"Ландау привлекает квантовую механику, физику микромира, чтобы объяснить события в макромире" - читать интересную книгу автора

Ландау привлекает квантовую механику - физику микромира,
чтобы объяснить события в макромире

- Мне удалось построить теорию, которая объяснила некоторые существенные из свойств жидкого гелия, - рассказывал потом Ландау в аудитории Политехнического музея. И добавил, имея в виду пестрый по своему образованию и профессиям состав слушателей: - Было бы невозможно, даже в самых общих чертах, попытаться объяснить вам сущность этой теории. Она основана на одном из величайших достижений физики XX века, так называемой квантовой механике. Квантовая механика - это бесконечно сложная как методически, так и по заложенным в ней физическим понятиям область теории физики, и она характеризуется тем, что многие из используемых ею понятий очень плохо доступны нашему восприятию. Объясняется это тем, что наше восприятие воспитано не столько на мощи нашего интеллекта, сколько на нашем повседневном опыте. Мы легко воспринимаем те вещи, которые мы видели, и очень плохо воспринимаем те вещи, которые не видели.

Отказ Ландау от популярного изложения своей теории совсем не случаен. За этим скрывается присущая ему научная целомудренность - если можно так сказать, - боязнь, скорее всего и неосознанная, некоего удешевления науки, самого высокого и существенного в ней. И нерасторжимая с таким отношением, как другая сторона медали, вера в «мощь нашего интеллекта».

Ландау словно говорит: не пытайтесь обманывать природу, стараясь представить то, что представить нельзя; это недостойно, а кроме того, вы сами окажетесь обманутыми. Лучше доверьтесь разуму. Он вам поможет, он не откажет. Не надо профанации - обращения к представлениям и чувствам там, где они беспомощны. То, что есть достояние ума, а не воображения, надо постигать лишь умом, Богу богово, кесарю кесарево.

Подобные панегирики силе и возможностям человеческого мозга, ума, интеллекта друзья и ученики часто слышали от Ландау. Вот что, к примеру, об этом пишет Е. М. Лифшиц: «Он рассказывал, как был потрясен невероятной красотой общей теории относительности (иногда он говорил даже, что такое восхищение при первом знакомстве с этой теорией должно быть, по его мнению, вообще признаком всякого прирожденного физика-теоретика). Он рассказывал также о состоянии экстаза, в которое привело его изучение статей Гейзенберга и Шредингера, ознаменовавших рождение новой квантовой механики. Он говорил, что они дали ему не только наслаждение истинной научной красотой, но и острое ощущение силы человеческого гения, величайшим триумфом которого является то, что человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить. И, конечно же, именно таковы кривизна пространства-времени и принцип неопределенности».

Думается, что как раз поэтому Ландау, отличный популяризатор, начисто и принципиально отказывается популяризировать «невообразимые вещи» или дает им лишь феноменологическое - «внешнее», «описательное» объяснение.

Но поскольку Ландау не налагал запретов на популярное изложение его теории, то можно рискнуть это сделать. Отважиться показать, пусть только «на пальцах», основные ее идеи.

Вероятно, для этого надо хотя бы немножко почувствовать и характер мышления Ландау или, скажем так, путь, движение его мысли.

Проблема или загадка мышления ученого - «материя» крайне непростая. И она ничуть не становится проще, если речь идет о физике-теоретике. А уж о теоретике Ландау и подавно.

Конечно, куда как заманчиво проникнуть в лабораторию мысли, творчества ученого. Но задача эта едва ли осуществима. И не только, да и не столько потому, что у каждого ученого процесс мышления протекает по-своему и всех различий и нюансов не охватишь. А потому, что большей частью сам процесс этот есть тайна за семью печатями. Не то чтобы сам ученый, или поэт, или художник так уж жаждали сохранить свой секрет. Думается, механизм их творчества в известной мере тайна и для них самих.

Существует документальный фильм о работе Пушкина над рукописью. Показана последовательная смена слов на черновиках. И воочию видишь, как средние, почти случайные слова заменяются хорошими, хорошие - талантливыми, наконец, талантливые - гениальными. И все потому, что есть здесь свой собственный секрет, который никому не дано раскрыть - иначе и другие бы стали Пушкиными; секрет заключается в том, что эта видимая на экране смена слов, до гениальных, обнаруживает свое движение к гениальности единственно в данном контексте. И такой вот оптимум может найти лишь интуиция гения.

Как-то раз некий юный новоиспеченный философ попросил одного хорошего физика объяснить ход мышления Эйнштейна и Бора.

- Если бы я мог объяснить механизм мышления Эйнштейна и Бора, то я, наверное, смог бы сделать подобное тому, что сделали они, - был ответ.

Широко известно объяснение Эйнштейна, как и почему именно ему пришла в голову идея теории относительности. Оказывается, все дело в его «запоздалом развитии». Он не по возрасту поздно стал задумываться над такими вопросами, о которых обычно перестают думать уже в юности. «Что такое время? Что такое пространство?..»

Так родилась теория относительности.

А Бор? Может, следует сказать, что это было озарение, что Бора просто осенило, когда он, строя модель атома, высказал один из своих знаменитых постулатов. Или что ему надо было каким угодно образом найти выход из безвыходного положения - и тогда возникла его «безумная идея» об электроне, который вращается по орбите вокруг атомного ядра и при этом не излучает электромагнитной энергии. Двигается и не излучает! Постулат Бора, во-первых, противоречил незыблемому закону физики, гласящему, что всякий движущийся заряд (или заряженное тело) обязательно излучает электромагнитную энергию. А во-вторых, как и всякий постулат, он был недоказуем, не подлежал обоснованию. Не излучает - и все! Ведь энергия излучающего тела уменьшается, и непрерывно излучающий электрон в конце концов просто упал бы на ядро, чего в действительности не происходит. Так Бор открыл один из удивительнейших законов микромира. Вот что значит - интуиция гения. И смелость его мышления. Но поди-ка разберись в таком механизме...

Бывает, вероятно, нередко, что одно сознание огромности задачи и невозможности разрешить ее существующими методами - само это сознание создает такие психологические трудности, которые мало кому удается преодолеть. И может быть, именно в сочетании способностей и отрешиться от существующей методики, от привычного подхода к проблеме, и преодолеть этот внутренний, мешающий свободе мысли психологический барьер, именно в таком сочетании научного и человеческого бесстрашия, в данном самому себе разрешении не сковывать мысль, воображение, не пугаться необычности, неправдоподобности родившихся идей - во всем этом и кроются истоки того, что принято называть интуицией ученого.

Описать с квантовых позиций, иными словами, с помощью аппарата квантовой механики поведение жидкости, то есть гигантского коллектива неупорядоченных частиц - такая задача, как говорят физики, в общем виде не разрешима.

Чтобы к ней подступиться, нужно было найти какой-то особый подход, угадать ведущий к цели путь, «увидеть» всю картину в особом освещении. Не в привычном, классическом, в каком мы все представляем себе жидкость как хаотическое собрание тесно сбитых в кучу молекул - словно отара овец в загоне. А в новом «квантово-механическом свете», при котором хаос перестает быть хаосом, потому что «квантовость» гелия II рождает некую упорядоченность совершенно особого рода. Ее, эту упорядоченность, надо было увидеть, угадать - и не только сам факт ее существования, но и природу ее, характер. И найти математический аппарат, который правильным образом опишет явление и позволит построить верную теорию.

Ландау увидел, угадал, нашел.

Это фундаментальное открытие представляло собой сумму или цепь последовательных, составляющих его открытий, идей, догадок, тонких математических расчетов и даже привлеченных Ландау экспериментальных данных - не только для того, чтобы эти последние объяснить и подтвердить ими теорию, но и для самого ее построения на отдельных этапах.

Египетский царь Птолемей, гласит легенда (а может, это было и на самом деле), попросил Эвклида обучить его геометрии не так, как тот учил всех, а более простым и легким способом.

- К геометрии нет особого пути даже для царей, - ответил Эвклид.

Знакомство с теорией сверхтекучести гелия II, созданной Ландау, это не увеселительная прогулка. Это работа и мыслительного аппарата, и воображения. Чтобы ее проделать, требуется, естественно, затратить труд.

И еще для работы нужны инструменты. Некоторый набор инструментов читателю будет дан. А уж затрачивать ли, время и труд - это зависит от его желания и интересов.

Идеи, на которых Ландау построил свою теорию, достаточно сложны и непривычны. Рассказ здесь будет идти только на уровне идей, далеко не доходя до их математического воплощения. Однако сложны и необычны не только идей, но и понятия, лежащие в их основе. И даже сама терминология. Все это предстоит нам в какой-то мере освоить.

Когда стало очевидно, что законами классической физики нельзя объяснить поведение гелия II, в частности, его сверхтекучесть, теоретики обратились к квантовой механике.

И до Ландау были попытки объяснить с «квантовых позиций» сверхтекучесть гелия. Некоторая часть атомов гелия II находится в другом квантовом состоянии, чем остальные атомы жидкости, - таково было физическое содержание идеи, лежащей в основе этих попыток. По мысли авторов гипотезы, атомы, находящиеся в этом ином, с нулевой энергией, квантовом состоянии, - его называют «нормальным» или «основным» - должны двигаться через остальную жидкость без трения, то есть вести себя как «сверхтекучие».

Ландау доказал несостоятельность и внутреннюю противоречивость такой точки зрения. Во-первых, сказал он, разделение атомов гелия на два различных типа физически неправомерно: гелий II - единая жидкость, и все ее атомы неотличимо схожи друг с другом. А во-вторых, даже окажись там два таких разных типа атомов, сверхтекучесть все равно благодаря этому не появилась бы. Находящиеся в «нормальном состоянии» атомы сталкивались бы с другими, возбужденными. При столкновениях происходит обмен импульсами. То есть возникает трение. Значит, вязкость есть, она не равняется нулю, даже не близка к нулю. А раз так, то нет и сверхтекучести.

Исходная позиция Ландау была прямо противоположной. Прежде всего следовало забыть о существовании отдельных атомов гелия, отвлечься от их индивидуального поведения. Гелий II во всем имеющемся объеме надлежало рассматривать как одну гигантскую молекулу (подобным же образом в некоторых задачах рассматривается кристалл). Или, еще точнее, как единый квантовомеханический организм.

К примеру, в обычном газе, подчиняющемся классическим законам, можно мысленно выделить какую-нибудь молекулу, проследить за ее движением, столкновениями с другими молекулами и описать этот процесс. Классический подход - объяснять свойства и поведение вещества на основании свойств и поведения частиц - долгое время был в физике единственным. Но если для газов он, как правило, приводит к верным результатам, то уже для обычной нормальной жидкости возникают затруднения, связанные с сильным взаимодействием ее частиц.

Что касается квантовой жидкости, гелия II, здесь подобный ход ошибочен, здесь подобное описание исключено принципиально. Потому что по законам квантовой механики все атомы такого объекта принципиально неразличимы. Если любые из них поменять местами, это никак не отразится на всем коллективе, никакой перемены ни в его состоянии, ни в его математическом описании не произойдет. Из-за этой принципиальной неразличимости атомов даже в мысленном эксперименте нельзя выделить один из них и проследить за его движением, поведением и т. д.

Кроме того, в жидкости, какой является гелий II, взаимодействие атомов настолько велико, что даже слова «состояние данного - или одного - атома» теряют смысл, потому что движение каждого атома так или иначе зависит от движения всех остальных атомов жидкости.

Отказавшись рассматривать гелий II как коллектив реальных атомов, Ландау «населил» его новыми частицами, которыми, как он доказал, и определяется состояние и поведение всей жидкости в целом. Это так называемые «квазичастицы» (что можно перевести, как «вроде-частицы», «почти-частицы») или «элементарные возбуждения» - чисто квантовые создания, порожденные принципами и законами квантовой механики.

«Волна и камень... не столь различны меж собой...» - сказано в «Евгении Онегине». Этот поэтический образ, напротив, призван подчеркнуть, сколь они различны. Противопоставление волны и частицы - как в науке, так и в жизни, - давнее и привычное.

И лишь рождение теории квантов перечеркнуло границу. Больше того, в квантовой механике они просто не существуют по отдельности - волна и частица; есть их некое диалектическое слияние. Квантовый объект - и волна и частица одновременно.

Сначала частицы совершили экспансию во владения волн. Первым квантовым объектом стал свет. Помимо присущих свету волновых свойств пришлось приписать ему и прерывистость - дискретность; другими словами, приписать свойства корпускулярные («корпускула» - значит «частица»); к тому принудила полная безвыходность, провал всех попыток объяснить ряд явлений с классических позиций.

В физике возникло новое понятие - «квант», «квант света». Потом семья квантов стала расти, и световой квант получил еще и собственное имя - фотон (по-гречески «фотос» - свет, а «он» - окончание названия частиц; вспомним, к примеру, электрон).

Световые кванты, или фотоны, естественно являются принадлежностью не одного лишь видимого света, а всех электромагнитных колебаний, независимо от длины волны (или от обратной ей величины - частоты).

Свет, который по законам классической физики есть колебания, электромагнитные волны, квантовая механика рассматривает как своеобразное движение световых квантов, фотонов. Электромагнитные колебания могут быть самой различной длины волны, что связано с их происхождением. С другой стороны, их поведение и, в частности, воздействие на человека связано с тем, в каком «обличье» они предстают, то есть тоже с их длиной волны (или частотой).

Чем больше частота, тем более мощным, сильным (при прочих равных условиях) является излучение - недаром говорят о «мягких» (с меньшей частотой) и «жестких» рентгеновских лучах.

Двигаясь от длинных волн к коротким, переходят из радиодиапазона в инфракрасный, затем в диапазон видимого света, оттуда в ультрафиолетовый, потом в область рентгеновских лучей; γ-лучи, образующиеся при распаде атомного ядра, это тоже поток фотонов.

Однако фотоны, «принадлежащие» различным частям электромагнитного спектра, отнюдь не одинаковы. Фотон - это сгусток или порция энергии. Чем дальше в сторону уменьшения длины волны - соответственно в сторону больших частот, тем больше энергия кванта. А коэффициентом пропорциональности между энергией и частотой является знаменитая h - постоянная Планка, великое число (хотя абсолютная величина его крайне мала!), непременный знак принадлежности ко всему обширному «квантовому царству».

Это царство постоянная Планка будет завоевывать не один десяток лет - на подступах к квантовой механике, потом вместе с ее возникновением и развитием. Сама же h родилась в последний месяц последнего года прошлого века, когда Макс Планк предположил, что в определенных процессах свет излучается порциями, квантами. Было известно, что энергия излучения тем больше, чем больше частота. Планк сказал, что энергия пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности и есть величина h.

Формулу Планка нельзя ниоткуда вывести, нельзя доказать. Она выражает некую данность - одну из особенностей жизни материи. Планк просто догадался об этой особенности, он угадал, какой должна быть формула. Как Ньютон угадал закон всемирного тяготения. Если прибавить слово гениально угадал, то все становится на свое место. В истории науки таких догадок насчитывается не так уж много. «Сегодня я сделал открытие такое же важное, какое сделал Ньютон», - сказал Планк своему сыну. Вне семьи подобных слов он не говорил, вообще был крайне сдержан. А Эйнштейн сказал, что Планк посадил физикам в ухо большую блоху.

Итак, величина энергии кванта строго пропорциональна его частоте. К примеру, рентгеновский квант гораздо мощнее светового, а последний - сильнее инфракрасного. Таким образом, каждый квант, каждая частица соответствует строго определенной точке (ее можно обозначать или частотой или длиной волны) электромагнитного спектра.

Прошло четверть века с завоевания волн частицами. И волнам неожиданным образом удалось отыграться. Благодаря отважному шагу французского физика Луи де Бройля.

Де Бройль провозгласил - или предположил, можно называть этот его шаг как угодно, - что не только свет наряду с волновыми свойствами обладает еще и корпускулярными, но и каждая частица материи, начиная, например, с электрона, тоже должна иметь волновые свойства.

Подобно тому как Планк связал энергию светового кванта с его «волновой характеристикой» - частотой, де Бройль связал корпускулярные характеристики электрона с длиной его волны.

Все время помня о постулате Бора, гласящем, что электрон, вращающийся вокруг ядра по стационарной орбите, устойчив и не излучает энергии, отталкиваясь от этого постулата, де Бройль приписал электрону удивительный облик. Он стал представлять его в виде некоей волны, своеобразного колебательного процесса. При этом длина волны такого, ставшего «размазанным» по орбите электрона должна иметь строго определенную величину. На орбите должно уложиться целое число волн. Если условие выполнено, то орбита будет стационарной.

Дальнейшее было делом несложной математики. Из своего условия и постулата Бора де Бройль получил выражение для длины волны электрона: она оказалась пропорциональной постоянной Планка и обратно пропорциональной импульсу электрона, произведению его массы на скорость.

Очень скоро великая формула де Бройля перестала быть монополией электронов. Любая частица - протон, нейтрон, атом, молекула, атомное ядро, так называемые «элементарные частицы» рассматривались уже как частица-волна со своей, определяемой собственным импульсом, длиной волны λ.

(Два разъяснения. Первое. Нам уже встречалась буква «лямбда». Она означала фазовый переход между гелием I и гелием II. Но у длины волны права на эту букву куда более давние. Однако природа так богата различными явлениями и процессами, что алфавита просто не хватает. Поэтому довольно часто одна и та же буква обозначает совсем разные величины. Физики знают что к чему и не путаются. Второе - весьма существенное. Если дебройлевской длина волны много меньше размеров, интересующих нас в данном физическом процессе, то квантовые свойства по существу не проявляются и потому годится классическое описание. Но как только λ становится сравнимой с этими размерами, в права вступает квантовая механика.)

Квантовая механика создала специальный математический аппарат, при помощи которого она описывает поведение и взаимодействие таких волн-частиц. Однако зрительно представить себе этих «кентавров» микромира человек, как известно, не может. Потому, что ничего подобного в воспринимаемом зрительно мире нет. Напротив, мы легко можем представить себе мифических кентавров - хотя они на самом деле не существуют, - так как они рождены именно нашим воображением.

А вот микромир существует на самом деле. И на самом деле существует этот, как говорят физики, дуализм частица-волна. В одних процессах проявляются его волновые свойства, а в других корпускулярные. Но сам он, тот же электрон или фотон, не есть ни то ни другое, а нечто отличное и от волны и от частицы, нечто третье...

Фотон уже вполне акклиматизировался в нашем сознании и в нашей речи, а не только в работе и в словаре физиков, когда родился его младший брат - фонон. Он же звуковой квант, квант звука. Нужда в нем возникла тогда, когда стали вдумываться в картину некоторых процессов, идущих в твердом теле, например, теплопроводность, электрическое сопротивление металлов.

Квантовый подход, раскрывший сущность этих процессов, на сей раз начался с того, что физики придумали новый вид частиц и поселили частицы в кристалле. Каждая из этих квантовых частиц соответствовала определенному волновому процессу, идущему в кристалле. Как известно, атомы твердого тела совершают тепловые колебания около своих положений равновесия, например, узлов кристаллической решетки. Из-за тесной взаимо-зависимости атомов их колебания тоже взаимосвязаны.

Совокупность таких волн отождествили с совокупностью распространяющихся по решетке кристалла «частиц», каждая из которых обладает определенными энергией и импульсом. И по аналогии с фотонами назвали их квантами звука, фононами.

Конечно, мы не слышим этих звуковых колебаний, потому что их частоты сильно отличаются от воспринимаемого ухом звукового интервала. Они значительно выше. Более чем на три десятка октав надо уйти от середины клавиатуры, чтобы попасть в область тепловых колебаний. Но ведь и изо всех фотонов глаз воспринимает лишь те, которые принадлежат оптической части спектра. А имя «фотон» между тем носят все кванты, имеющие электромагнитную природу. То же самое и со звуковыми квантами, фононами. Независимо от частоты природа их всех одинакова. Все они распространяются со скоростью звука.

Фононы стали еще называть квазичастицами, что, как мы уже знаем, можно перевести, как «вроде-частицы», «почти-частицы». Потом семья квазичастиц стала расти. Но только за счет новых ее членов. Потому что старые, известные ранее квантовые объекты, такие, как электрон, протон и другие, называют по-прежнему частицами. Дело тут не только, да и не столько в привычке, в исторически сложившейся традиции. Можно сказать, что частицы - это индивидуалисты, живущие сами по себе или в небольшом сообществе. А квазичастицы принадлежат коллективу, макрообъекту (причем каждый вид «частиц» описывает свой определенный процесс).

К квазичастицам и обратился Ландау, создавая теорию сверхтекучести гелия II.

Ландау строит энергетический спектр гелия II

Итак, первый шаг, первая идея Ландау: огромное количество движений и сложных взаимодействий всех атомов заключенного в данном объеме жидкого гелия заменяется небольшим количеством и притом довольно элементарных типов движений квазичастиц.

Пусть в действительности квазичастиц как реального объекта, который можно «пощупать» хоть мысленно, нет. Но ведь есть некоторые возбужденные состояния всей жидкости. Если энергия этих возбуждений мала, то их можно рассматривать как совокупность элементарных возбуждений. То есть как совокупность квазичастиц. И не просто совокупность. Так как гелий II существует при предельно низких температурах, то элементарных возбуждений, квазичастиц, в нем мало. И слово «совокупность» можно с полным правом заменить словами «газ квазичастиц». Причем в таком газе взаимодействие частиц будет крайне слабым. Что существенно облегчает и упрощает задачу.

Но квазичастицы отличаются от «нормальных» частиц не только тем, что их нельзя «пощупать». Есть и другие особенности, в высшей степени важные, о которых необходимо помнить, строя теорию. Больше того, которые во многом именно и определяют теорию.

Недаром их называют «квазичастицы» в отличие от таких частиц, например, как электрон, протон, нейтрон, атом... Тут, повторяем, дело не в одной только сложившейся традиции. Но и в весьма существенном обстоятельстве. Если у нас есть замкнутый объем, то сколько в нем было частиц, скажем, атомов, столько и останется - независимо, будем ли мы, например, нагревать вещество или охлаждать его. Не то с квазичастицами. Газ квазичастиц ведет себя совсем иначе, чем обычный газ, где число частиц в замкнутом объеме постоянно, а с температурой меняется лишь их энергия. Здесь же повышение температуры соответствует появлению новых квазичастиц. При нуле градусов их нет совсем, а чем выше температура гелия II, тем их становится больше.

Но и это еще не все. Известно, например, что каждый движущийся объект, волна ли или частица, несет с собой определенную энергию и определенный импульс. В этом квазичастицы не являются исключением. Наоборот. Именно зависимость энергии от импульса стала определяющей формой описания их «жизни», их поведения.

Однако сходство тут же и кончается.

Энергия квазичастицы может зависеть от ее импульса самым причудливым образом. А между тем именно эта зависимость имеет первостепенную важность. Вспомним, что каждая квазичастица соответствует определенному элементарному возбуждению, то есть определенному типу движения всей жидкости. Значит, и характер связи между энергией и импульсом квазичастицы отражает характер данного типа движения тоже всей жидкости. Эта имеющая чисто квантовую природу зависимость называется энергетическим спектром.

Если вернуться к истокам квантовой теории, то станет понятным происхождение такого названия. Действительно, в фундаменте новой физики лежало представление о том, что в разных процессах как поглощение, так и испускание энергии происходит строго заданными порциями, квантами. Отсюда родились понятия и о квантовании энергии, и о спектре разрешенных энергетических уровней.

Итак, энергетический спектр, другими словами, совокупность, «дозволенных» значений энергии есть главная характеристика состояния системы, подчиняющейся законам квантовой механики.

Но каким образом найти энергетический спектр гелия II? Ландау понимал, что прежде всего надо было сообразить, какие квазичастицы возбуждаются и присутствуют в гелии и затем отыскать форму зависимости энергии от импульса для каждого вида квазичастиц.

Гелий становится квантовой жидкостью, когда по мере понижения температуры и уменьшения теплового движения атомов дебройлевская длина волны, соответствующая этим тепловым колебаниям, вырастает настолько, что делается сравнимой с расстояниями между атомами. Такое происходит при температуре около 2К.

Ландау начал строить свой энергетический спектр, спустившись еще ниже по шкале температур, фактически - с абсолютного нуля. Вблизи нуля тепловые колебания еще гораздо меньше. То есть дебройлевская волна, соответствующая возбужденной при этой температуре квазичастице, становится уже много больше, чем межатомные расстояния. А по законам квантовой механики большая длина волны означает малый импульс - это обратные величины - квазичастицы.

Ландау предположил, что эти длинноволновые - с малым импульсом - квазичастицы, существующие в гелии II при самых низких температурах, есть не что иное, как фононы - звуковые кванты. Они подобны тем звуковым квантам, которые возбуждаются в кристалле вследствие малых тепловых колебаний, совершаемых атомами кристалла вокруг своих положений равновесия. Более того, Ландау представил себе - а потом и утвердился в своем мнении, - что в гелии II нет и не может быть никаких других элементарных возбуждений очень малой энергии, кроме как фононов.

И оказалось, что догадка Ландау ариадниной нитью приводит к объяснению сверхтекучести гелия. Это следует из самой картины энергетического спектра, такого, каким нарисовал его Ландау.

Самым приближенным образом и чисто словесно, то есть отвлекаясь от строгого рассмотрения, а также ото всех расчетов и формул и следуя лишь за ходом мысли Ландау, можно так объяснить себе, почему гелий непременно должен быть сверхтекучим.

Прежде всего - известен закон зависимости энергии фонона от его импульса: энергия просто пропорциональна импульсу. Таким образом, начальная часть кривой энергетического спектра - это прямая линия, выходящая из начала координат.

Нарисуйте такую прямую и вы убедитесь, что угол между ней и осью абсцисс виден, так сказать, невооруженным глазом. Но ведь этот угол и есть отношение энергии квазичастицы к ее импульсу. То есть никогда, как бы близко мы не подходили к нулю, к началу координат, вообще ни при каких обстоятельствах отношение энергии к импульсу у фонона не может стать меньше некоторой минимальной величины. Запомним это и спустимся к абсолютному нулю.

При абсолютном нуле квазичастицы в гелии отсутствуют - весь он находится в нормальном, невозбужденном состоянии. И даже одна-единственная квазичастица может возбудиться в нем лишь при соблюдении определенных условий. Каких? В этом-то вся соль.

Предположим, что мы наблюдаем течение гелия в капилляре. Его замедление - что есть в данном случае синоним вязкости, то есть трения жидкости о стенки капилляра или трения внутри самой жидкости, - означало бы, что уменьшилась кинетическая энергия движения жидкости.

На что же может расходоваться энергия движения? Именно возбуждение, возникновение квазичастицы нуждается в некоторой порции энергии.

И тут Ландау нашел одну фундаментальную зависимость: оказывается, если скорость движения гелия меньше некоторой определенной величины, то его энергии и импульса не хватит на то, чтобы возбудить фонон с необходимым (как следует из начального участка кривой энергетического спектра) отношением энергии к импульсу.

А раз энергии не на что тратиться, значит, она вся сохранится. Ведь, как известно, никаких других «потребителей энергии», кроме квазичастиц, в гелии II нет. Не существует там другого аналога трению, торможению. Поэтому если гелий станет двигаться достаточно медленно, то помех ему не будет никаких. Ничто его не затормозит. А это и означает сверхтекучесть.

Шел очередной теоретический семинар. Ландау рассказывал об энергетическом спектре гелия II. Показал линейную зависимость энергии от импульса в начальной части спектра, где царствуют фононы - звуковые кванты, соответствующие безвихревым - их еще называют потенциальными - продольным колебаниям жидкости. Объяснил, как начальная, фононная часть спектра подтверждает обязательность сверхтекучести жидкого гелия II.

Но, как известно, в жидкости бывают не только потенциальные, но и вихревые движения. Поэтому, сказал Ландау, кроме фононов в квантовой жидкости возможны элементарные возбуждения и другой природы - вихревые. Они тоже относятся к поведению жидкости как целого и тоже должны квантоваться; то есть энергия их имеет строго определенные, а не любые, какие угодно значения.

- Их можно назвать ротонами, - предложил академик Тамм, присутствовавший на том семинаре.

Так с легкой руки Игоря Евгеньевича Тамма в квантовой физике получил собственное имя еще один тип квазичастиц.

У ротонов зависимость энергии от импульса совсем не похожа на фононную. Поэтому кривая их энергетического спектра принимает сложную форму.

Сначала Ландау предположил, что и фононы и ротоны имеют свой собственный энергетический спектр; и общий, суммарный спектр гелия II состоит из двух ветвей. Потом это положение было им пересмотрено.

Крайне важным стал теоретический вывод Ландау, что не только фононы, но и ротоны не могут возбуждаться при малых скоростях течения жидкости. Значит, хотя в гелии II существует два вида квазичастиц, жидкость при определенных условиях все равно останется сверхтекучей. Не на «сто процентов», как при абсолютном нуле, но все же достаточно ощутимо.

«Ландау угадал ход кривой энергетического спектра. Установление вида энергетического спектра жидкого гелия, исходя из одних только общих соображений и косвенных экспериментальных данных - триумф научной интуиции и силы научного воображения».

Так говорят физики-теоретики.

Что скрывается за этими словами?

Обычно бывает так. Ученый высокой квалификации, эрудированный, занимающийся серьезной современной наукой, находит верные пути ее дальнейшего продвижения, нащупывает правильные выходы из трудностей. Это естественный процесс для ученого, который на своем месте. И процесс видимый, понятный его коллегам.

Но бывает - гораздо реже - «по Маяковскому»: «А вы ноктюрн сыграть могли бы на флейте водосточных труб?» И тогда говорят об интуиции, об озарении, о «шестом чувстве». Открытие Ландау тоже в большой степени обязано «шестому чувству». Вдруг угадать как, каким способом построить энергетический спектр. Где привлечь на помощь теорию, а в каком месте воспользоваться экспериментальными данными - и именно этими, а не другими.

Одних теоретических соображений и расчетов для того, чтобы построить весь энергетический спектр гелия II, чтобы получить такой необычный ход кривой спектра, явно недоставало. Но в то же время это была теоретическая кривая. Ни по каким чисто экспериментальным данным нельзя было ее построить.

Значит, оставалось найти - или пытаться искать - некое нужное сочетание того и другого: сообразить, что можно взять у теории и что у эксперимента, прибегнуть к взаимопомощи двух этих орудий физического исследования. Но каким образом это сделать?

Что было в распоряжении Ландау? Прежде всего - набор парадоксов, которые неизвестно как разгадать и объяснить. Еще - ряд цифр, в основном относящихся к тепловым характеристикам гелия II, результаты измерений, которым он мог доверять. И еще - некоторые общие соображения о том, что вероятно и допустимо, а что заведомо исключено.

Но было и главное - то особое проникновение в глубины физических процессов, особое видение и угадывание их, которое называется интуицией ученого.

Ландау привлек измерения, в основном тепловых, термодинамических величин. Он внимательно изучил все цифры, полученные в опытах Кеезомов, Капицы и других экспериментаторов. И ясно увидел, что следует взять себе в помощь. Больше того. Своим «внутренним зрением» - изощренным мышлением теоретика - он «увидел», что согласие между теорией и опытом наступает только при этой странной, придуманной им форме энергетического спектра.

Пожалуй, невозможно найти единственное слово, которое отразило бы механизм открытия. «Нашел, построил, угадал, вычислил», - каждое из этих действий внесло свою лепту в рождение энергетического спектра. Вот она, тайна творчества, которую не только трудно раскрыть другим, но и самому автору открытия она тоже не вполне, не до конца понятна.

Такие озарения в науке случаются. Причем угадываются именно фундаментальные решающие закономерности. «Эйнштейн понял, что электрические сигналы не могут распространяться быстрее света. Он догадался, что это общий принцип. Эйнштейн догадался, что это общее свойство природы, в том числе гравитации», - говорил Фейнман. И еще: «Дирак открыл правильные законы релятивистской квантовой механики, просто угадав уравнение. Угадывание уравнения, по-видимому, очень хороший способ открывать новые законы».

Однажды Моцарта спросили, как он сочиняет музыку. Он ответил: «Я иногда, сочиняя в уме музыку, разгораюсь все более и более и, наконец, дохожу до такого состояния, когда мне чудится, что я слышу всю симфонию от начала до конца сразу, одновременно, в один миг!.. Эти минуты - самые счастливые в моей жизни».

Бытует мнение, впрочем вполне справедливое и обоснованное, что именно логика была наиболее сильной составляющей необычайного мыслительного аппарата Ландау, что творчество его было в гораздо большей степени логическим, чем эмоциональным; непохоже, чтобы он «разгорался». Между тем в самое замечательное, вероятно, из его открытий так властно вторглась интуиция.

Как, каким образом сочетать то, что выглядит столь противоположным? Думается, что лучше всего несочетаемое примирил Сент-Экзюпери такими лукаво-мудрыми словами:

«Теоретик верит в логику. Он убежден, что пренебрегает мечтой, интуицией и поэзией. Он не замечает того, что эти три феи нарядились в маскарадные костюмы, чтобы соблазнить его, как пятнадцатилетнего влюбленного. Он не ведает, что им он обязан своими лучшими открытиями. Они явились ему в облике «рабочей гипотезы», «произвольных условий», «аналогии». Как мог он, теоретик, подозревать, что, прислушиваясь к ним, он обманывает суровую логику и наслаждается пением муз!.. Разумеется, я восхищаюсь Наукой. Но я восхищаюсь и Мудростью!»

Будто специально написано о Ландау и этом его открытии...

Творчество. Научное ли, художественное... Только глядя на сцену, сидя в концертном зале, присутствуем мы, зрители, при самом творческом процессе (к тому же это творчество исполнителей; композитор, драматург, режиссер трудились раньше и не на наших глазах). А чаще всего мы пользуемся уже созревшими плодами творчества - смотрим ли на картину, читаем ли книгу или статью.

Но все же, хотя бы в принципе, какой-то вид творчества можно, и относительно просто, увидеть со стороны. Иное дело, например, творчество математика или физика-теоретика.

Но как ни удивительно, творчество Ландау в каких-то своих проявлениях бывало видимым для его окружения. Причем даже на близких ему людей, друзей, учеников, соавторов, такой вот «творящий» Ландау производил впечатление чуда. Иногда было просто видно, как он думает. К примеру, задавали ему какой-нибудь вопрос - или сложный, или из новой для него области, - и все могли наблюдать, как, по образному выражению А. И. Китайгородского, Ландау «отправляется в полет». Останавливались глаза. Включалась и начинала работать необыкновенная эта счетно-решающая машина. Обычно невидимый процесс, для всех закрытый - процесс думания, - у него становился зримым.

Вообще же работа теоретика - никак не «зрелищное мероприятие». Это не то, что стоять за спиной художника и видеть, как мазки ложатся на полотно и на твоих глазах возникает, творится картина. Или присутствовать при опытах экспериментатора, которые можно описать, и часто - достаточно образно. Например, как возникают, изламываются, мечутся кривые на экране осциллографа. Или вспыхнет спектр. Или прорежет воздух искусственная молния - искра от высоковольтного генератора. Или зажжется плазма в каком-нибудь прообразе будущего термоядерного реактора... Множество эффектных картин можно наблюдать в физических лабораториях, находясь рядом с экспериментатором.

И ничего - у теоретика. Никаких эффектов, никаких сцен, никаких красот. Доска, мел, бумага. Потому даже лаборатории нет у теоретика. Ни к чему она. И чаще всего не только содержание теоретической работы, ее значение, но и всю впечатляющую красоту ее могут оценить лишь коллеги-теоретики.

Но бывает, в общих чертах, в контурах она может явить свою красоту, необычность и «простым смертным» - захоти они сделать некоторое усилие, приложить немного энергии.

Тут красота не во внешних эффектах. А во внутренней идее, часто чудом появившейся, поражающей своей новизной и необычайностью. И в движении мысли, в логике, в удивительных ассоциациях. Ведь что может быть красивей человеческой мысли, когда она нова, впервые высказана, в чем-то парадоксальна, но вместе с тем поражает своей правильностью, точностью, неопровержимой убедительностью.

Так, на смену внешним зрительным впечатлениям приходит чисто интеллектуальная радость, которая по силе своей может стать весьма ощутимой. Недаром Пушкин сказал, что следовать за мыслью великого человека - наука самая занимательная.

Двуликий Янус - гелий II

Удивительный характер энергетического спектра стал и отражением и подтверждением удивительного характера квантовой жидкости гелия II, прежде всего сверхтекучести.

Но теоретическое доказательство неизбежно рождало новый вопрос. Каков физический механизм странного процесса? Что происходит не на графике, не согласно формулам, а в реальном жидком гелии?

Следующим этапом теории Ландау был ответ именно на этот вопрос. Причем Ландау вовсе не стремился - как к главной цели - объяснить многочисленные загадки или совокупность всех «чудачеств» жидкого гелия. Он строил последовательную теорию. А уж разгадка парадоксов стала следствием ее. Конечно, следствием необходимым, да и в высшей степени приятным. Какого ученого не обрадует блестящее разрешение, казалось бы, неразрешимых сложностей и веские доказательства справедливости своей концепции?

Чтобы стал понятен дальнейший ход мысли Ландау, вспомним, как озадачили физиков странные результаты измерения вязкости гелия II. И не только чрезвычайно малая величина ее, которая позволила Капице назвать гелий сверхтекучим. Но и удивительный факт, когда при другом способе измерения, например, при вращении в гелии диска, вязкость жидкости оказывалась вполне ощутимой. Это был единственный известный физикам случай, когда оба способа измерений давали не только не совпадающие, а совершенно различные, отличающиеся на порядки величин цифры.

Теперь Ландау решил теоретически рассмотреть и рассчитать поведение гелия при его вращении в сосуде.

Итак, Ландау, чтобы нарисовать - или увидеть - для начала в математических символах картину поведения квантовой жидкости гелия II, привел его мысленно во вращение. И стал вычислять все положенные для вращающейся системы величины. Рассматривал он тот самый газ элементарных возбуждений, квазичастиц - фононов и ротонов, - которым характеризуется поведение гелия II при температурах несколько больших абсолютного нуля. При таком подходе, мы знаем, энергию гелия можно считать равной сумме энергий всех квазичастиц. Подобным образом и любую другую физическую величину Ландау полагал равной сумме величин, относящихся к отдельной квазичастице.

Первый результат, который получил Ландау из своего рассмотрения, представился ему достаточно естественным: во вращающемся сосуде газ квазичастиц как бы увлекается стенками сосуда, вращается вместе с ним.

Еще один расчет делает Ландау - и тут оказывается, что две величины (они называются момент количества движения и момент инерции), которые обычно дружно идут вместе и одинаковым образом меняются при изменении внешних условий, вдруг решительным образом разошлись. Это могло означать только одно: когда вращается сосуд, с ним вместе вращается не вся масса жидкости в этом сосуде, какая-то часть ее не вовлекается во вращение.

Открытая Ландау особенность поведения гелия II была столь необычна и удивительна - даже и для автора открытия, - что он счел необходимым подробно рассказать о том, как он представляет себе физическую картину «жизни» квантовой жидкости.

«Мы приходим, таким образом, к фундаментальному результату, - пишет Ландау, - что при движении стенок сосуда только часть массы жидкого гелия увлекается им, а другая часть как бы остается неподвижной. Поэтому можно наглядно рассматривать жидкий гелий так, как если бы он представлял смесь двух жидкостей - одной сверхтекучей, не обладающей вязкостью и не увлекающейся стенками сосуда, и другой - нормальной, «зацепляющейся» при движении о стенки и ведущей себя как нормальная жидкость. При этом весьма существенно, что между обеими этими движущимися друг через друга жидкостями «нет трения», т. е. не происходит передачи импульса от одной из них к другой.

Подчеркнем, что рассмотрение гелия как «смеси» двух жидкостей является не больше чем способом выражаться, способом, удобным для описания явлений, происходящих в гелии II. Как и всякое описание квантовых явлений в классических терминах, оно не является вполне адекватным. В действительности надо говорить, что в квантовой жидкости, каковой является гелий II, могут существовать одновременно два движения, каждое из которых связано со своей «эффективной массой» (так, что сумма обеих этих масс равна полной истинной массе жидкости). Одно из этих движений «нормально», то есть обладает теми же свойствами, как и движение обычной жидкости; другое же «сверхтекучее». Оба эти движения происходят без передачи импульса от одного к другому. Особенно подчеркиваем, что здесь нет никакого разделения реальных частиц жидкости на «сверхтекучие» и «нормальные». В определенном смысле можно говорить о «сверхтекучей» и «нормальной» массах жидкости как о массах, связанных с обоими одновременно возможными движениями, но это отнюдь не означает возможности реального разделения жидкости на две части.

Имея в виду все эти оговорки относительно истинного характера происходящих в гелии II явлений, удобно все же пользоваться терминами «сверхтекучая» и «нормальная» жидкости как удобным способом краткого описания этих явлений. В дальнейшем мы и будем так поступать».

Значит, на самом деле никакой смеси жидкостей нет. Нет двух жидкостей. Нет разделения массы гелия на две части. Есть только одна, однородная во всех своих частях жидкость. И она, вся целиком, вот так странно себя ведет.

Может ли, скажем, человек - ну или паровоз - одновременно стоять и двигаться? Ясно, не может. А гелий II может. Именно одновременно стоять и двигаться, стоять на месте и вращаться.

Ландау все время отдает себе отчет, какой ошеломляющей своим неправдоподобием должна представляться эта картина. И сам глядит на нее не без удивления. А может, именно с радостным удивлением истинного естествоиспытателя, которому судьба подарила удачу встретиться с новым явлением природы, и который это явление не проглядел и не испугался заметить. А напротив, углубился в него и сумел в конце концов раскрыть его секрет.

Но все равно удивление осталось. И Ландау хочет разделить его со своими слушателями:

- Из существования таких двух масс гелия - массы нормальной и остальной массы, которая получила название массы сверхтекучей, следует другое, не менее на первый взгляд чудовищное утверждение, что гелий способен одновременно к двум движениям. Имея две массы в одном и том же месте, в одном и том же объеме, гелий может совершать одновременно два различных движения, одновременно в одной точке жидкости.

Квантовый эффект - мы знаем, что именно таким было объяснение Ландау. Эффект совсем новый, не похожий на другие. А если и похожий, то лишь своей непохожестью на «нормальный мир».

Коль скоро мы попали во владения квантовой механики, то слова «непредставимо», «невозможно представить», «противоречит нашим чувствам», «не укладывается в наши понятия» и тому подобные будут нам сопутствовать постоянно. И те, кто имеет дело с новой физикой, с такой ситуацией свыклись. Но и то... Рассказывают, что во время дискуссии в Копенгагене кто-то из физиков заметил, что при одной мысли об этих проблемах у него начинает кружиться голова. На что Бор тут же отреагировал:

- Если кто-нибудь скажет, что можно думать о проблемах квантовой механики без головокружения, то это лишь показывает, что он ровно ничего в них не понял.

Однако физики себе уже твердо уяснили, что всякое словесное описание квантовых объектов и квантового поведения заведомо неточно, или, говоря профессиональным языком, неадекватно. Просто потому, что слова родились в привычном нам мире, и в свою очередь, ассоциируются с привычными образами.

Точны, адекватны только формулы, одно лишь математическое описание при помощи аппарата квантовой механики, специально найденного и созданного именно для того, чтобы описывать поведение квантовых объектов.

«Физику нельзя перевести ни на какой другой язык, - говорил Ричард Фейнман.- И если вы хотите узнать Природу, оценить ее красоту, то нужно понимать язык, на котором она разговаривает».

А Ландау на ту же тему охотно цитировал афоризм Козьмы Пруткова: «Не зная законов языка ирокезского, можешь ли ты делать такое суждение по сему предмету, которое бы не было неосновательно и глупо?» (Мы с вами теперь слегка познакомились с «ирокезским языком» квантовой механики; конечно, не настолько, чтобы «делать суждения по сему предмету», но чтобы в какой-то степени его понимать.)

Таким образом, описывая явления квантового мира не формулами, а одними лишь словами, мы все время изображаем то, чего, строго говоря, нет в действительности. Потому что для того, что есть, у нас нет подходящих слов. Нет и не может быть.

Все это в полной мере относится и к «раздвоенной личности» жидкого гелия. Нарисованное пером Ландау удивительное создание - продукт человеческой мысли. На самом деле гелий II не таков. Однако вовсе не потому, что придумано нечто слишком сложное и невероятное, такое, что природе не под силу и создать. Совсем наоборот. Потому что модель Ландау есть упрощенное изображение - применительно к нашим представлениям, способу мышления, классическому видению и языку - подлинного феномена, квантовой жидкости гелия II.

Естественно поэтому, что акцент в своей теории Ландау сделал на строгом математическом описании и самого объекта и его поведения, описании уже не упрощенном, а точном. Словесной же обрисовке гелия и всех происходящих с ним событий отведена роль (тоже немаловажная!) удобной формы, облегчающей изложение новой для физики ситуации. О чем сам Ландау не уставал напоминать.

Тут уместно подчеркнуть одно весьма существенное обстоятельство. Нельзя забывать, что гелий, «спустившись» ниже λ-точки, из обычной жидкости превращается в жидкость необычную, обретающую два обличия и живущую одновременно как бы в двух разных, ни в чем не схожих, не совпадающих мирах. С одной стороны, он продолжает оставаться видимой невооруженным глазом жидкостью (забудем на время о странностях ее поведения). А с другой - это квантовый объект, подчиняющийся законам квантовой механики. Это сочетание само по себе уже непривычно, потому что все привыкли, что законам квантовой механики подчиняются лишь представители микромира.

Велика роль, так сказать, «эффекта привыкания». Многократно повторяемые, слышимые слова, высказывания, понятия, идеи в конце концов утрачивают свою необычность, парадоксальность - даже если поначалу были наделены всем этим сверх меры.

Долгое время физики, а затем и все остальные, кто интересовался, как устроена природа, привыкали и постепенно привыкли к тому, что свет - это не только волны, но одновременно и поток частиц, квантов. И что атомы, электроны - не мельчайшие шарики. Все они, подобно оборотням, в определенных процессах, в том числе и в экспериментах, поставленных в лабораториях, то ведут себя как волны, то представляются отдельными дискретными частицами. И недавно обосновавшиеся в физике квазичастицы заведомо, по самому определению, есть не частицы, а некие возбуждения, движения всего кристалла или всей жидкости в целом, а ведут себя они во многом как подлинные элементарные частицы.

На самом же деле, все они есть нечто, сочетающее те и другие свойства, что на наш человеческий взгляд ни в какой привычный образ материализоваться не может. А потому и представить себе такое мы тоже не можем. И остается лишь повторять восхищенные слова ярого противника высоких слов Ландау об «остром ощущении силы человеческого гения, величайшим триумфом которого является то, что человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить».

Но все это относится, повторяем, к дуализму частица - волна, ставшему уже привычным не только для физиков, но и для нынешних школьников и всех тех, кто любит читать популярную литературу о науке. Или - к теории относительности, которой в первую очередь и адресованы только что приведенные слова Ландау (и о ней тоже написано множество популярных книг и статей). А кроме того, в одном случае речь идет о столь маленьких объектах, что их никаким образом нельзя увидеть, а можно наблюдать лишь следы их, так сказать, «жизнедеятельности», например, треки в камере Вильсона или световые вспышки - сцинтилляции. А в другом случае, наоборот, - о беспредельных расстояниях, о пространстве Вселенной, которое простирается за пределы видимости сильнейших телескопов.

Вот это сочетание - непредставимо и в то же время невидимо - облегчает психологическое приятие новых и весьма сложных идей. Потому что гораздо легче примириться с тем, что мы не можем себе представить того, что не видим, что вообще нельзя увидеть, чем глядеть на жирафа и твердо знать, что «такое животное не существует».

А Ландау демонстрирует нам как раз подобные чудеса.

В дьюар наливают гелий, охлаждают его ниже 2,19К, превращая таким образом из обычной жидкости в гелий II. С непривычки, правда, трудно разглядеть его. Жидкость совершенно прозрачна, спокойна, да и смотровая щель в стенках сосудов невелика (чтобы гелий II получал как можно меньше тепла, был как можно сильней изолирован от внешней среды). Но привыкнув, его уже можно увидеть. Да есть и другие способы убедиться, что в дьюар налита жидкость.

Показывая на дьюар, Ландау утверждает - а затем и доказывает, - что этот видимый невооруженным глазом - не микро - макрообъект по своей физической природе есть нечто совершенно отличное от всех других жидкостей, некий монстр.

Описать его поведение можно только квантовыми законами, квантовыми формулами. Однако опять же не обычным способом. На этот раз формулы квантовой механики будут описывать поведение не микрочастиц, не атомов, из которых состоит гелий II, а макрообъект целиком, то есть всю массу видимого нами гелия.

А эта масса есть жидкость, одновременно нормальная и анормальная. Не то чтобы часть атомов ее нормальна и ведет себя обычным образом, например, переносит тепло, обладает вязкостью и тому подобное, а другая, «ненормальная», упорно отказывается исполнять эти присущие макрообъекту функции.

Нет, весь гелий - это одновременно и нормальная, и сверхтекучая компоненты. Весь гелий одновременно участвует в двух движениях, нормальном и сверхтекучем. И если при вращении сосуда вместе с ним вращается нормальная компонента, а сверхтекучая неподвижна, то это означает, что весь гелий одновременно и двигается, и неподвижен.

Думая, как бы лучше описать такое движение, можно найти еще один странный, опять же непредставимый процесс или образ - движение жидкости сквозь самое себя. Безо всякого трения, без сопротивления, без малейших помех происходит это относительное движение. При этом вся жидкость может стоять па месте, быть неподвижной. Или, как видно во время опытов, участвовать во вращении, бить струей из сосуда, протекать сквозь щель. Мы видим, что так ведет себя вся жидкость целиком. Но на самом деле это неверно. На самом деле в ней все время происходят эти два одновременных и различных движения. И из ряда процессов, которые можно наблюдать в экспериментах и измерять приборами, мы убеждаемся, что такое парадоксальное явление и вправду существует. Больше того, только лишь оно одно может объяснить все те странные результаты, которые наблюдались при опытах и так изумили, озадачили экспериментаторов, того же Капицу.

Итак, сверхтекучая компонента - или же сверхтекучая масса - соответствует движению жидкости без трения, без какого-либо сопротивления. Нормальная же - нормальному течению с вполне ощутимой, измеряемой вязкостью. А вязкость возникает тогда, когда в гелии появляются квазичастицы.

Иными словами, сверхтекучая компонента - это гелий без квазичастиц, а нормальная - как раз совокупность фононов и ротонов.

А сейчас пройдемся по интервалу температур от абсолютного нуля до λ-точки, в которой гелий превращается из квантовой жидкости в обыкновенную. Мы ведь знаем, что в отличие от обыкновенных частиц число квазичастиц не постоянно, а меняется в зависимости от температуры. Посмотрим, как оно будет меняться и как это отразится на поведении гелия.

При нуле градусов квазичастиц нет вовсе, значит, гелий весь - одна лишь сверхтекучая масса. По мере нагревания начинают появляться элементарные возбуждения - возникают квазичастицы, сперва фононы, а потом и ротоны. То есть нормальная компонента - это совокупность движущихся в жидкости фононов и ротонов.

Хотя - об этом надо помнить все время - никакого действительного разделения жидкости на компоненты нет, каждое из обоих состояний относится ко всей жидкости в целом, одновременно присутствует в ней, для теоретического описания удобнее говорить о двух массах или о двух плотностях ее - нормальной и сверхтекучей.

Тогда можно сказать, что при нуле градусов отношение массы (или плотности) нормальной компоненты ко всей массе равно нулю, а в λ-точке оно равно единице.

Одна и та же жидкость, однородная во всех частях - и такая странная, невиданная «перекачка» массы из одной компоненты в другую!

Вот как писал об этом Ландау в первой своей работе:

«Важнейшим параметром, определяющим свойства гелия при каждой данной температуре, является отношение между массами сверхтекучей и нормальной частей жидкости. Введем плотность ρn нормальной жидкости и плотность ρs сверхтекучей; сумма ρs+ρn = ρ есть полная истинная плотность жидкости. (Напомним, что плотность в физике обычно обозначается греческой буквой «ро» - ρ. - А. Л.)

При абсолютном нуле отношение ρn/ρ равно нулю. По мере повышения температуры оно растет, пока не сделается равным единице, после чего, конечно, будет оставаться постоянным. Температура, при которой ρn/ρ обратится в единицу, и представляет собой точку перехода гелия II в гелий I. Таким образом, фазовый переход в жидком гелии связан с исчезновением сверхтекучей части жидкости. Это исчезновение происходит постепенно, т. е. ρn/ρ обращается в единицу непрерывным образом, без скачка. Поэтому переход является фазовым переходом второго рода, т. е. λ-точкой (не сопровождается выделением или поглощением скрытой теплоты). Наличие же скачка теплоемкости является, как известно, непосредственным термодинамическим следствием фазового перехода второго рода».

До чего же приятно читать доподлинные слова автора такого открытия и теперь уже понимать их содержание. Потому что сказаны они на языке, переставшем быть совсем чужим, незнакомым.

Самое удивительное...

Трудно исчерпать все неожиданности, которыми гелий одаривает физиков. Но, пожалуй, все-таки, самое удивительное - как гелий связан с теплом.

- Я напомню, - рассказывал Ландау, - очень старую историю о некой теории, которая в свое время фигурировала в физике. В физике некогда фигурировала такая, разумеется, никогда не существовавшая жидкость, как теплород. Считалось, что наряду с обыкновенной жидкостью, существовала еще тепловая жидкость, что если тело является теплым, то это значит, что в нем больше теплорода. Если меньше теплорода, значит, оно соответственно становится более холодным, то есть теплород - жидкость, специально придуманная для объяснения этих явлений.

Эксперименты доказали, - продолжал Ландау, - что никакой тепловой жидкости не существует, а тепло - это есть движение частиц жидкости. Оказывается, что в гелии сохранилось кое-что от теплорода, конечно, в очень своеобразном смысле.

...Любопытно, как на каком-то этапе развития науки давние заблуждения или ложные идеи трансформируются в истины и законы физического мира. Такие метаморфозы бывали не раз.

Что это? Случайные совпадения? Или неясные, диковинным образом преображенные предчувствия? Кто знает...

Философский камень, с помощью которого пытались превратить в золото металлы и другие вещества, - основа лженауки алхимии. Но в конце прошлого века открыли радиоактивный распад элементов. А в тридцатых годах нынешнего научились, бомбардируя атомные ядра, вызывать искусственную радиоактивность. Ныне превращение элементов - научный быт.

Настала очередь теплорода. И исторически он вышел на арену позже остальных заблуждений - лишь в конце XVIII века, и «трансформация» его произошла тоже совсем недавно - в созданной Ландау теории квантовой жидкости.

Теплород - это мифическая невесомая жидкость, нечто, существующее отдельно от данного тела или данной жидкости, некая субстанция, которую можно привнести в реальную жидкость или от нее отнять. И тем самым в первом случае сделать реальную жидкость более горячей, а во втором - более холодной, чем она была сначала.

Этот образ и натолкнул Ландау на мысль при объяснении странной связи тепла с гелием II привести аналогию с теплородом. Разумеется, сделал он это лишь в своем популярном рассказе, а не в научной статье. Как, впрочем, и все примеры - с философским камнем, вечным двигателем, флогистоном и другие - приводятся тоже только в изложении историческом или научно-популярном.

Но апология эта красивая. Ведь сам гелий II есть некое двуединство разных - по всем своим характеристикам – жидкостей: нормальной и сверхтекучей. Мы уже знаем, как резко они разошлись в своих «взаимоотношениях» с вязкостью. Теперь предстоит увидеть, что также повели они себя и в отношениях с теплом.

Кому же или чему достанется роль теплорода? Эту роль сыграет газ квазичастиц, фононов и ротонов.

Ведь именно они, квазичастицы, связаны с энергией, с теплотой. И внешне, если не вдумываться в физическую сущность явления, то подобно теплороду с температурой впрямую связано количество квазичастиц, то есть нормальная масса гелия. В отличие от сверхтекучей, которая с теплом не имеет никакого дела.

Что такое один градус для обычной жидкости? Ровным счетом ничего (если, конечно, это не температура какого-либо превращения). Одним градусом больше, одним меньше - разница почти неуловима.

А здесь не то что градус - их всего-то отпущено гелию II чуть больше двух, - каждая десятая, сотая, тысячная градуса меняет саму жидкость. Она в чем-то становится похожа на ту реку, в которую, как говорили древние, нельзя войти дважды. С каждой долей градуса меняется количество квазичастиц, а значит, меняется соотношение между нормальной и сверхтекучей компонентами. Таким образом, жидкость не только становится чуть теплее или чуть холоднее, чем была только что, а и оказывается вообще уже иной.

При абсолютном нуле квазичастиц нет вовсе, «теплород» отсутствует, вся жидкость сверхтекуча. С повышением температуры растет количество квазичастиц, сверхтекучая масса постепенно уступает свое место нормальной. В точке перехода гелия II в гелий I сверхтекучая компонента уходит с арены совсем. Вся жидкость превращается в нормальную, причем уже в подлинно нормальную, во всем, по всем параметрам.

Отойдем от обеих границ, от нуля и от λ-точки, зафиксируем какую-нибудь - любую - температуру внутри этого интервала и еще раз бросим взгляд на события, происходящие в гелии П. Так как сверхтекучее движение вообще не сопровождается каким бы то ни было переносом теплоты, а все тепло переносит нормальная компонента, то повторим слова одного физика: «В известном смысле можно сказать, что это и есть само тепло, которое, таким образом, становится в жидком гелии самостоятельным, отрываясь от общей массы жидкости и как бы приобретая способность перемещаться относительно некоторого «фона», находящегося при абсолютном нуле температуры. Стоит вдуматься в эту картину, чтобы понять, сколь радикально она отличается от обычного представления о тепле как о хаотическом движении атомов вещества, неотделимом от всей его массы».

Увидеть такую картину, конечно, нельзя. А вот вдуматься в нее, поразмыслить над ней можно. И тогда поймешь, что она не только удивительна, но и красива. Не говоря уже о том, что именно эта картина послужит ключом к поведению гелия. Объяснит парадоксы, раскроет секреты. Точнее, она, как следствие двухкомпонентной модели, объяснит все, что связано со странными «тепловыми эффектами» гелия II. А сама модель поможет понять и все остальное, касающееся собственно движения гелия - и в гелии, - в частности, удивительные сцены, вызванные сверхтекучестью.

Теоретик и экспериментаторы

Построив свою теорию, создав некий диалект языка квантовой механики, диалект, описывающий явление, прежде физикам неизвестное - квантовую жидкость, Ландау мог теперь именно на этом языке рассказать о том, что в действительности происходит с гелием II, как все странности его оборачиваются вполне закономерным, обязательным, даже единственно возможным поведением.

Ключом к объяснению чудес экспериментов пусть станут слова Ландау из его лекции, резюмирующие суть открытия и в то же время весьма эмоционально эту суть оценивающие:

- Теория показывает, что оба движения гелия II 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 ни с какой вязкостью.

На первый взгляд такая концепция имеет характер почти абсурда, - говорил Ландау.- 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. Те два движения, о которых я вам сказал и существование которых производит такое дикое впечатление, могут быть непосредственно наблюдены на экспериментах.

Ландау переходит к объяснению экспериментов.

Почему, когда Капица измерял вязкость гелия II по протеканию его через узкие щели, он получал почти нулевые значения - сверхтекучесть! - а когда вязкость определялась по трению, которое испытывал вращающийся в гелии цилиндр, то получались вполне измеримые величины? Ведь для всех жидкостей оба результата всегда совпадают, одинаковы.

Такое происходит потому, отвечает Ландау, что при обоих способах фактически измеряется вязкость разных компонент гелия II. У Капицы через щели протекала сверхтекучая часть гелия, а нормальная компонента, обладающая вязкостью, через весьма узкую щель могла проходить, просачиваться в высшей степени медленно, еле-еле. Вот почему Капица в своих опытах открыл сверхтекучесть - у сверхтекучей компоненты вязкость действительно отсутствует.

Иное дело измерения с цилиндром. Вращаясь в гелии, цилиндр испытывает трение о нормальную часть жидкости, и это трение останавливает вращение цилиндра. Таким способом измеряется вязкость нормальной компоненты гелия П.

Та особенность, что через узкие щели проходит по существу только лишь сверхтекучая компонента, а нормальная это препятствие фактически преодолеть не может, позволила Ландау раскрыть секрет еще одного загадочного явления, наблюдавшегося Капицей.

- Именно этим объясняется знаменитый термомеханический эффект, - сказал Ландау, - то, что гелий охлаждается в том сосуде, куда втекает через тонкую щель, а нагревается в том сосуде, откуда вытекает. При сверхтекучем движении гелий вытекает без всякого тепла. Поэтому в том сосуде, куда он втекает, остается одно и то же количество тепла, а гелия становится больше. Следовательно, гелий в этом сосуде будет охлажденным. Наоборот, в том сосуде, откуда гелий вытекал, гелия становилось меньше, а тепла оставалось столько же. Естественно, что гелий в этом сосуде становился более нагретым.

И еще одна серия парадоксов, обнаруженных в опытах Капицы, ждала своего истолкования.

Почему при нагревании гелия в бульбочке из капилляра бьет струя жидкости, которая отклоняет крылышко? И почему при этом бульбочка не пустеет, как бы долго струя ни била?

- Возьмем этот удивительный эксперимент Капицы с бьющей струей жидкого гелия. С точки зрения теории сверхтекучести ясно, в чем тут дело, - рассказывал Ландау.- Нагревание жидкого гелия происходит не обычным образом. Обычным образом тепло переходит от молекулы к молекуле, без всего движения в целом. В жидком гелии под влиянием нагревания возникают одновременно два движения.

Нам теперь известно, о каких двух движениях говорит Ландау. Одно - нормальное, другое - сверхтекучее. И мы можем понять происходивший процесс. При нагревании гелия в сосуде - погруженном, как и подвесная система с крылышком, тоже в жидкий гелий, - из капилляра бьет струя, которая отклоняет крылышко. Это - струя нормальной компоненты, которая несет с собой тепло, и как всякая нормальная, обладающая вязкостью жидкость, при своем движении давит на крылышко, стоящее на ее пути. Все то время, пока бьет струя, через тот же капилляр из окружающего гелия навстречу струе и как бы «сквозь» нее в сосуд втекает поток сверхтекучей компоненты. Сверхтекучая масса гелия никакого воздействия на крылышко не оказывает, она просто индифферентно обтекает его. Вот почему опыт обнаруживает лишь струю нормальной компоненты. Но, с другой стороны, обе эти компоненты равны, как мы знаем, по массе. Именно в этом секрет удивительного явления - струя бьет, а бульбочка не пустеет. В каждый миг сколько количества жидкости уходит, столько и приходит; нормальный и сверхтекучий потоки - полностью компенсируют друг друга по массе переносимого вещества. Точнее будет сказать, что вообще никакого суммарного движения жидкости как целого не происходит, так же как не меняется и реальное количество гелия в сосуде.

- Этим же обстоятельством, - говорит Ландау, - объясняется и грандиозная теплопроводность гелия - способность к передаче громадного количества тепла. В обыкновенной жидкости, где тепло передается молекулярным движением от молекулы к молекуле, оно передается медленно. В гелии возникают два противоположно направленных встречных потока. От нагретого конца к холодному идет поток нормальной жидкости, переносящей тепло; переносимого таким способом тепла с избытком хватает для объяснения экспериментально наблюдающихся больших величин теплопередачи. В обратном направлении идет поток сверхтекучей жидкости: оба потока по количеству переносимой ими массы в точности компенсируют друг друга, так что никакого реального макроскопического течения в гелии в действительности не возникает.

В добавление к тому, что сказал Ландау, стоит отметить, даже подчеркнуть, что так было открыто и объяснено совершенно новое явление в, казалось бы, досконально изученной макрофизике - новый вид теплопередачи. Это была не обычная теплопроводность. И не передача тепла путем конвекции. Хотя от каждой вроде бы что-то присутствовало. Подобно классической теплопроводности, новый вид передачи тепла не сопровождался движением массы жидкости как целого. С другой стороны, нечто аналогичное конвекции происходило с нормальной компонентой.

В результате всего и возникла та огромная величина, которая в свое время заставила Кеезома назвать этот процесс «сверхтеплопроводностью», а Капицу - заподозрить присутствие некой тайны, на которую следует обратить внимание.

Таким образом получилась необыкновенно красивая картина явления, картина, в которую гармонично вписались все детали. А физики, надо сказать, весьма чувствительны к эстетической стороне открытия, к форме, в которую автору удается его облечь. Говорят даже, что форма может служить добавочным критерием правильности теории. Так или иначе, красота работы ценится особенно.

Но осматривая нарисованную выше картину, вникая в нее - а такое удовольствие нам теперь доступно, - следует по-прежнему не забывать, что реальные физические процессы, которые протекают в гелии, гораздо необычнее, что они не поддаются ни зрительному представлению, ни чисто словесному описанию. Потому что нет никакого реального разделения квантовой жидкости гелий II на две компоненты. Единый, он так себя ведет, оборачивается для нас таким двуликим. Кстати, истинная - непредставимая - картина как чисто теоретическое творение еще более красива и гармонична.

Помимо словесного, качественного объяснения феномена гелия II, теория Ландау позволяла получить и количественные характеристики - это непременная обязанность теории.

Вспомним, что для построения кривой энергетического спектра Ландау привлек и некоторые экспериментальные данные. Теперь на основе своего спектра, его формы, его особенностей Ландау вычислил термодинамические величины гелия II и получил отличное совпадение с измеренными их значениями.

Но не только тепловые характеристики жидкого гелия определил Ландау. Крайне важным для самой теории было количественное соотношение между сверхтекучей и нормальной массами. Тот факт, что при абсолютном нуле весь гелий сверхтекучий, а в точке перехода, при 2,19К, он целиком становится нормальным, сам по себе еще не раскрывал динамики процесса. Требовалось установить, как относительные количества сверхтекучей и нормальной масс меняются с изменением температуры в интервале существования гелия II.

Ландау такой расчет произвел и получил кривую зависимости от температуры уже известного нам отношения ρn/ρ. Однако экспериментально этот ход зависимости еще никем не подтверждался, подобные измерения никто не проводил.

Правда, у Ландау была идея одного опыта, которую он с охотой обсуждал. Среди собеседников оказался и молодой физик из Тбилиси Элевтер Андроникашвили. Впоследствии Андроникашвили вспоминал:

- Этот-то опыт и запал мне в душу, и мысли о нем не давали мне покоя на протяжении нескольких лет. - Дело было незадолго до начала войны.

В 1945 году Элевтер Луарсабович Андроннкашвили стал докторантом Института физических проблем. Больше всего его увлекла та давняя задача - экспериментально определить соотношение нормальной и сверхтекучей компонент при разных температурах гелия II.

Но как определить? Решение - притом не только методическое, но и принципиальное - пришло далеко не сразу. Отправной точкой поисков стала известная нам ситуация, которая возникает в гелии при вращении.

- Представьте себе, - говорил потом Ландау, - что цилиндрический сосуд с гелием начинает вращаться, причем он начинает вращаться очень медленно, настолько 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.

Примерно таким образом Ландау сформулировал принцип придуманных им опытов, которые и должен был проделать Андроникашвили. Но как определить, сколько гелия стоит неподвижно, а сколько вращается вместе с вращающимся сосудом?

Долгие размышления, расчеты, пробы привели, наконец, Андроникашвили к созданию прибора, с помощью которого ему удалось решить задачу.

Прежде всего он несколько изменил постановку опыта и соответственно прибора, заменив вращение сосуда крутильными колебаниями стопки параллельных металлических дисков:

«Мне пришло в голову построить прибор, состоящий из большого числа параллельных лепестков, который, будучи подвешен на тонкой упругой нити, должен был бы вместо вращения совершать малые колебания вокруг своей оси. Жидкость, обладающая вязкостью, будет вовлекаться лепестками в колебательное движение прибора, и чем больше ее масса, тем большим будет период колебаний. Жидкость, не обладающая трением, не будет увлекаться стопкой дисков (лепестков)».

Литературный дар в сочетании с темпераментом южанина позволяют нам чуть-чуть заглянуть в лабораторию, где трудится или, что часто бывает синонимом, мучается экспериментатор:

«Задуманный мною опыт был предельно трудным и, во всяком случае, выходил за рамки моих тогдашних экспериментальных возможностей. Он требовал мобилизации всех умственных и физических сил, вдохновения, терпения. Иногда нельзя было перевести дыхание в течение минуты, а иногда нельзя было отвести взгляд в течение получаса. Иногда нельзя было пошевелиться. С утра до вечера нельзя было сделать ни одного неосторожного или неправильного движения.

Каждый раз, когда приходилось переживать один из напряженнейших моментов жизни, во время сборки стопки дисков, в комнату врывался кто-нибудь и отвлекал мое внимание. Я делал неуверенное движение, и многочасовая работа шла насмарку. И не мудрено, так как держать в руках этот воздушный прибор, а тем более отдельные его части, было практически невозможно».

Секрет заключался в том, что сто тончайших, в одну тысячную сантиметра, дисков из алюминиевой фольги надо было укрепить на оси с величайшей точностью: все они должны быть абсолютно параллельными, а расстояние между каждой парой одинаково и точно равно двум сотым сантиметра.

«Настало время собирать лепестки из фольги в стопку, - вспоминает Андроникашвили.- Собрав стопку, заключаю ее в тончайшую алюминиевую оболочку... В этой эфемерной броне моему детищу были не страшны даже легкие прикосновения рук Ландау, которому было действительно разрешено его подержать несколько секунд, что он и сделал с весьма понимающим видом».

Первые же эксперименты показали, что путь был избран верный. При вращении стопки сверхтекучая компонента легко проходила между дисками, а квазичастицы вроде бы «прилипали» к ним, а потому участвовали во вращении стопки, увлекались ею. При этом они, естественно, увеличивали общую вращающуюся массу, а следовательно, увеличивали период колебаний, то есть замедляли вращение.

Когда температура снижалась, квазичастиц, то есть нормальной компоненты, становилось меньше, и колебания убыстрялись. Так Андроникашвили получил количественную зависимость соотношения нормальной и сверхтекучей компонент от температуры гелия II.

Эти опыты в отличие от опытов Капицы проводились уже после создания теории - для ее проверки. Естественно, что ход их и результаты весьма занимали Ландау, и он был частым гостем в лаборатории у Андроникашвили.

«Началась систематическая планомерная борьба за каждую точку, - вспоминал потом Андроникашвили, - за точность каждого измерения и каждого отсчета, учет самых незначительных влияний, казалось бы, ничего не значащих факторов.

Ландау загорелся еще большим нетерпением. Его привычка ежедневно бывать в лабораториях и вызнавать у экспериментаторов, что нового произошло в их научной жизни, в то время превратилась в потребность».

Вместе они продумывали - до деталей - новые опыты. Ландау объяснял возникавшие по ходу дела сложности, неожиданные и странные, как казалось экспериментаторам, результаты. Сотрудники любили эти посещения. В присутствии Ландау всегда было интересно и весело. Вперемежку с делом шел забавный «треп». Подшучивали и над Ландау, чаще всего острили на одну тему: что получится, если допустить его к приборам. Шутки Ландау охотно принимал. Но зато и у него был свой «джентльменский набор» - обычно он выдавал его в ответ на мысли и предложения, казавшиеся ему неверными, - патология, ахинея, чушь, галиматья... Темпераментно выкрикиваемые синонимы этим не исчерпывались, бывали и похлеще.

Тонкие эксперименты Андроникашвили привели к отличному совпадению измеренных величин с расчетными, а значит, и к полному подтверждению теории.

Андроникашвили рассказывал, что когда он написал статью и показал ее Ландау, тот заметил, что название не отражает в достаточной степени сущности обнаруженных фактов:

- В тексте вы пишете: «Удалось установить, что описанным способом возбуждается только нормальный вид движения, тогда как сверхтекучая часть гелия II остается неподвижной». Тогда так и озаглавите вашу статью: «Непосредственное наблюдение двух видов движения в гелии II». Это же фундаментальный факт, что гелий II может одновременно и стоять и двигаться! - подчеркнул Ландау.

А потом, уже перед широкой аудиторией, Ландау сказал:

- Замечательные результаты были обнаружены Элевтером Апдропикашвили. При экспериментах оказалось, что выше 2,19 К гелий при вращении увлекается весь, а ниже этой температуры гелий увлекается тем в меньшем количестве, 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 фикция, - продолжал Ландау, - это есть вообще реально наблюдающееся при эксперименте явление. Полученные количественные 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.

В 1983 году, когда физики отмечают семидесятипятилетие со дня рождения Ландау, жидкий гелий тоже может праздновать два своих юбилея: семьдесят пять лет существования и сорок пять - открытия Капицей сверхтекучести. В сорокалетнюю годовщину своего открытия Петр Леонидович Капица получил, наконец, Нобелевскую премию «за его основополагающие открытия и изобретения в области физики низких температур».

Как мы видели, обнаружение сверхтекучести и других загадочных свойств гелия II вызвало к жизни фундаментальную теорию Ландау, раскрывающую природу квантовой жидкости. Согласие этой теории и со всем комплексом опытов Капицы и с последующими экспериментами, проделанными его учениками, было впечатляюще полным. Успеху несомненно способствовала тесная и постоянная связь теоретика Ландау с экспериментаторами.

«Главная его сила была в ясном и строгом логическом мышлении, основанном на крайне широкой эрудиции, - говорил Капица.- Он любил изучать результаты эксперимента, облекать их в математическую форму, а затем выяснять их значение для теории. Он понимал, что в научном исследовании связь между теорией и экспериментом должна быть совершенно отчетливой. Экспериментаторы в свою очередь очень любили обсуждать с Ландау полученные ими результаты».

Вообще говоря, взаимодействие и сосуществование теоретической и экспериментальной физики в той или иной форме прослеживается во всех крупных открытиях. Но в то же время это вещь довольно тонкая. И, бывает, неоднозначно понимаемая.

Взаимоотношения теории и эксперимента, как правило, по-разному оцениваются представителями одного и другого методов познания природы. Что, вероятно, естественно.

- Каждый считает, что его работа самая важная, - неоднократно повторял Капица свой излюбленный афоризм.

А в развитие темы это звучало так: «Большинство ведущих английских ученых обычно отличается тем, что они главное значение придают эксперименту, рассматривая теорию как вспомогательное оружие. Более ста сорока лет тому назад еще Дэви сказал, что «один хороший эксперимент стоит больше изобретательности ньютоновского ума». Эта фраза часто повторяется и по сей день. Любили ее цитировать такие современные ученые, как Дж. Дж. Томсон, Резерфорд. Ее надо рассматривать, конечно, как гиперболу, как лозунг протеста против обожествления теории». Вот и Резерфорд однажды сказал о теоретиках: «Они играют в свои символы, а мы в Кавендише добываем неподдельные твердые факты природы».

Действительно, в Англии, в «островной школе» (к которой принадлежал и Капица) считали именно так в отличие от школ «континентальных», «материковых» - школ Бора, Паули и других. А что думал и говорил Ландау по поводу взаимоотношений, точнее, взаимодействия теоретиков и экспериментаторов мы уже знаем.

«Исследователь должен, - сказал Эйнштейн, - выведать у природы четко формулируемые общие принципы, отражающие определенные общие черты совокупности множества экспериментально установленных фактов».

В этом - роль и предназначение теоретика. Но великий физик много раз убеждался сам, как нелегок этот путь. Поэтому он и заметил с мудрой усмешкой:

«Вряд ли можно позавидовать теоретику - исследователю природы, Его труд судит неумолимый и не очень-то дружелюбный судья - опыт. Опыт никогда не скажет теории «да», но говорит в лучшем случае «может быть», большей же частью - просто «нет». Когда опыт согласуется с теорией, для нее это означает «может быть»; когда же он противоречит ей, объявляется приговор: «нет».

Физики, в том числе и Ландау, любят повторять слова Бора о том, что совпадение теории с опытом ничего не значит, потому что среди бесконечного множества (употребляется математический термин «континуум») дурацких теорий всегда найдутся и такие, которые совпадут с экспериментом.

Пусть так. Но что всегда бывало апробацией теории, самоутверждением ее - это предсказание новых явлений, таких, о которых ранее никто не подозревал; а потом, на указанном и освещенном теорией «месте», их действительно находили.

Именно это и имел в виду Ландау, когда в публичной лекции он сказал:

- Теория не только объяснила те явления, о которых я говорил, - и что всегда является не вполне достаточным критерием правильности теории, - но и предсказала ряд явлений, которые в дальнейшем были все обнаружены экспериментами.

Подлинным триумфом теории Ландау стало предсказание «второго звука».

Второй звук

Что такое звук, звуковая волна? Откроем любую энциклопедию. «Звук - волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц упругой среды (воздуха, воды и т. д.)... Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред... Источниками звука являются тела или системы тел, движение которых относительно окружающей среды нарушает ее равновесное состояние».

Такова норма. Но для гелия II, как мы уже много раз убеждались, законы не писаны.

Строя на основании своей теории математическую картину движения жидкого гелия как целого, всей его массы, Ландау и здесь получает удивительный результат. Уравнения недвусмысленно утверждают: в гелии II, помимо обычного звука с обычными его чертами, должен распространяться и еще один, совсем особенный, «необычный звук». Главное их различие, вытекающее из уравнений, это величина скорости, а еще больше - зависимость скорости от температуры.

В то время как обычный звук в гелии, как и в других жидких средах, почти не зависит от температуры, тот другой, названный вторым звуком, зависит – и очень сильно и весьма интересным образом. При абсолютном нуле и вблизи него скорость второго звука - по своей величине примерно в полтора раза меньше скорости обычного, «первого» звука. Потом она резко падает, потом остается почти постоянной, а в λ-точке обращается в нуль.

Когда в институте Физпроблем стало известно о теоретическом предсказании Ландау, то внимание сразу оказалось прикованным к новому феномену. И естественно, захотелось как можно скорее проверить теорию, обнаружить второй звук в эксперименте.

Первым энтузиастом стал ленинградский акустик С. Я. Соколов. Он предложил Капице попробовать измерить второй звук с помощью имевшейся у него исключительно чувствительной аппаратуры для акустических измерений. Капица попросил Шальникова помочь Соколову. Они собрали установку и в конце мая 1941 года начали свои опыты.

Звуковые колебания в гелии возбуждались с помощью вибрирующей пьезокварцевой пластинки. Из пьезокварца же был сделан и приемник колебаний. Ожидалось, что приемник зарегистрирует два сигнала - один, соответствующий обычному звуку, распространяющемуся с обычной скоростью, другой - гораздо более медленно распространяющемуся второму звуку.

До середины лета 1941 года, до самой эвакуации института в Казань, шли эти измерения. Однако ни к каким положительным результатам они не привели. Второй звук отсутствовал, не обнаруживался. Отрицательный результат был непонятен. По-видимому, секрет крылся в чем-то принципиальном, следовало менять саму стратегию поисков.

Загадка не переставала волновать физиков института, и экспериментаторов и теоретиков, начиная, конечно, с Ландау. И в 1944 году Е. М. Лифшиц берется за эту задачу, чтобы выяснить все со вторым звуком.

Теоретически рассмотрев ситуацию, Лифшиц полно раскрывает особую физическую природу второго звука. При этом становятся понятны и причины отрицательного результата опытов Соколова и Шальникова. И одновременно открываются пути экспериментального наблюдения второго звука. Позднее, когда весь комплекс этих работ был позади, Лифшиц так изложил сущность явления:

«Как хорошо известно, звуковые волны в обычной жидкости представляют собой распространяющийся вдоль среды процесс периодических сжатий и разрежений. Каждая частица жидкости совершает при этом колебательное движение, двигаясь с периодически меняющейся скоростью вокруг среднего положения равновесия. Но мы уже знаем, что в гелии II могут одновременно происходить с разными скоростями два различных движения. В связи с этим возникают две различные возможности для движения в звуковой волне. Если обе компоненты жидкости совершают колебательное движение в одинаковом направлении, двигаясь как бы вместе, то мы будем иметь звуковую волну того же характера, что и в обычной жидкости.

Но есть и иная, специфическая для гелия II возможность - обе компоненты могут совершать колебания во взаимно противоположных направлениях, двигаясь навстречу, «одна сквозь другую», так что количество массы, переносимой в том и другом направлении, почти взаимно компенсируется. В такой волне - это и есть волна второго звука - практически не будет происходить сжатий и разрежений жидкости как таковой. По этой причине колебания мембраны, производящие периодические сжатия и разрежения жидкости, будут фактически приводить к возбуждению лишь обычного звука. С этим и был связан отрицательный результат опыта - интенсивность второго звука была слишком мала, чтобы быть обнаруженной.

Но из сказанного следует и другой вывод. Взаимные колебания нормальной и сверхтекучей компонент по существу представляют собой колебания тепла относительно «сверхтекучего фона» и должны приводить в первую очередь к периодическим колебаниям температуры жидкости. Естественно поэтому, что такая «тепловая волна» должна излучаться с наибольшей интенсивностью от нагревателя с периодически меняющейся температурой».

Таким образом, оказалось, что отрицательные результаты, полученные в опытах Соколова и Шальникова, были не просто правильными, а единственно возможными.

- Нам повезло, что мы не обнаружили того, что обнаружить было нельзя, - вспоминал академик Шальников. - Такое с экспериментаторами случается.

Итак, второй звук не потому нельзя обнаружить обычным способом и услышать, что частота его отличается от той, которую воспринимает наше ухо (как, например, у тоже неслышного ультразвука). Наоборот, второй звук имеет широкий диапазон частот, заключающий в себе и те, которые - будь он звуком «нормальным» - мы бы непременно услышали. Природа второго звука - колебания тепла, температурные волны; и искать и измерять их надо такими методами, какими измеряют тепло.

Имея после работы Лифшица точную руководящую идею, за измерение второго звука взялся Василий Петрович Пешков, бывший в те годы аспирантом Капицы.

Так как второй звук - это колебания не плотности, а тепла, значит, чтобы получить его, следует возбудить в гелии именно тепловые колебания, которые подобно звуковой волне станут распространяться в жидкости.

Серию таких экспериментов и проделал Пешков. Возбуждались колебания тепла - на погруженный в гелий нагреватель поступал переменный ток от звукового генератора.

Как мы помним, количество тепла в гелии II связано с величиной нормальной компоненты, иными словами - с количеством квазичастиц. А число квазичастиц прямым образом связано с температурой гелия. Следовательно, колебания тепла предстают перед экспериментатором в форме колебаний температуры. Заставляя термометр «путешествовать», приближая и удаляя его от нагревателя с периодически меняющейся температурой, Пешков четко зарегистрировал периодические колебания температуры в самой жидкости, то есть существование второго звука.

Конечно, чрезвычайно важны были тут и количественные результаты. Потому что теория и расчеты Ландау давали и весьма своеобразную зависимость скорости второго звука от температуры, и величину скорости для каждой данной температуры.

Результаты проверки предсказанного им явления не могли не волновать Ландау. «Он заходил ко мне и к Пешкову по нескольку раз в день, - вспоминает Андроникашвили, - собирал Сведения об опытах со вторым звуком, которые вел Пешков, садился за мой стол и, анализируя уже накопленные экспериментальные данные, старался представить, как кривая пойдет дальше с понижением температуры».

Его присутствие, как рассказывают сотрудники, всегда вносило оживление, давало новый поворот мыслям, рождало неожиданные идеи. Всегда бывал и традиционный обмен репликами и шутками. Кто-нибудь обязательно не забывал спросить:

- Дау, а вы сумеете отличить молоток от паяльника?

Вскоре после завершения Пешковым всей серии своих работ Ландау в популярной лекции коротко изложил суть дела:

- В жидком гелии, в отличие от обыкновенной жидкости, могут распространяться два разных звука. Звук - это есть колебание плотности жидкости. 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 частей 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 II.

Распространение второго звука, - продолжал Ландау, - легко отличить от распространения обыкновенного звука, потому что его скорость не имеет ничего общего со скоростью обыкновенного звука: вместо 240 метров в секунду составляет 20 метров в секунду. Пешкову удалось обнаружить, что в гелии действительно распространяется особого вида звук. Он оказался 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, - заключил Ландау.

В действительности, однако, все обстояло несколько сложнее и интересней. Вот что писал Ландау уже в научной статье: «Скорость «второго звука» в гелии II была с большой точностью измерена В.Пешковым. Его результаты дают возможность произвести количественное сравнение развитой автором теории с экспериментом. Такое сравнение полностью подтверждает общую картину, даваемую теорией, но в то же самое время обнаруживает заметное несоответствие между вычисленной и наблюденной величинами скорости (например, при температуре 1,6° К вычисленная скорость равна 25 м/сек, а наблюденная - 19 м/сек). Хотя это несоответствие не очень велико, оно оказывается слишком большим, чтобы его можно было приписать неточности экспериментальных данных о термодинамических величинах гелия II.

При вычислении скорости второго звука использовались формулы для термодинамических величин, выведенные в предположении о том, что энергетический спектр жидкости состоит из двух ветвей – фононной и ротонной. Знак наблюдаемого расхождения указывает, в каком направлении следует изменить это предположение». Размышления Ландау привели его к выводу, что энергетический спектр гелия II не следует разделять на две ветви - фононную и ротонную; что между этими двумя типами квазичастиц должен существовать непрерывный переход - он произойдет, естественно, не в начале спектра, где энергия линейно зависит от импульса, а дальше, там, где линейная зависимость кончается, а сами импульсы будут больше, то есть из длинноволновых станут коротковолновыми.

«Для такого спектра, - писал Ландау, - разумеется, нельзя говорить о фононах и ротонах как о строго различных типах элементарных возбуждений. Было бы более корректным говорить просто о длинноволновых (малые ρ) и коротковолновых возбуждениях. Следует подчеркнуть, что все заключения, касающиеся сверхтекучести и всей макроскопической гидродинамики гелия II (речь идет о двухкомпонентной модели гелия, движении в нем, втором звуке и т. д.- А, Л.)... сохраняют свою справедливость также и в случае предлагаемого здесь спектра».

Отныне, после этой работы Ландау, построенный им энергетический спектр гелия II приобрел свою окончательную форму.

Однако, несмотря на непрерывность кривой спектра, и сам Ландау, и другие физики продолжали по-прежнему пользоваться названиями - фононы и ротоны. Потому что, во-первых, между этими двумя типами элементарных возбуждений весьма ощутимые различия; а во-вторых, характер возбуждений таков, что основная часть их соответствует минимумам энергии, то есть малым импульсам в начале координат (фононы) и большим - вблизи минимума кривой спектра (ротоны).

Здесь скажем немного о работах Л.Тиссы, который тоже занимался разгадкой природы сверхтекучести. Венгерский физик-теоретик Ласло Тисса некоторое время работал в Харькове у Ландау, потом вернулся в Венгрию, оттуда эмигрировал во Францию и наконец поселился в Соединенных Штатах.

«Я хотел бы воспользоваться случаем отметить несомненную заслугу Л.Тиссы, заключающуюся во введении им еще в 1938 г. идеи о макроскопическом описании гелия II с помощью разделения его плотности на две части и введения двух полей скоростей, что дало ему возможность предсказать существование двух видов звуковых волн в гелии II (подробная статья Тиссы была получена в СССР ввиду условий военного времени только в 1943 г.; короткая заметка осталась, к сожалению, в свое время не замеченной мной)».

Так писал Ландау, откликаясь на другую, опубликованную в 1947 году работу Тиссы, где тот строит свою теорию сверхтекучести и вступает в полемику с Ландау.

Мы не станем останавливаться на теории Тиссы. Потому что, хотя, как отметил Ландау, в качественном, притом макроскопическом, описании гелия II и содержалось некое рациональное зерно, основа его теории была неверной. Именно это обстоятельство привело к тому, что количественные предсказания теории Тиссы оказались в дальнейшем опровергнутыми экспериментом.

Спустя некоторое время Ландау совместно с Халатниковым построил теорию вязкости гелия II, по поводу которой он, как вспоминает Андроникашвили, весьма знаменательно пошутил:

- Вся теоретическая физика делится на две части: собственно теоретическую физику и теорию вязкости гелия II.

Эта фраза отнюдь не означала возвеличивания теории вязкости и умаления всей остальной теоретической физики. Она просто стала неким эмоциональным эпилогом к длинной-длинной (что необычно для Ландау) статье; а длинной статья получилась потому, что пришлось рассматривать не только проблему в целом, но и много частных случаев.

Да, каждый свой секрет жидкий гелий сохранял так настойчиво, что раскрытие его требовало огромных усилий. И секрет поведения вязкости тоже поддался далеко не сразу, было потрачено много труда, придумано множество изощренных подходов. Работа увенчалась успехом. И опять теория оказалась в согласии с экспериментом.

Итак, содружество теории и эксперимента, их взаимопомощь и взаимообогащение принесли отличные плоды. А последний этап - предсказание второго звука, экспериментальное открытие его и уточнение кривой энергетического спектра - стал примером подлинной обратной связи между двумя методами познания природы - теорией и опытом.

Конечно, массированному и успешному проникновению в тайны гелия II способствовал тот весьма редкий в истории науки факт, что вся работа была сделана в степах одного института. Физпроблемы стали домом, где сверхтекучесть сначала открыли, потом объяснили теоретически, потом найденные теорией закономерности подтвердили экспериментально.

И еще. Как Ландау повезло, что он стоял у истоков открытия Капицей сверхтекучести, так и экспериментаторам необычайно повезло, что рядом с ними работал Ландау. С его постоянным интересом не только к результатам, которые приносил опыт, но и ко всем тонкостям, деталям, неожиданностям опыта, за которыми Ландау, как никто другой, умел разглядеть нечто новое и при этом с подлинным талантом, как сказал один из учеников Ландау, находить общий язык с экспериментаторами, на любом этапе исследований по-деловому взаимодействовать с ними. Так было и с разгадкой природы сверхтекучести гелия.

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 двухкомпонентной 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 10^10°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».