СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ
Это свойство квантовых жидкостей — течь без трения. Впервые обнаружено в 1938 г. советским ученым П. Л. Капицей в жидком гелии. При температуре ниже 2,17 К вязкость гелия обращается в нуль, и он свободно протекает через очень узкие капилляры. Теоретическое объяснение явления сверхтекучести было дано в 1941 г. советским ученым Л. Д. Ландау. Атомы жидкого гелия образуют единую квантовую систему, энергию и импульс которой можно изменить только сразу на конечную величину, скачком. Поэтому до определенной скорости жидкий гелий течет без трения, не замечая препятствий, — обладает свойством сверхтекучести.
В жидком гелии много чудес. Он как бы состоит из двух жидкостей, которые могут течь независимо, никак не мешая друг другу. Одна жидкость сверхтекучая, она не имеет вязкости, вторая нормальная. Относительное содержание нормальной компоненты зависит от температуры: при абсолютном нуле весь гелий сверхтекучий, а при критической температуре 2,17 К остается одна нормальная жидкость. Через узкие капилляры течет только сверхтекучая компонента. А вот для того, чтобы потекла нормальная компонента, оказывается достаточно создать в гелии разность температур.
Предположим, что мы нагрели гелий в каком-то месте. Тогда там увеличится плотность нормальной компоненты. Поэтому сверхтекучая часть устремится в нагретое место, а нормальная — потечет в обратном направлении, чтобы выровнять концентрации и восстановить постоянство температуры. На этом основан очень красивый эксперимент. Капиллярная трубка, нижний конец которой расширен и содержит темный порошок, погружается в жидкий гелий. При облучении светом порошок нагревается, нормальная компонента гелия вытекает в ванну, а в обратном направлении устремляется сверхтекучий гелий, который бьет фонтаном (высотой до 30 см) из открытого конца трубки.
Благодаря сверхтекучести уровень гелия даже в несообщающихся сосудах всегда выравнивается. Это происходит потому, что поверхность сосуда покрывается очень тонкой пленкой гелия (толщиной примерно 100 атомных слоев), которая движется без вязкости. В результате если пробирку с гелием поднять над уровнем жидкости, то весь гелий из нее обязательно вытечет.
Сверхтекучесть является коллективным эффектом. Атомы гелия имеют целый (нулевой) спин и поэтому скапливаются в одинаковых состояниях. В результате квантовые свойства каждой частицы усиливаются.
В системах же, состоящих из частиц с полуцелым спином, например, электронов, нейтронов или протонов, действует принцип Паули, напротив, запрещающий частицам находиться в одинаковых состояниях. В таких системах обычно сверхтекучесть не наблюдается. Однако и в этом случае возможно объединение частиц в пары, которые обладают целым спином и переходят в сверхтекучее состояние. Так спаривание свободных электронов в металле приводит к переходу электронной жидкости в сверхтекучее состояние. В результате электрический ток может течь без потерь (см. Сверхпроводимость). Атомы изотопа гелия Не3 состоят из трех частиц (двух протонов и одного нейтрона), так что общий спин атома полуцелый. Поэтому в обычных условиях Не3 нормальная жидкость, и лишь при очень низких температурах, порядка тысячной доли градуса Кельвина, происходит спаривание атомов и переход в сверхтекучее состояние.
