СОВРЕМЕННАЯ АЛХИМИЯ
"Гарри, перестань смотреть на звезды! Опять списываешь у инопланетян!"
Запись в бортжурнале Хогвартской школы-интерната.
продолжение E: квантовая жидкость
Вот тут достаточно вольное рассуждение известного академика об особых квантовых свойствах водорода, растворенного в тяжелых металлах (Химия и Жизнь, 1981 № 5)
специально для ленивых - места без звезд выделены красным
Э. Л. АНДРОНИИКАШВИЛИ
1. ПУЛЬСАР И ПУЛЬСАРЧИКОднажды к нам в институт приехал профессор Иллинойсского университета (США) Дэвид Паинс и пожелал выступить на семинаре с докладом о периодическом ускорении вращения нейтронных звезд, получивших название пульсаров.
Причину внезапного ускорения вращения пульсаров Паинс видел в том, что звезда постепенно остывает, благодаря чему ее твердая кора стремится сжаться и, наконец, трескается, отчего возникает звездотрясение. Радиус пульсара уменьшается, и он начинает вращаться быстрее.
Нам была известна давнишняя работа Мигдала, который высказал идею о том, что жидкая ядерная материя, заполняющая внутреннюю часть пульсара и состоящая из нейтронов, находится в сверхтекучем состоянии, несмотря на температуру в 100 миллионов градусов. Было известно нам и то, что Гинзбург дополнил эту гипотезу, предположив, что сверхтекучее ядерное вещество пронизано квантованными вихрями Онсагера—Фейнмана.
Но какое нам было дело до всего этого? Звезды — это чересчур далеко от нас...
Вдруг Паинс произнес:
— Гипотезу о сверхтекучем состоянии ядерной материи внутри пульсаров и о существовании в них квантованных вихрей можно проверить только в вашем институте, в котором так много знают о релаксационных процессах в жидком гелии-II. Надо только проделать моделирующие эксперименты.
Не успел Паинс закончить эту фразу, как Джелил Цакадзе и Юра Мамаладзе, сидевшие рядом, громко стукнулись лбами и, упираясь друг в друга головами, начали на клочке бумаги рисовать схему будущего эксперимента.
Когда Паинс окончил свой доклад, я сказал ему:
— Дэвид, вы лишили меня последнего отдыха. До сих пор, когда я уставал, то выходил под открытое небо и, любуясь звездами, быстро релаксировал. Теперь, глядя на небо, я буду всегда думать о звездах как о своей новой работе.
Паинс расхохотался. Он смеялся так долго, что дискуссия не развернулась, несмотря на то, что многие требовали слова.
С этого дня началась напряженная работа сына Джелила — Северьяна Цакадзе. Сын оказался толковым экспериментатором. Созданный им «пульсарчик» — полый стеклянный шарик, в который заливается жидкий гелий, подвешен в дьюаре, в разреженных парах гелия. Но как подвешен? С крышкой дьюара его не связывает ни тонкая проволочка, как в прошлых экспериментах, ни кварцевая нить. Он ни на что не опирается. Его удерживает в подвешенном состоянии вращающееся магнитное поле, за которым следует движение маленького магнитика, укрепленного на стеклянной палочке, склеенной с пульсарчиком.
В чем же опыт? Нейтронная звезда-пульсар после очередного звездотрясения скачком увеличивает свою скорость, потом начинает замедляться. Но ее замедление не подчиняется ни законам движения твердого тела, ни законам движения классической жидкости.
Жидкий гелий-I, классическая жидкость, залитая в стеклянный пульсарчик, не имитирует вращения пульсара-звезды.Жидкий гелий-II, квантовая жидкость, залитая в наш пульсарчик, ведет себя сходно с пульсаром.
Но что такое для физики «сходно»? Просто намек на то, что ты стоишь на правильном пути. И больше ничего.
Я созвал у себя в кабинете Джелила, Юру и Северьяна и указал им на необходимость создания «закона подобия» — закона, который бы дал возможность сравнивать численные результаты, полученные астрономами для пульсаров и нами — для пульсарчика.
— Пробовали,— сказал Юра.
— Ну и что же?
— Не выходит.
Порассуждав еще минут десять о вопросах чисто экспериментальных, я отпустил отца с сыном, оставив у себя Мамаладзе.
— Юра, без формулы подобия обойтись нельзя. Если построить такую формулу невозможно, то работу надо закрывать.
Мы побеседовали еще немного о возможных подходах к формуле подобия и разошлись.
Через несколько дней Мамаладзе победоносно вошел ко мне в кабинет.
— Я построил формулу подобия,— сказал он. Удивительно, поразительно!!
Стали подставлять в формулу подобия значения, полученные для пульсарчика, и получили, как говорят физики, «неприличное» совпадение с астрономическими данными. Здесь следует просто привести две цифры для того, чтобы удивить читателя. Время «неклассического» затухания скорости одного из пульсаров, определенное астрономически, равно 1,31 106 с, вычисленное же из наблюдения движения пульсарчика — 1,4 106 с. Для другого пульсара получилось хуже — 3,7 107 и 0,6 107 с.
Теперь, благодаря представителю четвертого поколения советских криогенщи-ков — Северьяну Цакадзе, мы знаем о законах движения внутризвездной материи больше, чем знают астрономы о поверхности пульсара. Мы знаем, что ядерное вещество внутри пульсаров действительно сверхтекуче, что оно пронизано квантованными вихрями типа Онсагера — Фейнмана, что эти вихри не закреплены на шероховатостях внутренней поверхности твердой корки пульсара.
Работа эта, естественно, получила высокую оценку мировой научной общественности.
2. КВАНТОВЫЕ КРИСТАЛЛЫ
— Послушай, Мелик, ты не знаешь, что такое квантовые кристаллы? — спросил я Мелик-Шахназарова, читавшего вместе со мной объявление, приглашавшее прослушать доклад доктора физико-математических наук А. Ф. Андреева из Института физических проблем о квантовых кристаллах.
— Это что-то совсем новое,— ответил он,— что-то связанное с диффузией.
Так впервые в мое сознание вошло новое понятие — «квантовый кристалл».
Александр Федорович Андреев — молодой человек с льняными волосами и темно-карими глазами очень близок со многими из наших институтских физиков и частый наш гость. Все, что он рассказывает, всегда очень перспективно и интересно. На его лекцию с таким странным названием я пошел, снедаемый любопытством.
Оказалось, что под квантовыми кристаллами он понимает такие кристаллы, как твердый гелий или твердый водород, состоящие из относительно легких атомов. В этих кристаллах должна протекать квантовая диффузия как самих атомов, так и различных дефектов кристаллической решетки. Квантовое движение в твердых телах в макроскопических масштабах до сих пор было известно только для таких легких частиц, как электроны.
Только электрон, двигаясь по кристаллической решетке, не обязан перепрыгивать через потенциальные барьеры, стоящие на его пути, а может просачиваться сквозь них или, как говорят обычно, туннелировать под барьером.
А здесь, то есть в докладе Андреева, законам квантовой механики подчиняется не движение электрона, а движение целого атома, достаточно тяжелого, как бы легок он ни был. Туннелирование атома или дефекта кристаллической решетки сквозь потенциальные барьеры и есть основа той неслыханной доселе мысли, что с понижением температуры ниже определенного предела в квантовом кристалле диффузия должна перестать замедляться. Наоборот — она должна резко возрастать по мере приближения к абсолютному нулю.
Впоследствии оказалось, что, как это следовало из работ Ильи Михайловича Лифшица и Юрия Моисеевича Кагана, квантовым кристаллом может быть не только кристаллический водород как таковой, но и раствор водорода в тяжелых металлах, например гидрид циркония. Ниже определенной температуры водород будет диффундировать по решетке циркония по законам квантовой механики, не требуя термической активации. И этот процесс можно наблюдать даже при не очень низких температурах.
Год спустя мы с сотрудниками разговаривали у меня в кабинете о пульсарах. Тогда-то я и перевел беседу на квантовые кристаллы.
В комнате находились Андреев, Илья Наскидашвили, Владимир Мелик-Шахна-заров и Ивико Гачечиладзе. Было еще два-три теоретика.
— Что вас интересует в квантовых кристаллах? — спросил меня Джелил.
— Метод наблюдения квантовой диффузии.
В ту пору Б. Н. Есельсон в Харькове и зарубежные ученые еще не опубликовали своих прямых наблюдений парадоксального факта: с понижением температуры увеличивается коэффициент диффузии легкого изотопа гелия-3 при его движении вдоль матрицы кристалла тяжелого изотопа гелия-4.
— Проще всего было бы применить ЯМР,— сказал Андреев.
— У нас нет установки с подходящей частотой.
— Так что же вы предлагаете?
— Мне кажется, что увеличение скорости диффузии должно сказаться на внутреннем трении и модуле Юнга кристаллов,— сказал я.
— Не вижу связи между этими явлениями,— вставил кто-то из теоретиков.
— Нет, отчего же? Связь есть,— вступился за меня Андреев.
— Конечно, связь есть,— закипятился я.— И модуль Юнга, и внутреннее трение поведут себя необычно. Ивико, ты должен измерить это на твердом гелии, а ты, Мелик,— на гидридах циркония.
— Метод? — спросил Наскидашвили.
— Метод общий для обоих — изгибные колебания кристаллов, такие же, какие изучаются на нашем реакторе. Ты, Вова, должен будешь переехать из ядерного центра сюда. Тут тебя научат работать с жидким гелием, а ты научишь Ивико измерять затухание изгибных колебаний.
— Было бы интересно проверить работу Ильи Михайловича и Юрия Моисеевича, в которой они предсказали возможность наблюдения квантовых фазовых переходов макроскопических систем,— сказал Андреев.— Это когда макроскопическая система туннелирует из одного состояния в другое под барьером, разделяющим эти два состояния. Например, жидкий гелий, кристаллизуясь, туннелирует под потен-
циальным барьером, отделяющим жидкость от твердого тела,— пояснил Андреев.Вскоре после этого разговора в Тбилиси приехал из Хельсинки профессор Олли Лоунасмаа — председатель низкотемпературной комиссии международного Союза теоретической и прикладной физики. Приехал он, чтобы посоветоваться со мной — членом этой комиссии — о возможности организовать в промежутке между двумя международными конференциями по физике низких температур, разделенными тремя годами, более узкие совещания по частным вопросам этой дисциплины.
— Квантовые кристаллы. Тбилиси.— предложил я.
— А что это такое? — спросил председатель. Я объяснил ему.
— О'кей.
И мы принялись готовиться к проведению первого международного совещания по квантовым кристаллам.
Еще через год оно прошло с большим успехом, но без меня, так как я снова оказался в больнице.
Зато на нем выступали Мелик-Шахназаров и Гачечиладзе, имевшие вполне заслуженный успех.
Особенно эффектно в экспериментах Мелика было то, что после снятия внешних сил, вынуждавших кристалл циркония колебаться с определенной амплитудой, колебания образца не затухали, а наоборот, он начинал колебаться с удвоенной амплитудой. Получился эффект, который можно было бы назвать «акустическим лазером». Эффекты, связанные с квантовой диффузией атомов водорода в кристалле циркония, можно отнести к проблеме квантовой акустики в макроскопических твердых телах.
3. ЭТОГО НЕ МОЖЕТ БЫТЬ......Так возразил мне однажды очень хороший физик, когда я рассказал ему о том, что наш стеклянный пульсарчик, заполненный сверхтекучим гелием, вращаясь вокруг своей оси с очень малым затуханием, внезапно самопроизвольно ускоряется, после чего его движение снова начинает медленно затухать.
— Наука — это как раз то, что не может быть, а то, что может быть — это научно-технический прогресс,— отрапортовал я ему своей любимой поговоркой, сформулированной еще во времена моих первых экспериментов со сверхтекучим гелием.
Конечно, с точки зрения физика, не работавшего над этой проблемой, такого не может быть. Но даже и с точки зрения человека, впервые наткнувшегося на совершенно новое явление, «этого» не может быть. «Это» становится возможным только после того, как проанализируешь всю совокупность явлений и сформулируешь понятия, которых до сих пор не было в науке.
После того как было открыто самопроизвольное ускорение пульсарчика, гипотеза звездотрясений оказалась уже ненужной. Опять сработали новые формулы подобия, и для времени между двумя подскоками скорости пульсара, определенного астрономически, получилось хорошее совпадение (с точностью до 1 месяца) с тем временем, которое было вычислено из опытов Северьяна Цакадзе, проведенных на пульсарчике.
В чем же дело? Число вихрей, пронизывающих единицу площади вращающейся квантовой жидкости, пропорционально скорости вращения. При движении сосуда с постепенно уменьшающейся угловой скоростью число вихрей должно бы постепенно уменьшиться. Однако в действительности этого не происходит. По мере замедления вращения сосуда число избыточных вихрей накапливается, в связи с чем возникает метастабильное состояние системы. И вдруг все эти избыточные для данной скорости вращения вихри исчезают (все вместе), отдавая свой момент количества движения стенке сосуда и через нее — всей массе жидкости. Сосуд начинает вращаться быстрее, а с ним вместе и гелий II. Такое же явление происходит и в пульсарах. Именно распад избыточных вихрей приводит к всплеску скорости вращения пульсара, а вовсе не звездотрясение.
Я снова задумался над замечательным определением, которое Фриц Лондон дал сверхтекучести: «Сверхтекучесть — это макроскопическое моноквантовое состояние», иными словами, такое состояние макроскопической системы, которое описывается единой волновой функцией.
— Но ведь число вихрей меняется скачком. Значит, скачком меняется и волновая функция!
Новое явление — и вот новое понятие.
Фазовый переход первого рода. Но это — фазовый переход квантовомеханиче-ской природы, в чем же он состоит? Мы привыкли думать о фазовых переходах в системе атомов и молекул, образующих кристаллическую решетку. Но в этом эксперименте атомы гелия не участвуют в фазовом переходе. В этом эксперименте скачком меняется число вихрей, а следовательно, скачком меняются и расстояния между ними. Итак, в вихревой решетке наблюдается фазовый переход первого рода — фазовый переход, в котором принимают участие не микроскопические атомы гелия, а вихри, объединяющие макроскопическое число частиц. Новый тип кванто-вомеханического фазового перехода в решетке вихрей, которого до сих пор никто .не наблюдал.
Вернее, мы с Джелилом пытались наблюдать его еще в 1966 году, но наши опыты не были подтверждены другими учеными. Теперь все стало на свои места.
Хорошо было бы обнаружить подобные явления и в твердом гелии. Тут я снова вызвал к себе своих молодых помощников и сформулировал новую задачу: закристаллизовать гелий в сосуде и измерить затухание его вращения при очень низких температурах так, как это делалось с пульсарчиком.
Я уверен, что вращающийся сосудик, заполненный квантовым кристаллом (твердым гелием), будет затухать при очень низких температурах по совершенно иным законам, чем классическое твердое тело. Возможно, что вращающийся квантовый кристалл и подчинится определению Фрица Лондона, обнаружив при этом сверхтекучесть. Но все это произойдет еще очень не скоро...
Тбилиси, 1975 г.
начало
продолжение A: металл - розыгрыш
продолжение B: интервью Флейшмана
продолжение C: жизненный элексир
продолжение D: плавкий предохранитель - основа энергетики будущего
продолжение E: квантовая жидкость
site map
