к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  электротехника и электроника  электрические цепи  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Явление сверхтекучести

1. Идеальная жидкость 
2. Открытие сверхтекучести 
3. Двухкомпонентная модель сверхтекучести 
4. Сверхтекучий 4Не 
5. Фонтанный эффект 
6. Квантовые эффекты 
7. Фазовые переходы в сверхтекучей жидкости 
8. Сверхтекучий 3Не 
9. Сверхтекучесть в иных системах 
10. Высокотемпературная сверхтекучесть

В теоретической физике уже несколько столетий известно понятие идеальной жидкости. Его исследовали такие классики физики, как Даниил Бернулли, Пуассон, Леонард Эйлер.

Идеальная жидкость
Идеальная жидкость  - в гидродинамике воображаемая несжимаемая жидкость, в которой отсутствуют вязкость и теплопроводность. Так как в ней отсутствует внутреннее трение, то нет касательных напряжений между двумя соседними слоями жидкости. 
Таким образом, идеальная жидкость – это сверхтекучая жидкость. Тела, двигающиеся в такой жидкости не испытывают трения, а посему полностью подчиняются простейшему случаю закона Галилея об инерции: их движение прямолинейно и имеет постоянную скорость. Если тело вращается, то его вращение в идеальной жидкости вечно и имеет одну и ту же угловую скорость.

Моделью идеальной жидкости пользуются при теоретическом рассмотрении задач, в которых вязкость не является определяющим фактором и ею можно пренебречь. В частности, такая идеализация допустима во многих случаях течения, рассматриваемых гидроаэромеханикой, и даёт хорошее описание реальных течений жидкостей и газов на достаточном удалении от омываемых твёрдых поверхностей и поверхностей раздела с неподвижной средой. Математическое описание течений идеальных жидкостей позволяет найти теоретическое решение ряда задач о движении жидкостей и газов в каналах различной формы, при истечении струй и при обтекании тел.

Уже в XVIII веке Леонард Эйлер понял, что эфир является идеальной, сверхтекучей жидкостью и использовал это в своих теоретических построениях.

До XX века физикам не было известно о существовании идеальных, то есть жидкостей, имеющих свойство сверхтекучести среди обычных веществ.

Открытие сверхтекучести
В 1938 году П. Л. Капицей была экспериментально открыта сверхтекучесть жидкого гелия-II ниже лямбда-точки (T = 2,172°К). Уже до этого было известно, что при прохождении этой точки жидкий гелий испытывает фазовый переход, переходя из полностью “нормального” состояния (называемого гелий-I) в новое состояние так называемого гелия-II, однако только Капица показал, что гелий-II течёт вообще (в пределах экспериментальных погрешностей) без трения.

На сегодняшний день установлено, что коэффициент вязкости у гелия-II меньше 10^-12 Па·с, в то время как у гелия-I вблизи температуры 4,22°К этот коэффициент имеет величину порядка 10^-6 Па·с.

Таким образом,

сверхтекучесть  - это свойство вещества полностью терять свою вязкость, возникающее в известных веществах при температурах близких к абсолютному нулю, и, как следствие, их способность протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии. 
Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

Двухкомпонентная модель сверхтекучести
Ниже 2,17°К жидкий гелий представляет собой смесь двух жидкостей: нормальной и сверхтекучей.

Сверхтекучая компонента движется без трения, обладает нулевой температурой и не участвует в переносе энергии в форме теплоты. Нормальная компонента представляет собой газ квазичастиц двух типов: фононов и ротонов, то есть элементарных возбуждений квантовокоррелированной жидкости; она движется с трением и участвует в переносе энергии.

Нормальная жидкость имеет свойства обычной вязкой жидкости. Сверхтекучая же компонента имеет нулевую вязкость, а также нулевую энтропию и энтальпию. Чуть ниже температуры перехода 2,17°К большую часть жидкости составляет нормальная компонента, а сверхтекучая – только малую часть. При дальнейшем охлаждении жидкости сверхтекучей фракции становится все больше, и ниже 1°К жидкость почти полностью оказывается сверхтекучей. На основе такой модели предсказан новый тип звуковых волн (второй звук), которые могут распространяться в сверхтекучей жидкости. Второй звук – это волна температуры, которая регистрируется при помощи термометра (обычные звуковые волны – это волны давления, которые детектируются микрофоном). Экспериментальное наблюдение второго звука (Москва, 1944) подтвердило многие аспекты двухжидкостной модели.

При температуре 0°К в гелии отсутствует свободная энергия, которую можно было бы потратить на рождение квазичастиц, и поэтому гелий находится полностью в сверхтекучем состоянии. При повышении температуры плотность газа квазичастиц (прежде всего, фононов) растёт, и доля сверхтекучей компоненты падает. Вблизи температуры лямбда-точки концентрация квазичастиц становится столь велика, что они образуют уже не газ, а жидкость квазичастиц, и наконец при превышении температуры лямбда-точки макроскопическая квантовая когерентность теряется, и сверхтекучая компонента пропадает вовсе. Относительная доля нормальной компоненты показана на Рис.1.

Рис.1. Относительная доля нормальной компоненты ^3He

При протекании гелия сквозь щели с малой скоростью, сверхтекучая компонента, по определению, обтекает все препятствия без потери кинетической энергии, то есть без трения. Трение могло бы возникнуть, если бы какой-либо выступ щели порождал бы квазичастицы, уносящие в разные стороны импульс жидкости. Однако такое явление при малых скоростях течения энергетически невыгодно, и только при превышении критической скорости течения начинают генерироваться ротоны.

Эта модель хорошо объясняет разнообразные термомеханические, оптикомеханические и т. п. явления, наблюдающиеся в гелии-II.

Двухкомпонентная модель сверхтекучести имеет место и для других веществ и типов сверхтекучести.

Два изотопа гелия – жидкий 3Не и жидкий 4Не – были до недавнего времени единственными жидкостями, которые становятся сверхтекучими при низких температурах (атом 3Не имеет такие же химические свойства, как и атом 4Не, но в его ядре одним нейтроном меньше).

Сверхтекучий 4Не
Жидкий 4Не, который впервые был получен в 1908, имеет температуру кипения 4,2°К (нуль абсолютной термодинамической шкалы соответствует температуре –273,16°С). Откачивая пар над поверхностью жидкого гелия, можно понизить температуру жидкости примерно до 1°К. В 1930 ученые обратили внимание на то, что при охлаждении жидкого гелия ниже 2,17°К резко меняются многие его свойства. Наиболее заметным изменением является прекращение кипения, указывающее на резкое увеличение теплопроводности. Теплоемкость тоже резко увеличивается, а вязкость, измеренная в тонких капиллярных трубках, падает до нуля. Все это показывает, что в жидком 4Не при температуре ниже 2,17°К происходит фазовый переход в сверхтекучее состояние.

Фонтанный эффект
Свойства течения сверхтекучей компоненты необычны, потому что такое течение может быть вызвано не только разностью давлений, но и разностью температур (обычная жидкость течет только вследствие разности давлений). Если погрузить в жидкий гелий электронагреватель, то сверхтекучая компонента потечет к нагреваемой области, а нормальная – к холодной в соответствии с законом сохранения масс. На этом основан впечатляющий эффект, называемый фонтанным. Конец тонкой трубки, набитой очень мелким порошком, опускают в жидкий гелий. Если с помощью электронагревателя нагревать жидкость в трубке, то сверхтекучая компонента потечет внутри трубки, а нормальная вязкая жидкость не сможет течь из-за сопротивления, создаваемого порошком. В результате уровень жидкости внутри трубки повышается и, если продолжать нагрев, жидкость будет бить фонтаном из верхнего конца трубки. Эффект весьма значителен: разность температур в несколько сотых Кельвина может создать фонтан до метра высотой.

Квантовые эффекты
Необычные свойства сверхтекучей компоненты объясняются тем, что большая часть атомов гелия движется когерентной группой, а не независимо, как атомы любого другого вещества. Наибольшее впечатление эти квантовые эффекты производят, если привести во вращение контейнер с жидким гелием. Вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером, как обычная жидкость, сверхтекучая жидкость превращается в сплетение мелких водоворотов, которые называются квантованными вихрями. Картина течения в каждом таком вихре подобна картине течения в смерче, но в гелии скорость потока определяется постоянной Планка, фундаментальной константой квантовой механики. Существование этих квантованных вихрей во вращающемся гелии было предсказано в 1950 Л. Онсагером и подтверждено множеством экспериментов. В 1974 были получены первые фотографии квантованных вихрей. Это оказалось возможным благодаря захвату электронов ядром вихря (подобно тому, как камни и обломки втягиваются в центр смерча). Захваченные электроны, создающие изображение на люминофорном экране, отмечают положение каждого вихря и наглядно свидетельствуют о макроскопической квантовой природе сверхтекучей жидкости.

Фазовые переходы в сверхтекучей жидкости
Уменьшение плотности сверхтекучей жидкости до нуля при температуре 2,17°К и острый пик теплоемкости в этой же точке указывают на то, что при переходе сверхтекучей жидкости в нормальную происходит термодинамический фазовый переход. В своих ранних статьях Онсагер высказал мнение, что механизм квантованных вихрей может лежать в основе этого фазового перехода. Только в 1987 математическая теория фазового перехода показала, что эта мысль верна. В этой теории увеличение тепловой энергии жидкости приводит к образованию вихревых витков, подобных кольцам дыма, которые пускают курильщики. При температуре значительно ниже 2,17°К возбуждаются только очень малые вихри, диаметром в несколько ангстрем. Эти вихри, соответствующие нормальной компоненте двухжидкостной модели, оказывают сопротивление сверхтекучей жидкости, но, будучи очень малыми, они лишь частично уменьшают ее плотность. При повышении температуры образуются вихри все больших и больших размеров. При 2,17°К вихри приобретают размеры, ограниченные только размерами сосуда; это приводит к тому, что плотность сверхтекучей жидкости обращается в нуль и гелий становится нормальной жидкостью.

Сверхтекучий 3Не
Редкий изотоп 3Не начали исследовать лишь в 1949. В первых экспериментах 3Не не был сверхтекучим при температурах выше 1°К. Однако физики-теоретики предсказывали, что эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее охладить до температур ниже 1°К. Благодаря достижениям техники низких температур группе ученых из Корнелльского университета удалось охладить жидкий 3Не до температур ниже 0,003°К и обнаружить фазовый переход в жидкости. Последующие измерения подтвердили, что жидкий 3Не становится сверхтекучим при охлаждении до сверхнизких температур.

Многие свойства сверхтекучего 3Не весьма отличны от свойств 4Не. В 3Не сверхтекучая жидкость состоит из пар атомов 3Не, связанных силами взаимного притяжения. Это похоже на ситуацию в металлических сверхпроводниках, сверхпроводимость которых обусловлена образованием связанных пар электронов. Еще одно различие состоит в том, что атомы 3Не имеют магнитный момент, а атомы 4Не – нет. Это означает, что на сверхтекучий 3Не должны действовать внешние магнитные поля. Дальнейшие исследования сделают более понятной квантовую природу сверхтекучести.

Сверхтекучесть в иных системах
В 1995 году в экспериментах с разреженными газами щелочных металлов были достигнуты достаточно низкие температуры для того, чтобы газ перешел в состояние бозе-эйнштейновского конденсата. Как и ожидалось на основании теоретических вычислений, полученный конденсат вёл себя как сверхтекучая жидкость. В последующих экспериментах было установлено, что при движении тел сквозь этот конденсат со скоростями меньше критической никакой передачи энергии от тела к конденсату не происходит.

В 2000 году Ян Петер Тоэнниэс демонстрирует сверхтекучесть водорода при 0,15°K

В 2004 году было объявлено об открытии сверхтекучести и у твёрдого гелия. Последующие исследования, однако, показали, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно.

С 2004 года, на основании результатов ряда теоретических работ предполагается, что при давлениях порядка 4 миллионов атмосфер и выше водород становится не способным переходить в твердую фазу при любом охлаждении (как и гелий при нормальном давлении) образуя тем самым сверхтекучую жидкость. Прямые экспериментальные подтверждения или опровержения пока отсутствуют.

Существуют также работы, предсказывающие сверхтекучесть в холодном нейтронном агрегатном состоянии (в сверхсжатой ядерной материи). Это является важным для понимания физики нейтронных звёзд и квазаров.

В 2005 году была открыта сверхтекучесть в холодном разреженном газе фермионов.

В 2009 году была продемонстрирована сверхтекучесть типа “supersolid” в холодном разреженном газе рубидия

Высокотемпературная сверхтекучесть
Высокотемпературная сверхтекучесть  - термин, относящийся к явлениям, напоминающим низкотемпературную сверхтекучесть, проявляющимся при комнатных температурах. Физика этого явления также отличается от физики обычной сверхтекучести. 
Например, течение воды в трубе круглого сечения обладает свойствами высокотемпературной сверхтекучести. Это проявляется в том, что значение числа Рейнольдса, при котором происходит переход к турбулентному режиму превосходит на два порядка значения для труб другого сечения, что можно истолковать как понижение на столько же порядков эффективной вязкости. Это можно объяснить, если так же как и в теории обычной сверхтекучести представить жидкость (воду) как состоящую из двух компонент - нормальной и сверхтекучей. Плотность сверхтекучей компоненты примерно на два порядка превышает плотность нормальной компоненты, что и объясняет увеличение на столько же значение критического числа Рейнольдса, которое зависит от плотности нормальной компоненты. Физика этого явления связана с учетом взаимодействия волн плотности в жидкости и упругих волн изгиба в стенках трубы. За счет этой связи происходит ослабление отталкивания одноименных флуктуаций плотности жидкости благодаря экранированию его указанным взаимодействием. Условие экранирования совпадает с условием обычной низкотемпературной сверхтекучести. Спектр возбуждений в рассматриваемой системе имеет при малых волновых числах фононный характер, а при звуковых скоростях течения обладает также характерным ротонным минимумом, напоминая спектр возбуждений в сверхтекучем гелии.

Явление высокотемпературной сверхтекучести может иметь место при движении морских животных (дельфинов) в воде, позволяя им развивать большую скорость. Первоначальные оценки необходимых для этого мышечных усилий при условии турбулентного обтекания показали, что эти усилия превышают возможности дельфинов в 10 раз (парадокс Грея). Впоследствии выяснилось, что благодаря строению кожи дельфина турбулентность гасится благодаря демпфирующему влиянию кожи и обтекающий поток ламинаризуется. Высказывалось мнение, что демпфирование — активный процесс, регулируемый центральной нервной системой дельфина.

Это явление использовалось на практике (М. Крамер, Германия, 1938 г.) для разработки специального покрытия торпед (ламинофоло), позволившего без увеличения мощности двигателя увеличить их скорость в 1,5 - 2 раза. В России, в 1920-е годы изобретатель П. В. Митурич предложил конструкцию судна, у которого движителем выступал гибкий корпус, совершающий волнообразные движения.

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  электротехника и электроника  электрические цепи