В 1868 г. английский астроном Локьер наблюдал в Индии, вместе с другими астрономами, полное солнечное затмение. Занимаясь изучением солнечной атмосферы, он рассматривал ее в спектроскоп. Спектр, который он при этом видел, как и все спектры раскаленных газов, состоял из множества линий различных цветов.

Эти линии обязаны своим существованием различным химическим элементам, которые в газообразном состоянии находятся в атмосфере солнца.

Известно, что каждый элемент имеет свой, только ему одному принадлежащий спектр — определенный набор линий. Не может быть такого случая, чтобы два различных элемента имели бы одинаковые спектры. Поэтому по спектру можно безошибочно обнаруживать химические элементы. Присутствие малейших следов того или иного элемента в каком-нибудь веществе немедленно сказывается в том, что в спектре вещества появятся линии, принадлежащие этому элементу. Именно поэтому для изучения солнечной атмосферы, для выяснения ее состава первым делом обращаются к исследованию ее спектра. И вот, наблюдая такой спектр, Локьер (независимо от него и француз Жансан) совершенно неожиданно обнаружил, что рядом с хорошо известными двумя желтыми линиями, принадлежащими натрию, находится еще одна третья желтая линия.

Это было удивительно. Спектр натрия был изучен очень хорошо. Было известно, что в этом спектре желтых линий, несомненно, только две и никакой третьей не может появиться. С другой стороны, и ни у какого другого элемента не было известно такой линии. Оставалось только допустить, либо, что спектры на солнце отличаются от спектров на земле, либо же, что эта новая желтая линия не принадлежит ни одному из известных в то время элементов, что на солнце существует еще один неизвестный элемент, пары которого и порождают эту линию.

Первое объяснение было очень неправдоподобным. До сих пор все линии в спектре солнечной атмосферы удавалось отождествить с соответствующими линиями в спектрах известных элементов — они были в точности такими же, какие наблюдались в спектрах этих элементов на земле. Было бы странным, что вдруг одна какая-то желтая линия появляется только на солнце.

Поэтому Локьер, в конце концов, склонился ко второму объяснению происхождения этой удивительной линии — к тому, что действительно на солнце существует элемент, которого на земле никто не видел. Этот новый элемент, о котором только и было известно, что в его спектре находится желтая линия, лишь немного сдвинутая по отношению к линиям натрия, Локьер назвал гелием, от греческого слова „гелиос“ — что значит солнце.

Сразу же после открытия Локьера стали пытаться обнаружить гелий и на земле. Но все эти попытки не приводили к успеху. Казалось, что гелий существует только на солнце. Лишь в 1895 г. английский химик Рамзай, нагревая минерал уранит, наконец получил гелий. За несколько лет до Рамзая, еще в 1891 г., Хиллебрандт также заметил, что при нагревании этого минерала выделяется какой-то газ, которой он, однако, счел за азот, отметив, что со спектром этого азота дело обстоит не совсем в порядке, что в нем имеются какие-то странные линии.

Только после того, как Рамзай вновь получил этот газ, было показано, что спектр его содержит ту же самую желтую линию, которую Локьер увидел в спектре солнца и которой не было ни в одном из известных спектров.

Таким образом оказалось, что странный спектр, который получил Хиллебрандт, был странным вовсе не потому, что у него был необычный азот, а потому, что этот газ был совсем не азотом, а тем самым солнечным газом, который уже отчаивались найти.

Так, через 27 лет после того, как он был открыт на солнце, гелий был обнаружен и на земле.

И тогда-то оказалось, что он вовсе не так уже редок, как думали раньше. Атмосфера, которая нас окружает, содержит гелий, правда, в весьма скудных количествах. В 1000 кубических метрах воздуха находится только 5 м³ гелия. Гелий содержится также во многих минералах, он входит в состав многих газовых источников. Вероятно, на земле его имеется не меньше, чем на солнце.

Чем же оказался гелий?

Это — газ без цвета и запаха, похожий на воздух, но только значительно легче его. Из всех газов только водород обладает еще меньшим удельным весом. Гелий по своим химическим свойствам принадлежит к числу так называемых благородных (или инертных) газов. Это название они получили потому, что они не вступают в реакцию ни с какими другими элементами. К числу таких газов, кроме гелия, принадлежат еще, например, неон и аргон — газы, которыми наполняют светящиеся красные и синие трубки реклам.

Одним из следствий инертности гелия является то, что он не соединяется с кислородом, т. е. не горит. А это в сочетании с легкостью гелия делает его весьма удобным для наполнения дирижаблей. Такие дирижабли совершенно безопасны в отношении взрыва, который представляет весьма реальную опасность в случае дирижаблей, наполненных водородом.

Правда, гелий все же в 2 раза тяжелее водорода, а потому подъемная сила дирижабля, наполненного гелием, меньше, чем подъемная сила дирижабля, который наполнен водородом. Однако нетрудно видеть, что разница здесь совсем уж не такая значительная. Так как 1 м³ воздуха весит 1,29 кг, а 1 м³ водорода 0,09 кг, то подъемная сила этого количества водорода равна 1,29 кг — 0,09 кг = 1,2 кг. В то же время вес 1 м³ гелия равен 0,18 кг и его подъемная сила 1,29 кг — 0,18 кг = 1,1  кг, т. е. всего на 8% меньше, чем подъемная сила водорода. Если еще к этому прибавить, что водород значительно быстрее просачивается через оболочку дирижабля, чем гелий, а потому водород надо добавлять чаще, чем гелий, то станет ясно, почему даже при большой стоимости гелия наполнение им дирижаблей вместо водорода является выгодным.

Но для того, чтобы наполнять дирижабли, гелий надо иметь в весьма значительных количествах.

Добывать его в таких количествах из воздуха — задача для современной техники совершенно безнадежная. В несколько больших количествах гелий может быть добыт из некоторых минералов, но и эти количества весьма невелики. Основным способом получения гелия является добыча его из газовых источников, в которых он содержится. Таких источников особенно много в США. Есть они и в СССР. В США производство гелия достигло столь больших масштабов, что сейчас себестоимость 5 м³ метров гелия составляет всего 1 доллар.

В первые годы, последовавшие за открытием гелия, никто не обнаруживал у него каких-либо особенностей, которыми бы он сильно отличался от других газов. Однако дальнейшие исследования обнаружили у гелия множество удивительных свойств, которые надолго поставили его в центре внимания физиков.

Все дело началось с попыток получить гелий в жидком виде.

Известно, что конец прошлого века был отмечен в физике тем, что один за другим были получены в жидком виде различные газы, которые до этого не могли быть ожижены и даже получили, поэтому, особое название „постоянных газов“, ибо считалось, что они по самой своей природе газы и не могут быть обращены в жидкость. В 1877 г. Коллет и Пикте получили впервые жидкий кислород. В 1883 г. был получен Вроблевским и Ольшевским жидкий азот, а в 1888 г. Дьюаром получен и жидкий водород.

Только гелий еще долгое время не поддавался ожижению. Лишь в 1908 г. голландский физик Каммерлинг-Оннес получил, наконец, и жидкий гелий. Для этого ему пришлось понизить температуру, примерно, до 4 абсолютных градусов.

При температуре жидкого гелия все остальные газы не только ожижались, но даже замерзали, ибо даже водород замерзает при 14° абсолютных *.

(* Абсолютный градус — температура, отсчитываемая от абсолютного нуля (— 273°С). Величина абсолютного градуса равна градусу Цельсия. Подробно об этом читатель может прочесть в статье Л. Ландау.)

Жидкий гелий есть самая холодная жидкость, которая может только существовать в природе. Известно, что получение холода связано почти всегда с явлением охлаждения сжатых газов при их расширении. Так как гелий превращается в жидкость при самой низкой температуре, дольше всех газов оставаясь в газообразном состоянии, то расширение гелия можно производить при самых низких температурах, значительно более низких, чем те температуры, при которых еще можно работать с другими газами. Поэтому, с помощью гелия могут быть получены наиболее низкие температуры.

Гелию обязана существованием одна из самых увлекательных областей физики — физика низких температур. Почти все исследования вблизи абсолютного нуля производятся в жидком гелии и сейчас с его помощью получают температуры всего на 0,7°, отличающиеся от абсолютного нуля.

Гелий не только дал возможность вести исследования при низких температурах и открыть в этой области замечательные явления, но и сам он при низких температурах обнаружил чрезвычайно загадочные и интересные свойства. Поэтому гелий занял в этой области физики значительное место не только как источник холода, но и как один из основных объектов исследования.

Получив жидкий гелий, Каммерлинг-Оннес сделал попытку, еще больше понизив температуру, получить твердый гелий. Но сколько он ни понижал температуру, гелий не замерзал. Лишь тогда, когда он стал охлаждать гелий под давлением около 25 атм., ему удалось получить гелий в твердом виде. Как только давление уменьшалось, гелий сейчас же возвращался в жидкое состояние. Без применения давления никаким охлаждением нельзя было заставить гелий замерзнуть, он остается жидким вплоть до самого абсолютного нуля. Это — единственная, существующая в природе, жидкость, которая может существовать не замерзая, при сколь угодно низких температурах. Атомы гелия ни при каких температурах не выстраиваются в стройную кристаллическую решетку твердого тела, как это делают атомы всех других элементов, а продолжают беспорядочное движение даже при абсолютном нуле.

Такое странное поведение гелия, естественно, привело к мысли, что свойства жидкого гелия при таких низких температурах могут оказаться существенно отличными от свойств других жидкостей.

Так оно и оказалось.

 Уже в 1911 г. Камерлинг-Оннес обнаружил на первый взгляд мало чем замечательный факт. Измеряя плотность гелия при различных температурах, он заметил, что кривая зависимости плотности гелия от температуры в одном месте, при вполне определенной температуре, имеет излом (рис. 1).

Так как во всех известных случаях плотность жидкостей изменяется плавно, то существование излома такой кривой у жидкого гелия заставило заподозрить, что при этой температуре с гелием происходит что-то существенное.

Аналогичные странности были обнаружены и при других опытах.

Измеряя теплоемкость жидкого гелия, т. е. количество тепла, которое нужно сообщить гелию, чтобы его температура повысилась на 1°, физики обнаружили, что эта теплоемкость при температуре, соответствующей излому кривой плотности, также меняется скачком.

Кривая изменения теплоемкости гелия с температурой имеет вид, изображенный на рис. 2. Эта кривая отдаленно напоминает греческую букву „лямбда“ λ, а потому и температура, при которой теплоемкость гелия изменяется скачком (а кривая плотности имеет излом), получила название лямбда-точки. Эта температура равна приблизительно 2° абс.

Существование такой лямбда-точки, вообще говоря, еще не было чем-то особенным. Сам по себе этот факт и не заслуживал бы, по крайней мере со стороны читателя не-физика, такого большого внимания, если бы в дальнейшем не оказалось, что в лямбда-точке с гелием происходит удивительное превращение.

При температуре выше лямбда-точки жидкий гелий похож на все остальные жидкости и ничем особенным не замечателен. Его обычно называют гелием I, в отличие от гелия II — жидкого гелия при более низких температурах. Этот-то гелий II обычно и имеют в виду, когда говорят о замечательных свойствах гелия.

На такие свойства впервые натолкнулся в 1935 г. голландский физик Кеесом, работавший в лаборатории, которую в свое время основал Каммерлинг-Оннес.

Кеесом измерял теплопроводность гелия, его способность проводить тепло. Известно, что, вообще говоря, жидкости очень плохо проводят тепло. Если положить на дно пробирки с водой кусок льда и нагревать верх пробирки на огне, то легко можно довести воздух в верхней части пробирки до кипения, в то время как на дне ее будет лежать нерастаявший лед.

Металлы, наоборот, проводят тепло очень хорошо, причем лучшими проводниками тепла являются медь и серебро. (Вспомните, как быстро нагревается серебряная ложечка, опущенная в стакан горячего чая.)

Когда в приборе у Кеесома температура была выше лямбда-точки и в нем находился гелий I, то температура выравнивалась очень медленно, как и следовало ожидать, ибо тепло передавалось через жидкость. Но когда температура опускалась и гелий I превращался в гелий II, то выравнивание температуры происходило мгновенно. Оказалось, что гелий II почти в 3 миллиона раз лучше проводит тепло, чем гелий I. Такой чудовищной теплопроводностью не обладают даже металлы. Медь при комнатной температуре проводит тепло почти в 200 раз хуже, чем гелий II. Гелий II оказался не только самой теплопроводной жидкостью, но во много раз более теплопроводным, чем все существующие в природе тела.

Дальнейшие открытия, связанные с гелием II, были не менее странными. Мы хорошо себе представляем, что если поставить стакан с водой на стол, то вода из него не выльется, если только стакан целый и если он не опрокинется. Это кажется столь очевидным, что иного мы себе и не можем представить.

Но если бы в стакан был налит гелий II, то эти наши ожидания оказались бы обманутыми. Гелий тонким, невидимым для глаза слоем (толщина которого менее десятитысячной доли миллиметра), потечет по стенкам и через верх выльется из стакана (рис. 3).

Если в сосуд с гелием опустить пробирку, также наполненную гелием, так, чтобы уровень гелия в пробирке был ниже уровня его в сосуде, то гелий, опять-таки, через верх потечет в пробирку и будет течь до тех пор, пока уровни не сравняются. То же происходит в том случае, когда уровень в пробирке вначале был выше уровня в сосуде (рис. 4). Удивительные вещи произойдут с гелием и з том случае, если гелий в пробирке мы несколько нагреем с помощью спиральки, по которой идет ток (рис. 5). В этом случае гелий в пробирке установится на более высоком уровне, чем в сосуде.

На этом свойстве гелия основан очень красивый опыт. Если слегка нагревать нижнюю часть трубочки, опущенной в гелий (рис. 6), то гелий потечет в эту трубочку с такой силой, что из ее верхнего конца начинает бить фонтан в несколько сантиметров высотой.

Но наиболее замечательное свойство гелия, которое послужило ключом к пониманию всех его аномалий, было открыто в 1838 г. советским физиком Капицей, исследовавшим вязкость жидкого гелия.

Если наблюдать, как быстро вытекает через небольшое отверстие жидкость, налитая в какой-нибудь сосуд, то мы легко заметим, что вода выливается значительно быстрее, чем глицерин или мед. Мы говорим, что мед более вязок, чем вода. Легко себе представить, что двигаться в меде было бы значительно труднее, чем в воде. Вспомните, насколько труднее размешивать ложкой мед, чем чай. Это свойство жидкостей задерживать, тормозить движущееся в ней тело и препятствовать движению ее самой и называют вязкостью жидкости.

Вязкость жидкого гелия измеряли и до Капицы, но эти измерения производились по сопротивлению, которое оказывает жидкий гелий движущемуся в нем телу. При этом ничего странного не было обнаружено. Вязкость гелия II была лишь немного меньше вязкости гелия I.

Капица же измерял вязкость гелия, наблюдая скорость вытекания гелия из пробирки через узкую щель. Казалось бы, что эти измерения должны были дать для вязкости гелия то же значение, которое получалось раньше из измерений сопротивления.

Во всех известных случаях так всегда и было. Вязкость, измеренная обоими способами, всегда оказывалась одной и той же. Так было во всех случаях, кроме опыта Капицы.

Когда в пробирке у Капицы находился гелий I, вытекание происходило крайне медленно, так как щель была очень узка. Но как только температура понижалась и в пробирке оказывался гелий II, вытекание происходило практически мгновенно.

Вязкость гелия II, исследуемая таким способом, вопреки прежним измерениям, оказалась столь ничтожной, что ее вовсе не удавалось измерить. Можно было только сказать, что она по крайней мере в миллиард раз меньше вязкости воды при комнатной температуре. Для сравнения заметим, что вязкость воды „всего" в 400 раз меньше вязкости глицерина.

Такая малая вязкость гелия послужила причиной того, что гелий II получил название сверхтекучей жидкости.

Открытие сверхтекучести гелия позволяет объяснить явления перетекания гелия через верх пробирки. Всякая жидкость, которая смачивает стекло, поднимается и течет по стенкам сосуда тонким, невидимым для глаза, слоем. Однако, если в стакан налита вода, то такое течение будет происходить крайне медленно из-за ее вязкости. Стакан, налитый до половины, опустошился бы столь медленно, что это и вовсе не было бы заметно.

Другое дело гелий II. Благодаря отсутствию у него вязкости, ему ничто не препятствует течь по стенкам, и он, покрыв стенки пробирки тонким слоем с обеих сторон, выливается наружу по этому собственному слою, как по сифону.

Но, объяснив одно явление, опыты Капицы запутывали, казалось, дело в другом отношении. Их результат был противоположен старым измерениям вязкости, в правильности которых не приходилось однако же сомневаться.

С другой стороны, нельзя было сомневаться и в правильности результатов Капицы.

Объяснение всем этим противоречиям удалось найти другому советскому физику — Ландау. Данная им теория основывается на так называемой квантовой механике — одной из наиболее замечательных, но и наиболее сложных для понимания, теорий современной физики.

Было бы, конечно, бесполезно в рамках этой статьи излагать теорию Ландау. Мы только набросаем ту своеобразную картину, которая вырисовывается на основании этой теории.

Когда мы наблюдаем течение в обычной жидкости, то мы можем утверждать, что вместе с потоком жидкости переносится и тепло. Если, например, мы наливаем из кипящего самовара чай, то мы знаем, что температура текущей воды такая же, как в самом самоваре, если только вода не успевает остынуть по дороге. Вместе с водой из самовара уносится определенная порция „связанного" с ней тепла. Это настолько очевидно, что об этом кажется даже излишним напоминать.

Но как ни очевидно такое утверждение, оно в случае гелия II неверно. В гелии II, оказывается, может существовать такое движение, которое не связано с переносом тепла.

Если бы в самовар можно было налить гелий II, то вытекающий гелий отнюдь не имел бы температуры гелия в самоваре, а практически вовсе не содержал бы тепла. Для этого только необходимо, чтобы кран был достаточно узок — вроде щели в опытах Капицы.

Это совершенно своеобразное течение в гелии II не только не переносит тепла, но и не испытывает сопротивления своему движению. Наряду с таким движением в гелии может существовать одновременно и обычное „теплое" движение, несущее с собой тепло и вязкое по своей природе. Своеобразие картины, которую дает теория, и заключается в том, что в гелии II одновременно происходят оба вида движения, в то время как в других жидкостях существует только обычное — вязкое — движение.

Такая картина позволяет объяснить все свойства гелия.

Прежде всего перестали казаться непримиримыми результаты различных способов измерения вязкости гелия. При вытекании гелия через узкую щель происходит только сверхтекучее движение, ибо второе, обычное, не может происходить, так как оно тормозится стенками этой узкой щели. Именно поэтому в опытах Капицы гелий целиком оказывался сверхтекучим. Иначе обстоит дело, когда в гелии II движется какое-нибудь тело. Тогда вокруг этого тела в гелии возникают оба вида движения как обычное, так и сверхтекучее. Так как возникает и обычное движение, то тело обязательно будет испытывать сопротивление, ибо только сверхтекучий поток не давит на тело.

Становится также понятным, почему гелий так хорошо проводит тепло. Если в гелии в каком-нибудь месте создается более высокая температура, то при этом возникают оба вида потоков. Сверхтекучий поток, не несущий с собой тепла, направляется в сторону источника тепла, а „теплый" поток устремляется в обратную сторону от нагретой жидкости к более холодной. Таким образом от нагретой части течет жидкость с теплом, а в обратную сторону тепло не переносится, хотя поток жидкости и существует. В результате тепло как бы течет от нагретой части к холодной и потому температура и выравнивается крайне быстро. Такие потоки действительно можно видеть на таком красивом опыте, сделанном Капицей (рис. 7). Если нагревать гелий внутри маленькой колбочки, опущенной в сосуд также с гелием, то маленькое крылышко, находящееся перед ней, тотчас же отклонится от кончика колбочки. Отклонение это объясняется тем, что, как мы говорили, из нагретого гелия внутри колбочки возникает „теплое" течение в сосуд, которое и отклоняет крылышко. Сверхтекучее течение, которое направляется внутрь колбочки, как мы говорили, не оказывает сопротивления помещенным в него телам, а потому и не действует на крылышко. Такие потоки возникают только в гелии II. Если бы мы имели дело с обычной жидкостью, а не с гелием II, то с крылышком, очевидно, ничего бы не произошло *.

(* Интересно отметить, что американский журнал прикладной физики в своем традиционном ежегодном обзоре отмечает работы Капицы и Ландау, как одни из наиболее выдающихся физических открытий, сделанных в 1941 г.)

В заключение вернемся к нашему самовару. Мы говорили, что вытекающий из него гелий вовсе не несет с собой тепла. С обычным самоваром мы, конечно, не можем произвести опыта, но в несколько измененном виде такое явление можно не только наблюдать, но как раз на этом принципе открывается совершенно новая возможность получения весьма низких температур.

Надо только проталкивать гелий II через маленькое отверстие. Тогда выходящий гелий почти не уносит с собой тепла. Температура остающегося гелия при этом повышается, так как то же количество тепла распределяется теперь между меньшим количеством гелия, а температура выходящего гелия может быть сделана, по крайней мере принципиально, как угодно малой.

Такие опыты начал проводить в 1940 г. Капица, и результаты их были обнадеживающими. Разразившаяся война на время прекратила дальнейшие работы в этой увлекательной области, но только на время. Не далек день, когда прерванные исследования возобновятся, и мы узнаем о новых открытиях и достижениях в физике и, в частности, в этой области, где советские ученые достигли столь прекрасных результатов — мы говорим о физике вблизи абсолютного нуля.