Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления - Пётр Капица

Чтобы разрешить это противоречие, мы выдвинули предположение, что большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом, является только кажущейся. В самом деле, известно, что существуют два механизма теплопередачи. Один — это теплопередача от атома к атому, как мы описывали и какая наблюдается в твердом теле, а другой же механизм теплопередачи — это конвекция. Положим, вы будете держать руку над горячим источником, например радиатором, — вы сразу почувствуете тепло, так как поток нагретого воздуха будет переносить тепло к вашей руке. Такой перенос тепла вместе с движущимся потоком вещества и называется конвекцией. Если же руку поместить под радиатором, то никакого тепла не почувствуется, так как поток теплого воздуха идет кверху, а обычная теплопередача воздуха очень мала. В такой плохо-теплопроводной среде, как воздух, обычная теплопередача только и происходит благодаря конвекционному переносу. Так и у гелия с его большой текучестью естественно предположить, что будет легко происходить конвекционная теплопередача, и таким механизмом переноса тепла и могла бы объясняться большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом.

Подсчеты сразу же показали, что для того, чтобы объяснить большую теплопередачу конвекционными потоками, вязкость гелия-II должна быть значительно меньше той, которая была измерена учеными в Канаде.

Но тут надо отметить, что малая вязкость — величина, довольно трудно поддающаяся измерению. Теория показывает, что истинное значение вязкости может быть как бы затушевано присутствием в жидкости так называемого турбулентного движения, т. е. вместо того, чтобы иметь при измерениях спокойное течение, на самом деле на него накладываются движения от вихрей, которые, как можно показать, исказят результаты измерений, так что полученная величина может оказаться во много раз больше истинной.

Вопрос этот чисто экспериментальный, я не буду его подробно касаться, так как он требует довольно детального описания техники измерений [ 3 ]. Скажу только, что мы под этим углом зрения снова произвели измерения вязкости гелия. Нам удалось построить вискозиметр (прибор для измерения вязкости), который имел очень узкую щель, всего в полмикрона (тысячная доля миллиметра), через которую протекал гелий. Поставив опыт таким образом, можно было в значительной мере избежать вредного влияния вихрей, и тогда удалось показать, что наблюдаемая вязкость гелия-II была по крайней мере в тысячу раз меньше, чем ее определяли прежде.

Можно было также показать, что то значение для вязкости, которое мы получили, является только возможным верхним пределом: на самом деле истинное значение вязкости могло быть сколь угодно меньше, т. е. даже в нашей узкой щели мы не могли доказать, что полностью удалось исключить вредное влияние турбулентного движения. Эта работа была нами опубликована 3 года тому назад, и она вызвала целый ряд обсуждений и критику.

Первым делом начали искать возможные ошибки в методике этой работы. И тут поучительно рассказать об одном возражении, выдвинутом против нас.

Эта критика базировалась на другом, чрезвычайно любопытном свойстве гелия-II — ползти в пленках по стенкам сосуда. Если уровень гелия-II в пробирке, изображенной на рисунке, выше уровня окружающего гелия, то оказывается, что уровни довольно быстро выравниваются. Это явление изучено, и показано, что гелий легко переползает по поверхности в виде очень тонкой пленки. Наши опыты критиковали тем, что в своем вискозиметре я мерил не вытекание гелия из сосуда через щель, что на самом деле вытекание происходило путем переползания, а потому полученные мною данные для вязкости занижены. На самом деле при экспериментировании я учитывал возможность ошибки, вызванной этим явлением. Но интересно отметить, что эта критика, данная учеными в Америке и в Канаде, упустила из виду, что гелий может переползать в тонкой пленке, толщиной, по измерениям Кикоина и Лазарева, меньше сотой доли микрона, и только тогда, когда его вязкость в миллион раз меньше, чем тот предел, который был уже дан нами. Получалось так, что критика большой текучести гелия основывалась на явлении, для объяснения которого требовалась еще большая текучесть.

Мы предложили принять, что гелий-II — идеально текучая жидкость, и по аналогии со сверхпроводимостью назвали это свойство сверхтекучестью. Казалось бы, что теперь появилась возможность объяснить аномальную теплопередачу гелия-II его сверхтекучестью. Но когда экспериментальные данные были подвергнуты более тщательной количественной обработке, то появились новые затруднения, на которых я и хочу сейчас остановиться более подробно.

Вычисления показали, что для объяснения тех значений для теплопроводности, которые наблюдал Кеезом, скорость конвекции нужно было принять равной примерно 50 м/сек. Это уже большая скорость, и потому я хотел ее измерить более точно.

Для этого был поставлен ряд опытов, в которых была разработана методика более чувствительного измерения больших значений теплопроводности гелия-II, чем это делалось Кеезом. Нам удалось улучшить технику измерения разниц температур, доведя ее до измерения нескольких миллионных градуса. Описание этой техники отвлекло бы нас в сторону, поэтому я о ней говорить не буду.

Таким образом, нам удалось наблюдать теплопередачу, которая была по крайней мере еще в 20 раз больше, чем наблюденная Кеезом. Следовательно, конвекционная скорость, необходимая для объяснения этой теплопроводности, должна составлять уже не 50, а порядка 1000 м/сек. Очевидно, что существование таких скоростей в конвекционных потоках допустить нельзя. Немыслимо предположить, что гелий в капилляре двигается со скоростью, которая превышает скорость полета пули. Можно было показать, что отсутствуют источники энергии для таких мощных конвекционных потоков.

Полученные нами результаты, оказывается, вели к еще более фундаментальным затруднениям, чем это кажется на первый взгляд, если механизм теплопередачи путем конвекции отпадал. Если мы вспомним тот обычный механизм теплопроводности, который мы описывали раньше как передачу теплового движения от одних атомов к другим, можно показать, что и в этом случае мы наталкиваемся на основное противоречие.

Вернемся на время к этой картине теплопроводности. Положим, у нас имеется слой атомов, который внезапно нагрет, и атомы в нем колеблются более интенсивно, чем в соседних. Эти колебания будут передаваться от одного слоя к другому, и, таким образом, мы получим тепловую волну, распространяющуюся по телу от нагретого места. Показано, что распространение подобной тепловой волны не может быть скорее распространения в теле упругих колебаний, т. е. звука. Скорость звука в гелии-II изучена и найдена равной 230 м/сек, в то время как скорости, которые мы получили от тепловых измерений, как оказалось, в несколько раз превосходят ее, что противоречит условиям такого способа теплопередачи. НА поиски выхода из этих противоречий мы затратили около года.

Как же дальше искать механизм этой теплопередачи, не имея никакой руководящей идеи? Ведь наши результаты в основном противоречили всем известным теоретическим представлениям?

Тут пришлось идти ощупью, пробовать самые разнообразные физические факторы, под влиянием которых, может быть, будет меняться теплопроводность. Мы испробовали влияние на теплопередачу в гелии-II давления, силы тяжести, времени и т. д. Результаты получились отрицательные — теплопроводность не изменялась, оставаясь такой же большой.

Наконец, одно совершенно случайное наблюдение дало нам сразу новое направление в работе. Оказалось, что пульсации давления, совершенно случайно передаваемые из лабораторной сети гелиевого трубопровода на гелий в капилляре, сильно изменяли его теплопроводность. Хотя пульсации были очень малы, но они уменьшали теплопроводность гелия-II в десятки раз. Возникает вопрос — как эти небольшие пульсации давления могут так сильно влиять на теплопроводность гелия?

Наиболее естественное объяснение было следующее. Известно, что жидкий гелий-II — сравнительно легко сжимаемая жидкость — примерно в сто раз легче, чем вода. Благодаря этому свойству пульсации давления, сжимая жидкость, могли вызывать потоки гелия в капилляре, где изучалась его теплопроводность. Мы и предположили, что эти потоки влияют на теплопроводность. Чтобы проверить правильность этого объяснения, надо было поставить опыты, где измерялась теплопроводность гелия, когда он протекает через капилляр. Когда это было сделано, то оказалось, что действительно в гелии-II, текущем в капилляре, теплопроводность уменьшена в 100 и даже в 1000 раз. Эти эксперименты также обнаружили, что пока через гелий в капилляре течет тепло, то он легко протекает. Этим была установлена связь между потоками жидкого гелия и его способностью переносить тепло, и это явилось ключом к дальнейшим исследованиям.