 |
8. Шонберг помешал
|
|
|
|
Когда истекли восемь месяцев моего пребывания в Институте физических проблем, Капица предложил мне поступить в докторантуру и начал хлопотать об именной стипендии для меня.
Я с радостью ухватился за это предложение и скоро был зачислен в институт докторантом, на три года.
Расплата последовала тотчас же.
– К сожалению, – сказал Капица, – поступив в докторантуру, вы уже перестали быть исполняющим обязанности профессора, и я не могу поставить вас в преимущественное положение перед вашими товарищами. Я имею в виду ту площадь, которую вы занимали в квартире номер пять. Вам придется переселиться в другую квартиру, где вам будет выделена одна комната, как и другим вашим коллегам.
Новое обиталище было значительно более изолированным, в связи с чем теперь я уже мог приглашать посетителей независимо от соседей по квартире.
Одними из первых гостей были Капицы: Петр Леонидович и Анна Алексеевна. Было много вина, каких‑ то грузинских блюд, острых и вкусных. Был и тамада. Первые полчаса Капица взирал на это времяпрепровождение с явным недоверием. Но потом дело пошло на лад.
Все познается в сопоставлении.
– У англичан тоже есть своего рода тамада, – сказал Капица. – Но обычно эти обязанности выполняет не хозяин и не его гости, а специально приглашенное лицо, которое не сажают за стол. У него в руках имеется нечто вроде жезла, которым он стукает о стол.
– Не стукает, Петенька, а поднимает на уровень своей головы, – поправила Анна Алексеевна.
– Стукает на уровне головы, – продолжал Петр Леонидович. – Его речи гораздо короче, чем те, которые произносит Элевтер, кроме того, их число не должно превышать числа блюд. При этом каждому тосту отводится свое место среди других. За короля пьют, кажется, после жаркого. При этом английский тамада поднимает свой жезл и произносит всего лишь одно слово: «King».
|
|
|
Впрочем, Капица очень скоро привык к грузинским застольным порядкам, и число тостов, произносимых в его доме, обычно значительно превосходило число подаваемых блюд.
…Я, как уже говорилось, изучал магнитные свойства сплавов. В ту пору было известно, что эвтектика олова с цинком образует механическую смесь чистых компонентов, не растворяющихся друг в друге. При температурах, достигавшихся с помощью жидкого гелия, в сверхпроводящее состояние должно было переходить только олово. Таким образом, измерялся магнитный момент сверхпроводящих зерен олова, окруженных зернами несверхпроводящего цинка.
Судя по температуре, при которой происходило разрушение сверхпроводимости образцов, я имел дело действительно с чистым оловом, без каких‑ либо примесей.
Повышая напряженность магнитного поля соленоида, я легко переводил зерна олова из сверхпроводящего в нормальное состояние. Но полностью разрушить сверхпроводимость магнитным полем мне так и не удалось. Ни разу, даже при очень мощных полях. На диаграмме, на которой магнитный момент образца изображался как функция от приложенного магнитного поля, тянулись длинные‑ предлинные «хвосты», которые портили всю картину.
– Что за черт! – ругаюсь все время. – Мой образец ведет себя так, как если бы цинк растворялся в олове. Но ведь температурная зависимость такая, что даже дурак поймет, что олово не содержит примесей цинка!
Никто не мог объяснить мне, в чем дело, – ни Бриллиантов, который был специалистом по физике твердого тела, ни Стрелков, который мог научить вас поддерживать и измерять с фантастической точностью любую заданную физическую величину.
Бывало, подойдет к нему научный сотрудник и спросит:
|
|
|
– Петр Георгиевич! А как бы мне поточнее измерить температуру в моих условиях?
– А что вы называете «поточнее», батенька? – ответит вопросом на вопрос Стрелков.
– Ну хоть с точностью до одной сотой градуса Цельсия при комнатных температурах.
– Вот это и есть как раз та самая точность, которую вы могли бы обеспечить сами, не обращаясь к другим за советом, – скажет обиженный Стрелков.
Но если вопрошающий хочет измерить температуру с точностью до одной десятитысячной градуса или с еще большей, то Стрелков весь обрадуется, загорится и скажет:
– Тут, батенька, есть о чем подумать!
Потом он сделает рот резонатором, похлопает перед ним в ладоши, стараясь извлечь таким образом подобие мелодии, и засыплет вас вопросами: «А какова теплоемкость? Велик ли объем? В каком интервале температур требуется поддержать температуру с заданной точностью? » – и пошло!
Итак, никто не мог пролить свет на незаконное поведение моих сплавов. Ни Бриллиантов, ни Стрелков, ни Алексеевский, ни Шальников, ни Ландау, ни Капица. Горе!
Вдруг – бац! Статья Шонберга в «Proceedings of Royal Society». Он тоже заинтересовался вопросом о поведении мелкодисперсных коллоидов, но только не сплавов, а чистых металлов.
В своей статье он подробно описывал, как растирал в ступке ртуть вместе со свиным салом, купленным в аптеке. Как сало не давало капелькам ртути соединяться вместе и как ему удалось получить ртутные капельки диаметром от одной тысячной до одной миллионной сантиметра. По‑ видимому, этот человек обладал дьявольским терпением, если он мог рукой растирать ртуть с салом до таких мелких частиц.
Так или иначе, но ему удалось установить, что дисперсные частицы чистого металла ведут себя вполне аналогично тому, как вели себя мои сплавы. В обоих случаях разрушить сверхпроводимость оказывалось невозможным вплоть до очень высоких величин напряженности магнитных полей. В обоих случаях получались «хвосты», которые были тем длиннее, чем мельче были частицы сверхпроводящего металла.
Это означало, что чистый металл в диспергированном виде такими опытами отличить от сплава невозможно. И сверхпроводящие частицы от несверхпроводящих – тоже невозможно, поскольку совсем несверхпроводящие вообще отсутствовали. А значит, продолжать далее мои эксперименты, видимо, не стоило.
|
|
|
Конечно, пришлось доложить статью Шонберга на нашем семинаре.
– Ну что же, – сказал Капица после моего доклада. – Шонберг здорово вас бьет. Придется вам подумать о другом эксперименте. И поторопитесь послать в печать вашу статью о сверхпроводимости эвтектик, а то как бы еще кто‑ нибудь не перебежал вам дорогу.
Все стали вспоминать Давида Шонберга, который провел три года в Институте физических проблем и которого все очень любили.
– Главное, что он очень способный и опытный экспериментатор, прошедший хорошую школу, – заметил Капица.
– Да он и теорию прекрасно знает, – добавил Ландау, редко хваливший ученых.
Через несколько дней Капица представил мою работу к публикации в «Докладах Академии наук СССР», я принялся за новые исследования. И сам Петр Леонидович снова стал уединяться в своей лаборатории.
Снова Сережа Филимонов подготавливал эксперименты, снова по вторникам и пятницам Яковлев требовал прибор под заливку, и, как и раньше, Капица сбегал по лестнице в подвал, чтобы в напряженной работе мысли, в догадках, в расчетах провести многие часы.
По глубине замысла и простоте исполнения новые опыты Капицы были замечательны.
Вообразим себе цилиндрический сосуд с запаянными днищами. Сбоку у него имеется отверстие, к которому примыкает плоский фланец – круглая пластинка с отверстием посредине, сделанная из кварца. Фланец прикрывается плоской кварцевой пластинкой, плотно пришлифованной к нему. Весь цилиндр окружен стеклянной рубашкой, образующей вторые стенки. Между стенками – почти абсолютная пустота: таким образом, тепло извне не может поступать во внутреннюю часть прибора. Внутри него смонтированы нагреватель из тонкой проволоки, по которой течет ток, и проволочный термометр сопротивления из фосфористой бронзы. Прибор погружен в жидкий гелий‑ II.
Новый парадоксальный факт: нагреватель выделяет тепло, а температура жидкого гелия внутри прибора не повышается. Зато растет уровень жидкости в нем. Выходит так, что гелий, протекающий сквозь тончайшую щель между фланцем и пластинкой, поглощает все выделяемое нагревателем тепло. Увеличивается количество генерируемого тепла – и количество втекающего гелия соответственно возрастает.
|
|
|
Такие эксперименты и точные расчеты показали, что, хотя температура гелия во внешнем дьюаре и внутри прибора далека or нуля, температура тонкой пленки гелия‑ II в зазоре между фланцем и пластинкой равна абсолютному нулю. Протекающий сквозь щель жидкий гелий не обладает никакими запасами тепла. Втекая в прибор, он действительно поглощает все выделяемое нагревателем тепло, и температура его сравнивается с той, какую имеет окружающий гелий.
Итак, гелий‑ II, текущий через тонкую щель, обладает не только нулевой вязкостью, но и нулевым содержанием тепла.
Одна гипотеза Капицы подтвердилась: у тонкого пристенного слоя гелия‑ II действительно оказались иные тепловые свойства, чем у того же гелия‑ II, но в достаточно большом объеме!
Но подтвердится ли другая: может ли пристенный слой жидкого гелия‑ II течь с такими скоростями, какие необходимы для объяснения опытов со струей, вытекающей из бульбочки?
Выяснить этот вопрос теперь было легко: оставалось только найти то максимальное количество тепла, выделяемого нагревателем, которое может быть скомпенсировано холодом, вносимым пристенным слоем гелия.
Уже было сказано, что скорость заполнения прибора гелием‑ II нарастала по мере увеличения количества тепла, выделяемого нагревателем. Пока линейная зависимость между скоростью и теплом не нарушалась, температура внутри сосуда продолжала оставаться неизменной.
Но вот при увеличении количества тепла скорость заполнения сосуда начинала замедляться, а температура жидкости в нем начинала повышаться. Что это могло означать?
На этот вопрос Капица ответил так: мы достигли той максимальной скорости, с которой тонкий слой жидкого гелия‑ II еще может двигаться, не теряя характерного для него свойства сверхтекучести. Эту скорость Капица назвал критической. В зависимости от ширины щели и температуры жидкости она менялась в пределах от 80 до 110 сантиметров в секунду.
Увы, даже наибольшее значение критической скорости – 110 см/сек – было слишком мало для того, чтобы пристенное течение тонких слоев гелия‑ II могло скомпенсировать всю массу жидкости, вытекающей из бульбочки.
И тут нить мысли перешла из рук Капицы в руки Ландау.
Капица и Ландау здорово дополняли друг друга. И, безусловно, оба ощущали огромную потребность друг в друге. К этому еще примешивалось никогда не иссякавшее чувство благодарности, которое Ландау испытывал к Капице, помогшему ему в трудные минуты жизни. Но об этом он говорил редко. Ландау предпочитал расхваливать Капицу за трезвый ум, за умение настоять на разумном решении вопроса, за абсолютное понимание физики, наконец, за великолепное научное творчество, в частности за его последние работы.
|
|
|
Я все старался тогда осмыслить понятия «живой» и «мертвой» жидкости, на которые Дау разделил гелий‑ II.
Более всего меня поразил предсказанный Ландау опыт с вращением гелия‑ II: нормальная компонента («живая») должна была вращаться вместе со стаканом, а сверхтекучая («мертвая») – оставаться неподвижной.
Я заканчивал работу над сверхпроводимостью сплавов, потом закончил ее, потом расстался с Институтом физических проблем почти на четыре года, но так и не смог расстаться с мыслями об опыте с вращающимся стаканом, в котором жидкий гелий должен был стоять и двигаться одновременно. Парадокс!
Но здесь мне придется уклониться от пересказа блистательной теории Ландау, объяснившей открытие Капицы, – нельзя пугать читателя множеством непривычных сведений о «якобы‑ частицах». квазичастицах – фононах и ротонах, о «структуре тепла», об «энергетической щели» – то есть о минимальной энергии, которая в значительной степени предопределяет сущность самого явления сверхтекучести, отличая жидкий гелий от всех других, неквантовых, классических жидкостей.
Что же следует из того, что в гелии‑ II в каждый данный момент в тепловое движение вовлечена только часть атомов, притом во всякое мгновение – разные атомы? Испытывать трение могут только те участки жидкости, в которых в данный момент есть тепло: трение всегда связано с выделением тепла. Поэтому при протекании через тонкие капилляры и щели такие участки жидкости будут тормозиться. А участки, лишенные тепла, будут просачиваться через тончайшие зазоры, не испытывая трения. Отсюда следует, что жидкость можно отфильтровать от содержащегося в ней тепла чисто механическим образом. Этим и воспользовался Капица, когда он измерял вязкость гелия по скорости его протекания через щель или когда он заставлял втекать в бульбочку навстречу выделявшемуся в ней теплу тонкий слой жидкости, теплосодержание которого оказалось равным нулю.
Ландау представил себе гелий‑ II как смесь двух компонент, обладающих диаметрально противоположными свойствами. Если нагревать гелий‑ II, то нормальная компонента, то есть охваченная тепловым движением, будет стремиться в более холодные части жидкости, а сверхтекучая – навстречу теплу. И хотя жидкость будет неподвижна как целое, обе компоненты потекут навстречу друг другу, выравнивая температуру во всем объеме.
Но как определить взаимную концентрацию нормальной и сверхтекучей компонент при разных температурах?
Вот для решения этого вопроса Ландау и предложил вращать стакан, наполненный гелием‑ II. Тогда нормальная компонента увлечется стенками, а сверхтекучая будет оставаться неподвижной.
Но как определить, сколько гелия стоит на месте и сколько вращается вместе с вращающимся стаканом?..
Этот‑ то опыт и запал мне в душу, и мысли о нем не покидали меня последующие годы.
9. И все‑ таки мне везло…
…Но в июле 1941 года мы погрузили станки, ожижительные машины и большую часть научного оборудования в товарный состав и отправились в эвакуацию в Казань. Развернули кое‑ какие лаборатории в аудиториях и коридорах Казанского университета и стали ждать приезда Капицы, пока остававшегося в Москве.
Вскоре он приехал, полный планов и замыслов. Большинство сотрудников института было сконцентрировано вокруг проблемы получения жидкого кислорода новым капицевским методом – турбодетандером, работавшим от компрессоров низкого давления. Кислород прежде всего был нужен для военных аэродромов. К внедрению первых передвижных установок институт приступил уже в первые месяцы войны. Затем возникла проблема создания мощных стационарных установок, которые работали бы на тех же новых принципах и могли бы содействовать переводу металлургических заводов на кислородное дутье. Петр Леонидович возглавил Главное управление кислородной промышленности при Совете Народных Комиссаров СССР.
В этих работах Института физпроблем мне не пришлось участвовать: Академия наук Грузии отозвала меня из докторантуры, и в октябре 1941‑ го я покинул Казань.
От сверхпроводимости – к физиологической оптике. От мечты о жидком гелии – к изучению действия ударных волн на живой организм. Таков был скачок, который мне пришлось совершить вместе с переменой места работы. Темновое видение, скорость адаптации глаза, следящего за быстро перемещающейся светящейся точкой (самолет в лучах прожектора), мы изучали вместе с Н. П. Калабуковым и Г. Н. Рохлиным, пока на смену прожекторам не пришли радары. Тогда возник новый альянс между физиологами, возглавлявшимися академиком И. С. Бериташвили, и мною. Характер поражения различных тканей животного организма изучался параллельно с эффективностью защитных средств.
Казалось бы, как далеко от этих чисто практических и не очень физических проблем до гидродинамики жидкого гелия, до квазичастиц – фононов и ротонов, – и все же мысль все время возвращалась к вращающейся квантовой жидкости.
Летом 1944 года, когда война приближалась к концу и академические учреждения, ранее эвакуированные из Москвы, начали возвращаться в столицу, я получил письмо от Капицы: он приглашал меня в свой институт продолжать исследования в области физики низких температур.
Я приехал в командировку в Москву.
– Когда сможете вернуться в институт? – спросил меня Петр Леонидович.
– Вероятно, смогу начать работу в январе.
– А в каком амплуа вы предпочитали бы начать работу у нас?
– Пожалуй, докторантом, – ответил я. – Пожалуй, так легче будет освободиться…
– Вы хотите продолжать исследования по сверхпроводимости?
– Нет, Петр Леонидович. Я мечтаю заняться сверхтекучестью. В развитие ваших последних работ и теоретических исследований Дау.
– Сверхтекучестью… – неопределенно произнес Капица. И добавил: – Ну, ладно, о деталях поговорим после вашего приезда.
Я распрощался с ним и пошел толкаться по коридорам института. И тут выяснилось, что институт за время войны страшно вырос. Сколько новых сотрудников, докторантов, аспирантов, кончавших студентов; сколько новых конструкторов, чертежников, механиков!
Наговорившись со всеми вдоволь, я удалился из института и вскоре отбыл в Тбилиси.
В Москве я порезал ногу и приехал домой с нагноившейся раной. Пришлось пролежать два месяца с больной ногой, но с совершенно здоровой головой. И тут‑ то мне удалось придумать для себя «научную биографию» на много лет вперед. Все, что я собирался делать когда‑ нибудь, должно было быть связано со сверхтекучестью.
Лежу и день за днем придумываю эксперимент за экспериментом.
Почти ежедневно ко мне приходили два моих бывших студента, приносили нужные книги, делали расчеты для моих будущих экспериментов. Если бы не превратности судьбы, то и сейчас я продолжал бы осуществлять ту тотальную программу.
Наконец я здоров. Наконец я в Москве. Наконец я опять в кабинете Капицы.
И снова:
– Чем собираетесь заниматься?
– Я продумал большую программу экспериментов по сверхтекучести…
– По сверхтекучести? – Пауза. – Знаете, Элевтер, когда я приехал в Кембридж, Резерфорд спросил меня: «Чем вы хотите заниматься? » – «Альфа‑ частицами», – ответил я. «Но альфа‑ частицами занимаюсь я», – обрезал Резерфорд. И мне стало ясно, что я должен выбрать другую область исследования. Правда, я вскоре приобщился к тому, чем занимался сам Резерфорд.
– Но, Петр Леонидович! – почти прошептал я. – Я понял вас в тот раз так, что вы согласны…
– Ну ладно, бог с вами. Начните тогда с того, на чем остановился перед войной я. Начните с измерения критических скоростей. Располагайтесь в большой комнате, там уже работают трое моих сотрудников, в частности Пешков. Он тоже изучает сверхтекучесть.
|
|
|
