Ледяное «дитя» Солнца. Исследования Льва Ландау

«За пионерские исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия», - говорилось в наградном обосновании Нобелевской премии по физике, которая в 1962 году была присуждена советскому ученому Льву Ландау.

Из школьного курса химии все знают, что гелий – это инертный газ. Впервые о нем заговорили еще в XIX веке. 18 августа 1868 года французский ученый Пьер Жансен, наблюдая за Солнцем, обратил внимание на ярко-желтую линию в спектре звезды, которая не принадлежала ни одному из ранее известных химических элементов.

Только через 27 лет после первоначального открытия гелий обнаружили и на Земле: ту же ярко-желтую линию, найденную ранее в солнечном спектре, ученые заметили при разложении минерала клевеита.

Гелий занимает второе место по распространенности во Вселенной, на первом – водород. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого взрыва. Сейчас он тоже рождается - в результате термоядерного синтеза в недрах звезд. Каждую секунду на Солнце 4 миллиона тонн водорода превращаются в гелий. Однако на Земле этот элемент редок. Но он встречается в земных недрах в составе природного газа и в воздухе, которым мы дышим.

Чем больше изучался гелий, тем активней его использовали в самых разных сферах: от металлургии до развлечений. Инертный газ нужен как для продления срока годности при упаковке пищевых продуктов, так и для охлаждения атомных реакторов. На металлургических заводах гелий необходим при сварке, литье и резке цветных металлов. Сравнительно недавно в рамках импортозамещения на Воронежском механическом заводе начали производить шар-баллоны с гелием для работы пневматических систем жидкостных ракетных двигателей. В электронной индустрии элемент входит в состав наполнения жидкокристаллических панелей, оптоволоконных кабелей и полупроводников. Все это говорит о ценности гелия и его необходимости в промышленных процессах.

Любое вещество может иметь три состояния: жидкое, твердое и газообразное. И гелий – не исключение.

В 1938 году советский физик Петр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течет практически без трения.

«У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим … в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода», - говорил ученый.

За год до этого на должность заведующего теоретическим отделом Института физических проблем (ИФП) Петр Капица пригласил Льва Ландау.

Лев Давидович Ландау происходил из еврейской семьи. Он родился 22 января 1908 года в Баку, был сыном инженера-нефтяника. Невероятно одаренный Ландау в 14 лет поступил в Бакинский университет, одновременно на два факультета: физико-математический и химический, но вскоре оставил химию, избрав своей основной специальностью физику. В 1924 году вундеркинда перевели в Ленинградский университет. Через несколько лет молодой ученый по направлению Наркомпроса отправился в научную командировку для продолжения образования в Германии, Дании, Англии и Швейцарии. Вернувшись, Ландау возглавил теоретический отдел Физико-технического института в Харькове (тогда столице УССР) и одновременно заведовал кафедрой теоретической физики на физико-механическом факультете Харьковского механико-машиностроительного института. И вот – Москва…

28 апреля 1938 года Лев Ландау был арестован по обвинению в антисоветской деятельности. Капица немедленно начал кампанию за его освобождение. Сначала он написал письмо Сталину, однако никакой реакции не последовало. Далее - Молотову и Берии. Капица объяснял, что Ландау занимался важными проблемами и незаменим.

В итоге Петр Леонидович был приглашен в НКВД. На столе лежали пять больших томов «дела Ландау». Понимая, что гарантии на успех практически нет Капица задал чекистам вопрос, поставивший их в тупик: «Какие могли быть мотивы у еврея Ландау стать немецким шпионом?». Через два дня Ландау был освобожден под личное поручительство Капицы.

На фото: Лев Ландау и Петр Капица

В чем же был незаменим Лев Ландау? Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, сверхпроводимость и сверхтекучесть, физика космических лучей, астрофизика, гидродинамика, квантовая электродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и физика элементарных частиц, теория химических реакций, физика плазмы - это далеко не полный перечень областей, в которые Лев Ландау внес фундаментальный вклад. Академик по праву считается легендарной фигурой в истории советской и мировой науки. Но лауреатом Нобелевской премии по физике в 1962 году он стал именно за работу с гелием. В своих трудах «Теория сверхтекучести гелия-II» (1941), «К гидродинамике гелия II (1944), «Теория вязкости гелия II» (1949) и др. ученый смог объяснить сверхтекучие свойства квантовой жидкости при низких температурах.

Согласно представлениям классической физики, при температурах, близких к абсолютному нулю, движение атомов должно останавливаться и вещество кристаллизироваться. Однако с гелием этого не происходило. При нормальном давлении он не только оставался жидким, но и обретал способность просачиваться в мельчайшие трещины.

Идея Льва Ландау заключалась в том, что большую квантовую систему, в которой частицы сильно взаимодействуют, можно описать при помощи почти не взаимодействующих квазичастиц. По мнению ученого, жидкий гелий можно рассматривать как совокупность двух частей.

«Производится квантование произвольной системы взаимодействующих частиц (жидкости) с помощью введения операторов плотности и скорости жидкости; выводятся условия коммутации между этими операторами. На основании результатов этого квантования определяется общий характер распределения энергетических уровней в спектре квантовой жидкости; исследуется характер температурной зависимости теплоемкости гелия II. Оказывается, что при температуре абсолютного нуля квантовая жидкость может обладать свойством сверхтекучести. При температурах, отличных от абсолютного нуля, в гелии II оказывается возможным одновременное существование двух движений - сверхтекучего и нормального, что может быть описано посредством введения понятий о сверхтекучей и нормальной «частях» жидкости. Выведена система гидродинамических уравнений, описывающих макроскопическое движение гелия II. С помощью этих уравнений исследовано распространение звука и показано, что в гелии II должны существовать две скорости звука. В заключении обсуждается проблема Сверхпроводимости». (Теория сверхтекучести гелия-II)

Удивительным образом эта работа 1941 года и ее дальнейшие уточнения объясняют большую часть физики металлов, полупроводников и сверхпроводников. Все дальнейшее, сделанное бесчисленным множеством других людей, было так или иначе развитием идеи Ландау. Попытки создать альтернативную теорию продолжатся по сей день. Недаром же про Ландау говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».

Увы, на церемонию вручения Нобелевской премии ученый поехать не смог. 7 января 1962 года он попал в автомобильную аварию и получил многочисленные переломы. В течение 59 суток Ландау пребывал в состоянии комы. Медикам удалось спасти жизнь, но для науки гений был потерян. Лев Давидович умер 1 апреля 1968 года.

***

Использование гелия в современной науке демонстрирует его ключевое значение для прорывных открытий и передовых исследований. Это неоценимый инструмент в криотехнологиях. Жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих материалов до состояния, где их электрическое сопротивление стремится к нулю. Также, гелий необходим в современных методах микроскопии, с его помощью ученые получают возможность видеть более четкие изображения материалов и биологических образцов, что играет ключевую роль в области создания лекарств и химическом анализе.

Проект «Нобелевские лауреаты» выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.