что отданы они были жидкости в целом. Другими словами, они пошли на рождение квазичастицы как раз с такими энергией и импульсом, какие потерял нейтрон.

Когда стали строить кривую по значениям, которые давали эти рассеянные в гелии II нейтроны, то оказалось, что она в точности повторяет энергетический спектр Ландау; экспериментальные точки — на лексиконе физиков — легли на теоретическую кривую.

Прежние эксперименты (Андроникашвили, Пешкова) впрямую подтвердили правильность двухкомпонентиой модели гелия II и косвенно — вид энергетического спектра. Нейтроны экспериментально «построили» всю кривую спектра, причем не только форма спектра, но и количественная зависимость энергии от импульса оказались в отличном согласии с теорией.

Опыт с нейтронами стал последним звеном в некой «триаде» или последовательности, так определенной Фейнманом: «Догадка — вычисление следствий — сравнение с результатами экспериментов».

Гелий, как и большинство элементов, имеет изотопы. Два из них устойчивы и потому находятся в природном газе. Это Не⁴ и Не³. Однако фактически весь природный гелий состоит из изотопа Не⁴, а Не³ — лишь ничтожная добавка к нему. «Главный» гелий состоит из двух протонов и двух нейтронов (естественно, речь идет о составе атомного ядра). Долгое время он был не только главным, а единственным среди «гелиев» объектом исследования (тем более, что легкий изотоп впервые обнаружили в 1939 году), и теория сверхтекучести построена именно для него.

Изотоп Не³ отличается от Не⁴ не одним только атомным весом — меньшим на четверть из-за отсутствия одного нейтрона. Особенно сильное различие проявляется в их квантовых свойствах. Ядро Не⁴ (всем известная альфа-частица) имеет в своем составе четыре частицы, то есть четное число, а ядро Не³ — нечетное. Существует важнейшая квантовая характеристика, так называемый «спин». Спин может принимать или целочисленные значения (в том числе и нулевое) или полуцелые. Так как каждая частица ядра имеет спин, равный половине, то суммарный спин атома Не⁴ — целый, а Не³ — полуцелый. Объекты с целыми и полуцелыми спинами описываются квантовой механикой по-разному, как говорят, они подчиняются разным квантовым статистикам; первые — статистике Бозе — Эйнштейна, вторые — статистике Ферми — Дирака. Одних поэтому называют «бозоны», а других — «фермионы». Атомы «главного» изотопа гелия — бозоны, а редкого Не³ — фермионы.

Принадлежность к тому или другому квантовому сообществу сказывается не только на поведении одного отдельного атома или одной частицы, но и на свойствах, поведении всей жидкости в целом. Созданная Ландау теория относится только к «бозе-жидкости», к сверхтекучести приводит построенный Ландау энергетический спектр «бозевского типа».

В 1956—1958 годах Ландау создал теорию ферми-жидкости, к которой принадлежит и изотоп Не³, когда он находится в жидком состоянии (Не³ сжижается при 3,2° К, то есть при еще более низкой температуре, чем Не⁴).

Хотя, повторяем, квантовые свойства этих двух жидкостей совершенно различны, но в своей теории Ландау указал на возможные пути их сближения. Частицы с полуцелым спином могут исправить этот свой «порок», соединившись, например, в пары. Именно такую возможность объединения атомов в некие коллективы имел в виду Ландау, когда писал, что «всякая жидкость из бозе-частиц обязательно обладает сверхтекучестью. Обратная теорема о том, что жидкость, состоящая из ферми-частиц, не может быть сверхтекучей, ...в общем виде не верна».

Для Не³, как показали более поздние теоретические расчеты, возможность подобных объединений, а следовательно, и перехода в другую, сверхтекучую фазу, может реализоваться только при сверхнизких температурах, таких, для которых доли градуса уже огромная величина.

В конце концов переход в другую фазу, когда и этот изотоп, Не³, стал сверхтекучей жидкостью, осуществился. Однако и тогда Не³ вовсе не стал во всем подобен Не⁴. В нем возникли, прежде всего, какие-то необычные магнитные свойства — а ведь у гелия II ничего похожего не бывало. Грубо говоря, сверхтекучий Не³ стал похож и на знакомый нам сверхтекучий изотоп Не⁴ — гелий II, как его привычно называть, и на сверхпроводящий металл, и еще появились в нем какие-то черты, пока физиками не понятые и не имеющие никаких аналогов.

Сейчас и теоретики и экспериментаторы разных стран широко занимаются изучением квантовых жидкостей. Большой интерес, в частности, привлекают свойства комбинаций таких жидкостей — их растворов, прежде всего раствора Не³ — Не⁴. Здесь удивительным образом сочетаются и взаимодействуют особенности обоих партнеров: сверхтекучесть, фазовые переходы, звуковые колебания, термодинамические характеристики... Тысячные доли градуса и миллиарды, даже десятки миллиардов градусов; или, пользуясь обычным в физике написанием, 10^-3°К и 10¹⁰°К. О чем тут речь? О сверхтекучести. Первая цифра — та температура, при которой, удалось сделать сверхтекучим Не³. Она в тысячи раз меньше, чем соответствующая температура для Не⁴. А температуры в миллиарды градусов царят в недрах звезд. Например, тех, которые называются нейтронными звездами.

Нейтронная звезда, как полагают астрофизики, не однородный объект, одинаковый всюду — от центра до поверхности; напротив, она имеет сложное, многослойное строение. Однако есть серьезные основания полагать, что в областях, составляющих значительную часть звезды, нейтронная жидкость находится в сверхтекучем состоянии — и именно при температурах порядка миллиарда градусов.

Не исключено, что и атомное ядро несет в себе что-то от сверхтекучей жидкости.

Все такие идеи и подходы к столь различным объектам — по своему характеру, размерам, месту, занимаемому во Вселенной,— стали возможны после создания Ландау теории сверхтекучести. Недаром в формулировке о присуждении ему за эту работу Нобелевской премии стоят слова: «За пионерские исследования в теории конденсированного состояния материи, в особенности жидкого гелия».