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

Дальнейшая проверка предложенной нами теплопередачи в гелии-II в капилляре была произведена измерением его теплопроводности не в трубочке, а в свободном объеме. Таким путем мы мерили теплопроводность в условиях, когда исключалась возможность переноса тепла движением пленки. В этих опытах, например, бралась стеклянная трубка с нагревателем и термометром внутри. Она свободно подвешивалась в гелии-II на очень тонких проводниках. Пленки гелия-II от холодных частей к более теплым могли, очевидно, проползти только по этим проводникам, но так как эти проводники имеют очень малую поверхность, то только очень малая часть тепла могла быть перенесена движением пленки по их поверхности. Поэтому главная часть тепла должна была проходить через массу самого жидкого гелия. Меряя в этих опытах теплопроводность свободного гелия, как и следовало ожидать согласно нашей картине, мы получаем для нее нормальное значение, т. е. она оказывается не больше, чем у гелия-I, т. е. примерно в 100000 раз меньше, чем у меди[ 5 ]. На этом я позволю себе закончить описание наших опытов с жидким гелием.

Мне хочется еще раз оговорить, что я их описал очень схематично, рассказывая вам только о том, что могло проиллюстрировать ход развития нашей мысли. Но мне кажется, что даже из этого, весьма общего, описания можно вынести некоторую картину развития изучения этого интересного вопроса современной физики. Вы видели, как замеченное противоречие одновременного существования в жидком гелии большой теплопроводности и малой вязкости привело к опытам, которые обнаружили, что эта вязкость не только мала, но практически неощутима, и мы предположили, что гелий-II «сверхтекуч», а его теплопроводность — конвекционная. Такая картина опять завела в тупик, так как она все же недостаточна, чтобы объяснить большую теплопроводность гелия-II. Чтобы выйти из тупика, нужно было обнаружить движение гелия в капилляре. Рядом экспериментов, на описании которых я остановился более подробно, это удалось сделать. На основании полученной картины движения, чтобы объяснить большую теплопроводность гелия, мы выдвинули предположение о разности тепловых функций гелия в тонких слоях и в свободном состоянии. Гипотеза оказалась плодотворной, и на основании ее удалось предсказать, что теплопроводность гелия в свободном состоянии при отсутствии поверхностных явлений не обнаруживает аномалий.

Но я ввел бы вас в заблуждение, если бы вы заключили из всего сказанного, что проблемы жидкого гелия полностью решены и вопрос исчерпан. Дальнейший анализ вскрывает еще много противоречий и неясностей в этих проблемах, и впереди еще много интересной работы. Подробный разбор этих вопросов завел бы нас очень далеко, но я укажу хотя бы на некоторые из них.

Пограничные слои, играющие, как мы видели, такую важную роль в явлениях жидкого гелия-II, выдвигают ряд проблем для исследования. Например, далеко не ясен вопрос о механизме течения гелия в тонких пленках по поверхности и о возможных скоростях этого течения. Поверхностный слой жидкого гелия-II, участвующий в противотоке, казалось бы, следовало считать, по ряду общих теоретических соображений, очень тонким, но тогда оказывается, что скорости этого течения были бы очень велики: порядка 200 м/сек. Более подробный анализ показывает, что нет никаких физических законов, препятствующих принципиальному существованию таких больших скоростей в тонкой пленке, но в то же время признать их существование мы сможем только после того, как подтвердим наличие этой скорости экспериментально.

Неясен еще такой вопрос: есть ли «сверхтекучесть» только свойство гелия-II в его поверхностных слоях или это есть свойство всей массы гелия. Анализ экспериментальных данных не дает до сих пор однозначный ответ на этот вопрос, а, наоборот, ведет к ряду интересных противоречий, подлежащих опытному изучению.

Можно указать целый ряд еще не решенных вопросов.

Но уже сейчас интересно обсудить, какое возможное значение для развития современной теоретической физики могут иметь уже полученные данные. Как мы уже указывали, в сверхтекучести гелия-II мы имеем явление, чрезвычайно похожее на сверхпроводимость. В обоих случаях при температуре вблизи абсолютного нуля, где можно ждать проявления квантовой природы явлений, процесс течения как электричества, так и самой материи начинает происходить без потерь. Было бы неожиданно, если бы оба эти явления не определялись одной теорией, пока еще непонятной особой стороной квантовых процессов в конденсированном состоянии.

В сверхпроводимости мы имеем случай, когда носители электричества — электроны — могут без трения течь через кристаллическую решетку. В процессе сверхтекучести мы имеем атомы, которые могут организованно двигаться относительно друг друга тоже без трения. Теоретики ищут те квантовые соотношения, которые объясняют возможность такого движения без трения, и естественно думать, что им удастся более легко решить задачу, изучая взаимодействие электронов с атомами, образующими кристаллическую решетку металла.

На этом можно было бы и кончить изложение наших работ, если бы совсем неожиданно для меня не была предложена одна идея практического применения большой текучести жидкого гелия. Я хочу вам рассказать о ней не потому, что я уверен в ее практическом осуществлении, а только чтобы проиллюстрировать, что всякое обнаруженное в природе явление неизбежно открывает новые возможности, которые так или иначе всегда будут использованы в нашей жизни. Эти применения могут быть совсем неожиданными и относятся к областям, от которых сам исследователь очень далек и о которых он не осведомлен и не мог думать, когда вел свои работы. Смелая идея применения жидкого гелия была мне высказана проф. Л. Г. Лойцянским. Его идея пока очень далека от осуществления и может вызвать еще целый ряд возражений, но столь интересна, что о ней следует рассказать.

Дело касается испытания крыльев и фюзеляжа аэропланов на обтекаемость. Сейчас инженерам приходится пользоваться очень большими и дорогими аэродинамическими трубами, где аэропланы испытывают в натуральную величину. Как известно, нельзя применять уменьшенные модели аэропланов, ибо теория подобия, на которой основывается экспериментирование на моделях, здесь полностью не применима. При уменьшении масштабов в аэродинамических трубах требуется такое же уменьшение так называемой кинематической вязкости окружающей среды. Эта кинематическая вязкость есть частное от деления вязкости на плотность среды. Чтобы уменьшить ее, пытались поднимать давление воздуха в аэродинамических трубах, так как при этом плотность воздуха увеличивалась, вязкость оставалась неизменной, и, следовательно, кинематическая вязкость уменьшалась. Это оказалось очень дорого и сложно.

Интересно, что кинематическая вязкость почти для всех текучих сред оказывается больше или мало отличается от кинематической вязкости воздуха. Исключение одно — это жидкий гелий. Предложение проф. Л. Г. Лойцянского и сводится к тому, чтобы изучать аэродинамические свойства моделей самолетов в потоке жидкого гелия. Теоретически идея правильная, экспериментально смелая, и возможно, что ей принадлежит будущее. Во всяком случае до ее практического осуществления надо еще много поработать как над свойствами самого жидкого гелия, так и над техникой осуществления этого эксперимента.

В данный момент для нас интересна неожиданность этой возможности применения нового явления.

Я не сомневаюсь, что в дальнейшем их будет найдено еще много, столь же неожиданных и не менее многообещающих. Но не надо ждать, что их будет давать сам исследователь. Эти идеи должны быть и будут появляться как результат сотрудничества и интереса к взаимной работе людей с творческим воображением, работающих над развитием самых разнообразных отраслей нашей жизни. Поднять интерес к науке и сделать ее достоянием, более доступным для большего круга работников нашей страны, — необходимое условие для наиболее быстрого использования новых завоеваний науки. Наука для своего внедрения тоже требует пропаганды. У нас в стране с этой задачей лучше всего должна была бы справиться Академия наук.

КИСЛОРОД

Лекция, прочитанная в Центральной школе парторганизаторов ЦК ВКП(б) 25 мая 1944 г.

Я думаю, что вы оцените ту трудность, которая стояла передо мной при выборе темы моего доклада. Я знаю, что вас учат общественным наукам, экономике, истории. Но вас не учат технике и ее основе — физике. Вполне понятно, что вы даже подзабыли ту физику, которую учили в средней школе. Поэтому я выбрал для своей сегодняшней лекции не научную тему, а более общую — о кислороде, и предполагаю вам рассказать о том, как в лаборатории у ученых родилась одна интересная научная проблема и как постепенно из небольших лабораторных опытов она перешла в технику и промышленность и как, наконец, начала оказывать большое влияние на экономику всего народного хозяйства. На этом примере мне хотелось наглядно показать, как наука влияет на рост культуры страны.