Валерий Чолаков
Нобеловите награди (30) (Учени и открития (1901–1982))

Пътят към абсолютната нула

В края на 19 век опитите за втечняване на газове бяха много модерно занимание сред учените. В резултат на това бяха втечнени кислородът, водородът и хелият и възникна техниката за получаване на свръхниски температури. Експериментите при такива условия доведоха във физиката до откриването на явленията свръхфлуидност и свръхпроводимост, а в химията — до откриването на групата на инертните газове.

Първите научни изследвания върху свойствата на газовете датират от 17 век. Англичанинът Бойл и французинът Мариот откриха зависимостта между налягането и обема на газовете. В края на 18 век холандският учен Ван Марум, проверявайки експериментално закона, откри, че при налягане 7 атмосфери амонякът се втечнява. Малко преди това Лавоазие бе посочил значението на охлаждането. По тези две направления, чрез високо налягане и ниски температури, учените на 19 век се опитваха да втечняват газове.

През 60-те години на миналия век Томас Ендрюс от Кралския колеж в Белфаст проведе експерименти с цел да изясни влиянието на налягането и температурата върху състоянието на веществото и неговия преход от течност в газ. Той установи интересни закономерности, които бяха обобщени впоследствие от Йоханес Дидерих Ван дер Ваалс. В 1872 г. този холандски физик изведе уравнение за състоянието на реалния газ, което отчиташе обема на молекулите и силите на взаимодействие между тях. Тази работа беше важна както за физиката, така и за химията. Тя свърза въпроса за агрегатното състояние на веществото с атомистичните представи за неговата микроструктура.

В 1910 г. Нобеловият комитет по физика най-после се реши да награди един изследовател, направил откритията си отдавна, влизайки по този начин в конфликт със завещанието на Алфред Нобел. Във времето, когато се изследваше структурата на атома, Йоханес Ван дер Ваалс стана Нобелов лауреат, защото бе показал, че молекулите са реални тела.

В края на миналия век с изследвания върху газовете при свръхниски температури се занимаваше и известният английски физик Джон Уилиам Страт, лорд Рейли. Той искаше да провери хипотезата на Праут, че водородните атоми изграждат атомите на останалите елементи. Изследвайки теглото на атмосферните газове, Рейли установи, че азотът от атмосферата е по-тежък от азота, получен по химически път. Всъщност това бе известно още на Хенри Кавендиш, който бе провел съответните експерименти в 1785 г. Както още много работи на този затворен в себе си гений, това откритие бе останало неизвестно за научната общественост.

В 1892 г. Рейли публикува своите резултати, от които излизаше, че в атмосферата има неизвестна съставка. Две години по-късно той, заедно с химика Уилиам Рамзи, успя да идентифицира това вещество. Двамата показаха, че във въздуха се съдържа химически инертен газ, който е 1% от обема на въздушната смес. Тъй като този газ не влизаше в никакви химически реакции, той получи гръцкото название „аргон“ — инертен.

Химикът Рамзи веднага съобрази, че тук има работа с особен химически елемент, който се различава от останалите. От периодичната таблица на Менделеев следваше, че наред с хелия трябва да има цяла група инертни елементи, които да предадат завършен вид на тази химична класификация. Рамзи започна усилени изследвания и през 1895 г. изолира хелия. Дотогава този елемент бе известен само със своите спектрални линии в слънчевата светлина. След 3 години упорита работа бяха открити и останалите газове от тази група — криптон, ксенон и неон. Последният представител бе добавен от Рамзи в 1903 г. Това бе радиоактивният радон.

Тези големи успехи не убягнаха от вниманието на стокхолмските професори и в 1904 г. Уилиам Рамзи получи Нобеловата награда по химия за откриването на инертните газове и определянето на тяхното място в периодичната таблица. Едновременно с него Рейли получи наградата по физика за определянето на плътността на най-важните газове и за откриването на аргона.

Втечняването на газовете престана да бъде проблем, след като през 1895 г. Линде в Германия и Хемпсън в Англия създадоха мощна хладилна техника. В 1898 г. Дюар втечни водорода, а в 1908 г. Камерлинг-Онес получи течен хелий при 4,2 K и се доближи само на 1 градус от абсолютната нула. Трябваше да минат обаче почти три десетилетия, за да се открие най-забележителното свойство на течния хелий — неговата свръхфлуидност. Откривателят на това явление е големият съветски физик Пьотр Леонидович Капица.

Този талантлив ученик на известния физик Абрам Йоффе през 1921 г. замина на научна командировка в Англия. В Кембридж той постъпи на работа в знаменитата Кавендишка лаборатория, ръководена от Ръдърфорд. Там Капица бързо се прояви като талантлив експериментатор, съчетаваш в себе си учения с инженера. Той конструира апарати за получаване на силни магнитни полета и с тях проведе изследвания върху различни метали. След това реши да проучи свойствата на металите при ниски температури. Подхождайки към проблема в своя оригинален маниер, Капица създаде нови високоефективни хладилни машини, като вместо бутални компресори въведе далеч по-ефективните турбини.

Тези изследвания вече са свързани с работата на Пьотр Капица в Института за физически проблеми в Москва, който бе основан в 1935 г. В този институт през 1937 г., със своята мощна хладилна апаратура, съветският учен откри свръхтечливостта на хелия. Всъщност и преди него редица изследователи бяха наблюдавали странното поведение на този газ при температура около 2°K, но едва Капица описа в детайли явлението.

Свойствата на свръхфлуидния хелий получиха обяснение в 1940 г. от един близък сътрудник на Капица в Института за физически проблеми — Лев Давидович Ландау. Работите на Ландау поставиха началото на физиката на квантовите течности. В случая това е свръхфлуидният хелий II, който е компонент на обикновения течен хелий. При температура 2,19°K се наблюдава фазовият преход между двете състояния.

Хелий II е бил наблюдаван още в 1926 г. от Камерлинг-Онес. В 1936 г. в Лайден Кеезом откри, че той има извънредно висока топлопроводност. На следващата 1937 г. Капица забеляза, че хелий II има вискозитет милиони пъти по-малък от хелий I. Всъщност хелий II се състои от два компонента, които дори могат да се движат един спрямо друг и в зависимост от метода за измерване вискозитетът може да се определя за нормалната или свръхтечливата съставка. Няколко години преди Капица група изследователи от Торонто, изследвайки хелий II, измериха вискозитета само на нормалния компонент, докато Капица успя да открие свръхфлуидния.

Теорията за свръхфлуидността, разработена от Ландау, и представата за хелий II като квантова течност се оказаха много плодотворни за физическата теория. За това забележително достижение Лев Ландау стана Нобелов лауреат по физика през 1962 г. Неговата награда бе обявена малко след като той претърпя тежка автомобилна катастрофа. След нея той не можа да се върне към активна дейност.

Откривателят на свръхфлуидността Пьотр Капица получи през 1978 г. Нобеловата награда по физика съвместно с радиоастрономите Пензиас и Уилсън. Въпреки напредналата си възраст съветският учен енергично ръководеше колектив, занимаващ се с проблемите на термоядрения синтез, и изнесе в Стокхолм Нобелова лекция по този въпрос. Научните коментатори тогава отбелязаха, че не е изключено за този неуморен изследовател да последва и втора Нобелова награда.