Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

Квантовая жидкость и сверхтекучесть

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

Сверхтекучесть гелия

Вещество переходит в состояние квантовой жидкости при очень низкой температуре, вблизи абсолютного нуля.

Как следует из классической физики, при такой температуре атомы должны прекратить свое движение, образуя тем самым кристалл.

Однако, в силу квантовых эффектов некоторые вещества с небольшой атомной массой и с высокой нулевой энергией (минимальная энергия системы) способны оставаться жидкостями.

Волны де Бройля – один из параметров, возникающий из математических глубин квантовой механики, который определяет плотность вероятности нахождения частицы в выбранном объеме конфигурационного пространства (пространство всех возможных значений всех параметров частицы).

Чтобы заметить проявление квантовых эффектов в жидкости, требуется, чтобы длина волны де Бройля, вычисленная по энергии теплового движения частиц, была близка к значению расстояния между этими частицами.

К примеру, для гелия подобное отношение будет возникать при температуре всего 2-3 К.

Зависимость состояния гелия от давления (ось ординат) и температуры (ось абсцисс)

Как уже говорилось ранее, вещества с высокой нулевой энергией способны становиться квантовыми жидкостями при низких температурах. Высокая нулевая энергия подразумевает наличие колебаний частиц даже при сверхнизких температурах. Если же амплитуда этих колебаний близка к среднему расстоянию между частицами вещества, то оно сохранит свою жидкую форму.

В зависимости от частиц, составляющих жидкость, она может быть бозонной (состоять из бозонов) и фермионной (состоять из фермионов).

Сверхтекучесть и другие свойства

Бозонные квантовые жидкости способны протекать через узкие капилляры или щели без какого-либо трения, это свойство называется сверхтекучестью. Примечательно, что подобное явление наблюдается не только у квантовых жидкостей, но и в некоторых бозе-конденсатах и даже в твердом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Как известно, из квантовой механики следует, что бозоны способны находиться в одном состоянии. Тогда при низкой температуре, когда скорость частиц относительно невысокая, бозонам более энергетически выгодно сливаться в одно состояние, нежели взаимодействовать со стенками сосуда, то есть переходить в иное состояние, при котором возникает трение.

Сверхтекучесть была экспериментально достигнута жидкостями таких веществ как гелий-II (2,172 К), гелий-3, гелий-4 и водород (0,15 К). Вероятнее всего в недрах нейтронных звезд вещество находится в сверхтекучем состоянии.

В отличие от бозе-жидкостей, обладающих сверхтекучестью, фермионные квантовые жидкости с понижением температуры все менее способны пропускать звук, который, как известно, передается посредством колебаний частиц.

Частицы, составляющие сверхтекучие жидкости обычно представляются в виде конденсата Бозе — Эйнштейна.

by HyperComments

Ученые впервые получили «жидкий свет» при обычной температуре

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

Физики впервые в истории получили «жидкий свет» при комнатной температуре, сделав эту необычную форму материи более доступной, чем когда-либо.

Она представляет собой одновременно смесь из сверхтекучей жидкости, обладающей нулевым уровнем трения и вязкости, и своего рода конденсата Бозе — Эйнштейна, который нередко называют пятым состоянием материи.

Эти свойства позволяют свету фактически обтекать вокруг находящихся перед ним объектов и углов.

Обычный свет, как правило, демонстрирует свойства волны и иногда частиц и всегда движется только по прямой. Именно поэтому наши глаза, например, не способны видеть за углами. Однако при определенных и весьма экстремальных окружающих условиях свет также может вести себя как жидкость, обретая способность обтекания вокруг объектов.

Интерес для науки конденсаты Бозе — Эйнштейна представляют в первую очередь за счет своего агрегатного состояния, когда правила, по которым они действуют, работают на грани классической и квантовой физики, когда твердая материя начинает приобретать скорее волновые свойства. Как правило, такой конденсат создается при температурах, близких к абсолютному нулю, и способен существовать в буквальном смысле в течение нескольких долях секунды.

Но в рамках последнего исследования ученые смогли создать конденсат Бозе — Эйнштейна при обычной комнатной температуре, используя «франкенштейнский» набор из материи и света.

Создание поляритонов потребовало от исследователей использования очень дорого оборудования и технологий нанотехнологического уровня. Ученые поместили между двумя ультрарефлекторными зеркалами слой органических молекул толщиной 130 нанометров и пропустили через него 35-фемтосекундный лазерный импульс (1 фемтосекунда равна 1 квадриллионной доле обычной секунды).

В результате получилась «сверхжидкость» с весьма необычными свойствами. При обычных условиях температуры, когда простая жидкость будет обладать свойством текучести, на ее поверхности под внешним воздействием может создаваться рябь и завихрения. Сверхжидкость же такой ответной реакции не показывает.

На изображении ниже можно видеть, как поток поляритонов, направленный в обычную жидкость, создает волны, в то время как внутри сверхжидкости (на нижнем изображении) такой особенности он не демонстрирует.

Ученые говорят, что результаты этих исследований не только открывают дорогу к новым исследованиям особенностей квантовой гидродинамики, но также и к созданию устройств и технологий будущего, которые будут способны использовать поляритоны в обычных условиях. Речь идет о новых типах сверхпроводниковых материалов, которые можно будет использовать в производстве нового поколения светодиодов, солнечных панелей и лазеров.

Результаты работы итальянских физиков были опубликованы в последнем номере журнала Nature Physics.

Физики увидели вихри в сверхкритических нанокаплях

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

Впервые гидродинамика сверхкритической жидкости была исследована на столь малом масштабе.

На фото: Квантовые вихри в нанокаплях сверхтекучего гелия в представлении художника. Изображение: SLAC National Accelerator Laboratory

Ученым из экспериментальной ускорительной лаборатории SLAC с помощью рентгеновского рассеяния удалось «увидеть» форму вращающейся с огромной угловой скоростью нанокапли, а также детектировать образование внутри нее упорядоченной решетки вихрей. Исследование ученых опубликовано в журнале
Science, кратко о нем можно прочитать  на сайте лаборатории.

Сверхтекучесть — уникальное состояние жидкости, возникающее в гелии при очень низких температурах. Сверхтекучая жидкость отличается от обычной жидкости тем, что ее вязкость равна нулю, а большинство атомов движется когерентно, а не независимо. Это позволяет сверхтекучему жидкому гелию протекать через самые узкие щели и капилляры без трения.

Другим необычным свойством сверхтекучего состояния является образование квантовых вихрей: если привести во вращение цилиндрическое ведро со сверхтекучим гелием, то жидкость не будет вращаться вместе с сосудом; вместо этого в ней будут образовываться параллельно расположенные вихри, первое фотографическое изображение которых было получено в 1974 году. В капле обычной жидкости конечного размера любое течение жидкости должно сопровождаться вращением капли, которое в случае сверхтекучей жидкости сопровождается также образованием квантовых вихрей. Однако до настоящего момента о гидродинамике капель сверхтекучей жидкости было известно мало.

Исследовать это явление удалось с помощью анализа рассеяния когерентного рентгеновского излучения лазера на свободных электронах в гелиевых каплях. Авторы наблюдали за вращением капель, которые образуются при разбиении струи жидкого гелия. Капли пролетали несколько сотен нанометров и попадали в фокус пучка лазера, дифракционная картина рассеяния излучения которого записывалась детектором.

У капель вязкой жидкости при увеличении угловой скорости форма меняется: капля из сфероидальной превращается в эллиптическую, становясь все более и более вытянутой. При некоторой критической скорости капля становится нестабильной и принимает форму, напоминающую гантель или арахис.

Оказалось, что в случае сверхтекучей жидкости капли могут сохранять эллиптическую форму и сильнее удлиняться при гораздо более высоких скоростях вращения.

Другими словами, нанокапли гелия показывают более широкий диапазон стабильности, чем капли обычной вязкой жидкости.

Более того, около одного процента нанокапель в ходе эксперимента принимали форму, напоминающую колесо, что для обычной жидкости вообще не характерно.

Так как вихри были невидимы в картине рентгеновского рассеяния, ученым пришлось допировать нанокапли гелия атомами ксенона.

При этом на картинах рассеяния кроме колец, характерных для вращающейся капли, наблюдались также Брэгговские пятна, что означало, что атомы ксенона в капле гелия распределялись в некоторую упорядоченную структуру.

Можно предположить, что атомы ксенона становились центром нановихрей, расположение которых напоминает расположение атомов в кристаллической решетке.

Экспериментальная установка. Изображение: SLAC National Accelerator Laboratory

Форму вихрей из экспериментов по рассеянию рассчитать невозможно, однако можно посчитать их плотность. Оказалось, что вихри в нанокаплях в 100 тысяч раз более плотно упакованы, чем это наблюдалось во всех предыдущих экспериментах по наблюдению квантовых вихрей в сверхтекучих жидкостях.

Другим интересным результатом эксперимента стало то, что на картине рассеяния от колесообразных капель не было видно никаких брэгговских рефлексов, хотя такая форма может говорить об очень высокой плотности вихрей.

Возможное объяснение этому факту состоит в том, что при высоких плотностях вихрей они теряют способность кристаллизоваться и формируют некоторое неупорядоченное состояние.

Другое объяснение связано с формированием в каплях некоторых неравновесных состояний, связанных с квантовой турбулентностью, то есть хаотическим движением жидкости на очень высоких скоростях. Гидродинамическая нестабильность на высоких скоростях вращения капель также может уничтожать кристаллический порядок вихрей.

Изучение гидродинамики сверхтекучих жидкостей в нанокаплях открывает новую экспериментальную область для проверок предсказаний квантовой механики, а также в будущем может преподнести еще большее количество новых любопытных эффектов, которые невозможно рассчитать в математических моделях.

Исследования предполагают, что наша Вселенная подобна сверхтекучей жидкости « Gearmix

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

В 1905 году Эйнштейн в специальной теории относительности первым предположил, что пространство и время могут быть связаны между собой. Термин «пространство-время» был придуман три года спустя математиком Германом Минковским.

Согласно постулатам Эйнштейна, скорость света (около 300 миллионов метров в секунду) является одинаковой для всех наблюдателей, и в любых системах, движущихся с постоянной скоростью, будут наблюдаться одинаковые физические законы.

Но если двигаться в пространстве или находиться в поле тяготения большой массы, то время в такой системе будет течь с меньшей скоростью из-за деформации самого пространства-времени.

Идея о том, что пространство-время ведёт себя как жидкость, не является совершенно новой – теория «сверхтекучего вакуума» (SVT) была предложена полвека назад.

Но исследователи Стефано Либерати, профессор Международной школы передовых исследований (SISSA) и Лука Мацционе, научный сотрудник в университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене, первыми задались вопросом о вязкости такой жидкости.

Одной из самых больших проблем в понимании Вселенной является выяснение того, как вещи движутся в пространстве. Например — волна распространяется через воду, используя её как «среду», через которую она может перемещаться. Вообще, передача энергии требует среды — например, звук проходит через воздух или тепло через металл.

Но как электромагнитные волны, фотоны и т.д. движутся в пространстве, где, как полагают, нет ничего?

Рассмотрим, как мы воспринимаем воду – нам кажется, что течёт жидкость, но в действительности это движение массы молекул Н2О. Пространство-время, говорят исследователи, состоит из собственных молекул типа Н20 — хотя они нам и неизвестны.

Либерати и Мацционе считают, что правдоподобной моделью для квантовой гравитации будет модель сверхтекучего космоса – жидкости с нулевой вязкостью, ведущей себя как единое целое. Ключевой момент доказательств их теории вращается вокруг четырех фундаментальных сил Вселенной — электромагнетизма, слабого взаимодействия, сильного взаимодействия и гравитации.

Сверхтекучей является жидкость, которая может протекать бесконечно без потери энергии. Это фаза вещества, в которое переходят жидкости или газы, когда они остывают до определённых температур вблизи абсолютного нуля. При этом их атомы начинают занимать одинаковое «квантовое состояние».

Это означает, что атомы теряют свои индивидуальные свойства, и ведут себя, как единый супер-атом. Гелий, например, проявляет сверхтекучие свойства при 2 градусах Кельвина (-271,15 о C).

У сверхтекучих жидкостей есть несколько уникальных свойств. Они могут, например, подняться по стенкам незакрытого сосуда и «сбежать» из него.

Их невозможно нагреть — они чрезвычайно хорошо передают тепло – сверхтекучая жидкость при нагреве просто испарится.

Учёные также предсказывают другие слабые диссипативные эффекты, которые можно было бы выявить при будущих астрофизических наблюдениях.

Похожие записи

© Gearmix 2013 Права на опубликованный перевод принадлежат владельцам вебсайта gearmix.ru Все графические изображения, использованные при оформлении статьи принадлежат их владельцам. Знак охраны авторского права распространяется только на текст статьи.

Использование материалов сайта без активной индексируемой ссылки на источник запрещено.

В квантовых жидкостях обнаружили необычные звуковые волны

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

В квантовых жидкостях обнаружили необычные звуковые волны

Обычные звуковые волны – маленькие колебания плотности – могут распространяться по всем жидкостям, заставляя молекулы в последних равномерно сжиматься.

Теперь физики теоретически продемонстрировали, что в одномерных квантовых жидкостях может распространяться не один, а два типа звуковых волн.

Оба типа волн движутся на приблизительно одинаковой скорости, но являются комбинацией волн плотности и температурных волн.

Физики Константин Матвеев из Аргоннской национальной лаборатории и Антон Андреев из Вашингтонского университета в Сиэттле опубликовали доклад о гибридных звуковых волнах в квантовых жидкостях в недавнем выпуске журнала Physical Review Letters.

«Одномерные жидкости обладают удивительными квантовыми свойствами, которые десятилетиями изучают физики, – сказал Матвеев в интервью порталу Phys.org.

– Совершенно неожиданно нам удалось показать, что даже такой принципиально классический феномен, как звук, также очень необычен в этих жидкостях.

Наша работа подразумевает, что даже на простейшие, классические свойства жидкости может сильно воздействовать их квантовая природа».

Несмотря на то, что классические жидкости в общем поддерживают только один тип звуковой волны (волну плотности), жидкий гелий является исключением.

Будучи сверхтекучей жидкостью, жидкий гелий может течь без трения, что позволяет ему течь вверх по стенкам контейнера, не говоря о других его необычных свойствах.

В отличие от классических жидкостей, сверхтекучий гелий поддерживает два типа звуковых волн – волну плотности и температурную волну, распространяющихся с разной скоростью.

Как объясняют физики, в некотором смысле одномерные квантовые жидкости очень похожи на сверхтекучий гелий, так как оба типа жидкостей поддерживают два типа звуковых волн.

Однако, во всем остальном они очень сильно различаются: вместо того, чтобы одна волна оставалась волной плотности, а другая – температурной волной, обе звуковые волны совмещают свойства волн плотности и температуры.

Эта гибридная природа звуковых волн в одномерных квантовых жидкостях отличается от природы звуковых волн во всех других жидкостях, включая жидкий гелий. Вдобавок, ученые показали, что обе волны распространяются на почти одинаковых скоростях, отличие которых определяется температурой.

В будущем физики надеются, что эти гибридные звуковые волны получится экспериментально продемонстрировать в длинных квантовых проводах и атомных ловушках, в которых существуют одномерные квантовые жидкости.

Сверхтекучесть – чудесное свойство жидкого гелия

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

ПодробностиКатегория: Холод и тепло 25.11.2014 18:48 3807

Гелий – единственный элемент, который при атмосферном давлении не переходит в твёрдое состояние, а остаётся жидким даже при температуре, приближающейся к абсолютному нулю.

Гелий – инертный газ, второй после водорода по степени распространённости во Вселенной. Наиболее широко распространён его изотоп гелий-4. В его ядре 2 протона и 2 нейтрона.

Из него состоит почти весь гелий, встречающийся в атмосфере. 99,999863% всего гелия на Земле – это гелий-4. Второй известный изотоп гелия – гелий-3, ядро которого состоит из 2 протонов и 1 нейтрона.

Ему принадлежит 0,000137 % от атмосферного гелия.

Впервые жидкий гелий получил в 1908 г. голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес, до этого создавший экспериментальную установку для сжижения газов. На этой установке ему удалось перевести в жидкое состояние кислород, неон, а в 1906 г. он получил жидкий водород.

Хейке Камерлинг-Оннес

В 1922 г., проводя опыты, учёный обнаружил, что налитый им в пробирку жидкий гелий сам по себе поднимается по стенкам сосуда и вытекает наружу. Он поместил эту пробирку в ванну, наполненную гелием. Гелий вытекал до тех пор, пока его уровень не сравнялся с уровнем гелия в ванне.

Если же уровень гелия в ванне был ниже, чем сама пробирка, гелий вытекал весь. Удивительно, но жидкий гелий способен перетекать из ёмкости, заполненной им, в абсолютно пустой стакан, погруженный в эту ёмкость, даже если верх этого стакана расположен выше уровня жидкости.

И этот процесс будет происходить до тех пор, пока их уровни не сравняются.

Все описанные явления относятся к изотопу гелия-4. Объяснить их природу смогли лишь после того, как советский физик, академик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести, а другой выдающийся советский физик-теоретик Лев Давидович Ландау создал теорию сверхтекучести.

Сверхтекучесть жидкого гелия

Этот удивительный гелий

Чем ниже становится температура вещества, тем меньше скорость хаотического движения частиц в нём. При приближении температуры к абсолютному нулю все тела должны затвердеть. Так и происходит со всеми веществами, но не с жидким гелием.

Этот удивительный элемент вместо того чтобы превратиться в твёрдое тело, вдруг начинает вести себя необычно, когда его температура становится ниже 2,17 К (-271оС). С ним происходят просто чудеса. Если оставить незакрытой пробирку с таким гелием, то через некоторое время она будет пуста. Гелий покинет её, поднимаясь по внутренней стенке.

И неважно, какой высоты будет эта пробирка. Оказывается, при такой температуре жидкий гелий полностью теряет вязкость, трение в нём исчезает, и он становится сверхтекучим.

Это необычное свойство гелия было экспериментально установлено в 1938 г. советским физиком, академиком Пётром Леонидовичем Капицей. Жидкий гелий, обладающий свойствами жидкости до температуры 2,17 К, он назвал гелием-I, а новый, сверхтекучий гелий – гелием-II. А температура Тƛ = 2,17 К стала называться лямбда-точкой.

Пётр Леонидович Капица

Жидкий гелий-I обладал свойствами обыкновенной жидкости и ничем особенным не выделялся. Хотя его вязкость по сравнению с вязкостями других жидкостей была мала (примерно в 500 раз меньше вязкости воды), её всё же можно было измерить. А у гелия-II она отсутствовала вообще.

Во время своего опыта учёный пропускал жидкий гелий через щели настолько тонкие, что даже такое текучее вещество, как вода, еле-еле могло бы просочиться сквозь них за много лет.

Едва заметному количеству гелия-I удалось проникнуть через щель за более короткое время. Зато огромное по сравнению с гелием-I количество гелия-II вылилось сквозь щель всего за несколько секунд.

Так была открыта сверхтекучесть.

Сверхтекучестью называют способность вещества терять свою вязкость и приобретать способность без трения протекать через узкие щели и капилляры. Сверхтекучесть возникает, когда температура приближается к абсолютному нулю.

Двухжидкостная модель гелия-II

Лев Давидович Ландау

В 1941 г. академик Ландау предположил, что в гелии-II имеются две компоненты: нормальная и сверхтекучая. При Т = Тƛ (2,17 К) атомы жидкого гелия начинают проявлять свойства квантов, то есть жидкий гелий становится квантовой жидкостью. Частицы гелия-4 являются бозонами (частицами с целым спином).

Они образуют подобие бозе-конденсата. Отсюда и способность течь без трения. Но в отличие от бозе-конденсата в гелии-II сохраняется взаимодействие между атомами. Нормальная компонента жидкого гелия состоит из фотонов и ротонов. Она переносит энергию, а движение слоёв жидкости происходит с трением.

При приближении температуры к абсолютному нулю свободной энергии становится всё меньше. При абсолютном нуле она отсутствует вообще. Поэтому весь гелий становится сверхтекучим. А при Т ˃ Тƛ свойство сверхтекучести исчезает.

Переход гелия-I в гелий-II называется фазовым переходом второго рода. Агрегатное состояние вещества при таких переходах не меняется, удельный объём также остаётся прежним. Оказалось, что при таком переходе теплопроводность гелия-II резко возрастает почти в миллион раз.

Кроме того, поток тепла в двух разных точках гелия-II, расположенных практически рядом, абсолютно не зависит от разности температур в них. А когда гелий вытекает через капилляр из сосуда, температура в сосуде становится выше.

Это означает, что и тепло в жидком гелии передаётся иначе, чем в обычных жидкостях.

Тепло в гелии-II может переносить только нормальная компонента. А по капилляру способна течь только сверхтекучая. Но она тепло не переносит. Поэтому в результате вытекания гелия количество тепла не меняется. А так как масса оставшейся жидкости уменьшается, то она нагревается.

Изотоп гелий-3 был открыт гораздо позже, в 1939 г. А жидкий гелий-3 получили в 1948 г. Он отличался по своим свойствам от жидкого гелия-4. Частицы гелия-3 являются фермионами (частицами с полуцелым спином).

А парами они уже образуют целые спины и ведут себя как бозоны. То есть, теоретически сверхтекучесть гелия-3 также возможна. И действительно, в 1972 г.

в жидком гелии-3 обнаружили сверхтекучесть, которая возникала при температуре менее 2,6 мК и давлении 34 атм.

Сверхтекучую жидкость получить очень сложно. Поэтому пока широкого применения в технике она не имеет. Но открытие сверхтекучести стало важным достижением в области фундаментальной физики. Оно привело к появлению новой науки – физики квантовых жидкостей.

А жидкий гелий используют для охлаждения в лабораториях исследуемых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Опыт Капицы: исследование сверхтекучести

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

Явления сверхтекучести, как и сверхпроводимости, являются необычайно яркими проявлениями квантовых закономерностей в макроскопических масштабах.

Кроме того, фактически и то и другое явление физически аналогичны: сверхпроводимость это протекание электрического тока по проводнику без сопротивления при температуре, меньшей критической, а сверхтекучесть – отсутствие вязкости, т.

 е. трения, при протекании жидкости при температуре, также ниже критической.

Исследование физических явлений в области очень низких температур было начато Камерлинг-Оннесом, когда после больших трудов в 1908 году ему удалось впервые ожижить гелий.

Дело в том, что гелий наиболее трудно ожижаемый газ. Это объясняется тем, что атомы его чрезвычайно симметричны и испытывают очень малые силы притяжения друг к другу.

При нормальном давлении его точка ожижения отстоит лишь на 4,2 градуса от абсолютного нуля.

Еще Камерлинг-Оннес обнаружил, что гелий имеет два состояния: первое состояние – это нормальное состояние, как у всех жидкостей. Оно существует до температуры 2,2 К, но при более низких температурах вплоть до абсолютного нуля гелий, хотя и остается жидким, но его свойства оказываются совершенно другими, он переходит в другую модификацию, то есть в другое фазовое состояние.

Температурная зависимость теплоемкости жидкого гелия в окрестности 2,2 К очень напоминает по своей форме греческую букву лямбда, как это видно из рисунка, что дало повод назвать точку фазового перехода λ-точкой.

Рис. 1. Зависимость теплоемкости гелия от температуры. На графике видна точка перехода гелия в новое фазовое состояние – сверхтекучее состояние состояние

Жидкий гелий при температуре выше λ-точки по предложению голландского физика В. Кеезома стали именовать Не-I, а ниже λ-точки – He-II.

Жидкий гелий имеет очень малый удельный вес – он примерно в 7 раз легче воды. Он чрезвычайно прозрачен и, например, по сравнению с водой очень трудно видим. При внимательном рассмотрении гелий-I представляет собой кипящую жидкость, потому что даже свет, падающий на него, уже заставляет его кипеть.

Чтобы защитить его от окружающего тепла, сосуд с жидким гелием окружают двумя рядами вакуумных стеклянных оболочек, между которыми налит жидкий воздух. Называют такой сосуд дьюаром, он очень похож на обычный бытовой термос. Без этих предосторожностей жидкий гелий испарился бы за несколько десятков минут.

Второе состояние гелия резко отличается от первого. Гелий-II не кипит, и на вид его свободная поверхность образует совершенно неподвижную плоскость.

Отсутствие вязкости наблюдается в гелии не только при его течении сквозь капилляры и узкие щели, но также и при перетекании из сосуда в сосуд непосредственно по стенкам сосудов. На рисунке схематично изображен этот эффект, открытый еще Х.

 Камерлинг-Оннесом и носящий его имя. Суть эффекта состоит в том, что жидкий гелий течет по стенке сосуда, преодолевая край пробирки, до тех пор, пока уровни гелия в пробирке и ванне не сравняются.

Если пробирку вынуть из ванны, то гелий перетекает через край пробирки и капает в ванну (рис. 2).

Рис. 2. Течение жидкого гелия по стенкам пробирки (эффект Камерлинг-Оннеса)

Измерения теплопроводности He-I, проведенные в 30-х годах XX столетия Кеезомом и его дочерью, показали, что она сильно отличается от теплопроводности He-II. Это явление было обнаружено, когда теплопроводность гелия-II измерялась в тонких трубках (капиллярах).

Наиболее теплопроводными веществами при комнатных температурах являются металлы, из них наибольшей теплопроводностью обладают медь и серебро. Это знает каждый, когда он берется за ложечку, опущенную в стакан с горячим чаем – при этом даже можно обжечь себе руку.

Так вот оказалось, что гелий в капиллярах оказался теплопроводнее меди более чем в миллион раз. Поэтому Кеезом назвал это свойство по аналогии со сверхпроводимостью сверхтеплопроводностью.

Как показали эксперименты, у жидкого гелия-II и очень малая вязкость, она оказалась примерно в 1000 раз меньше, чем вязкость воды.

Во второй половине 30-х годов в Москве этими результатами заинтересовался Петр Леонидович Капица. Он сразу обратил внимание на то, что эти свойства жидкого гелия противоречат нашим обычным представлениям о механизме вязкости и теплопроводности.

Действительно, теплопроводность это способность атомов передавать свои колебания (тепло) друг другу, и чем больше это свойство передачи, тем большей теплопроводностью обладает это вещество. В то же время вязкость возникает из-за того, что движущийся слой жидкости тормозится соседними слоями, и, естественно, чем больше взаимодействие между соседними атомами, тем больше и вязкость.

Из такой картины следует, что вязкость должна быть тем больше, чем больше теплопроводность, а не наоборот, как это происходит в гелии. Капица предположил, что, по-видимому, большая теплопроводность гелия, измеренная Кеезомом, является только кажущейся, и вмешался в полученный результат другой механизм теплопроводности – конвективная теплопроводность.

Именно за свет этого механизма происходит обычная теплопередача в воздухе. Но расчеты показали, что для этого вязкость гелия должна быть значительно меньше той, которая была измерена.

Рис. 3. Схема установки П. Л. Капицы для измерения вязкости жидкого гелия

Поэтому П. Л. Капица решил измерить вязкость гелия более аккуратно. Для измерения вязкости жидкого гелия-II Капица сконструировал специальный прибор (см. рис. 3), состоящий из двух тщательно отшлифованных кварцевых дисков (1, 2), зазор между которыми регулировался с помощью прокладок из слюды.

В верхнем диске имеется отверстие, в которое вставлена кварцевая трубка-резервуар (3).

С помощью нити (4) прибор подвешивался в жидком гелии и мог подниматься и опускаться – так можно было, меняя количество гелия в резервуаре, регулировать давление гелия и измерять скорость, с которой он вытекал из капилляра.

На рисунке цифрой 5 указан уровень гелия в дьюаре. Ниже приведена сделанная в 1939 году фотография П. Л. Капицы со своим лаборантом С. И. Филимоновым во время эксперимента, на которой слева виден стеклянный гелиевый дьюар.

Рис. 4. П. Л. Капица с лаборантом С. И. Филимоновым во время эксперимента с жидким гелием, 1939 год

Измерения показали, что у гелия-II вязкость по крайней мере в 1500 раз меньше, чем у гелия-I (при температурах выше λ-точки), и в 10000 раз меньше, чем у газообразного водорода при самой низкой температуре.

Вязкость оказалась настолько малой, что даже при зазоре между дисками в 0,5 микрона движение могло быть вихревым и значит истинная вязкость могла оказаться еще во много раз меньшей. Поэтому П. Л.

 Капица сделал заключение, что у гелия-II вообще отсутствует вязкость, и по аналогии со сверхпроводимостью он назвал это явление сверхтекучестью.

Сверхтекучесть и сверхпроводимость имеют очень много общего в своей основе – оба они, как уже указывалось, суть проявление квантовых свойств вещества в макроскопическом масштабе.

Глубокая аналогия, существующая между сверхтекучестью и сверхпроводимостью, совершенно очевидна. Электрическое сопротивление у сверхпроводников полностью отсутствует, так же, как отсутствует трение при течении сверхтекучей жидкости.

Поэтому о сверхпроводимости можно говорить как о сверхтекучести заряженной электронной жидкости в металлах.

Теоретическое объяснение явление сверхтекучести было через несколько лет дано Львом Давидовичем Ландау, который в то время заведовал теоретическим отделом Института физических проблем.

Лев Давидович Ландау

При ненулевой температуре атомы жидкости колеблются около своего положения равновесия, иначе говоря, в жидкости под действием тепла рождаются звуковые волны. Эти простейшие колебания можно рассматривать как частицы, называются они фононами. Их энергия ε линейно зависит от импульса, а коэффициентом пропорциональности является скорость звука s, т. е.:

В гелии, конечно, тоже возбуждаются фононы.

Но для объяснения сверхтекучести Ландау предположил, что спектр элементарных возбуждений в гелии-II, кроме фононного участка, содержит еще участок с указанным ниже законом дисперсии – так называется зависимость энергии частицы (или квазичастицы, как это имеет место в жидком гелии) от ее импульса (в простейшем случае свободной частицы это известное соотношение для энергии). Элемертарные возбуждения в гелии, как и в кристаллах, называются квазичастицами, потому что они существуют только в веществе, но они обладают и энергией, и импульсом, только обычно соотношение между их энергией и импульсом (закон дисперсии) у них не такой, как у свободных частиц.

Итак, Ландау предположил, что для квазичастиц в сверхтекучем гелии закон дисперсии выглядит так:

(μ – эффективная масса квазичастиц),

который по предложению И. Е. Тамма он назвал ротонным, а соответствующие квазичастицы – ротонами, так что полный спектр элементарных возбуждений в He-II имеет вид, изображенный на рисунке.

Эта кривая дисперсии была потом полностью подтверждена в экспериментах по неупругому рассеянию нейтронов.

Рис. 5. Зависимость энергии квазичастиц от импульса (кривая дисперсии)

Покажем, что при энергетическом спектре элементарных возбуждений, постулированном Ландау, жидкость должна обладать свойством сверхтекучести.

Вернее говоря, если скорость течения жидкого гелия меньше некоторого критического значения υкр, то при взаимодействии со стенкой капилляра в жидкости не может родиться квазичастица.

А это означает, что энергия движения жидкости не может превратиться в тепловую энергию.

Рассмотрим сначала гелий-II при температуре абсолютного нуля, когда никаких возбуждений в нем нет. Пусть жидкость течет в капилляре с постоянной скоростью υ. Определим, при каких скоростях v не могут появляться элементарные возбуждения и, следовательно, гелий не будет испытывать трения.

Перейдем в систему отсчета, в которой жидкость покоится, а капилляр движется со скоростью –υ, потому что закон дисперсии ротонов относится к системе отсчета, в котором жидкость неподвижна. Допустим, что в жидкости появилось элементарное возбуждение – квазичастица с энергией ε и импульсом p. Из-за отдачи скорость капилляра изменится и:

где M – масса капилляра. Так как она велика, то изменение скорости капилляра незначительно, а потому сумму υ + υ1 можно заменить на 2υ и мы можем уравнение для энергии переписать в виде:

Из этих уравнений получаем:

Это равенство может быть выполнено, только если существует направление – угол θ, куда будет двигаться родившаяся квазичастица:

Следовательно, скорость υ должна превосходить минимальное значениет. е.:

Эта формула называется критерием сверхтекучести Ландау. Минимум отношенияна кривой дисперсии получится в точке, где производнаяобращается в нуль, т. е. в точке:

где прямаяпроходящая через начало координат, касается дисперсионной кривой ε = ε (p).

Этот результат не является неожиданным. При равномерном движении тела в жидкости оно, как известно, начинает рождать звуковые волны Маха, когда скорость тела превышает фазовую скорость звука в жидкости. Аналогично ведет себя заряд, движущийся в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света (эффект Вавилова–Черенкова).

Точно так же, электрон в твердом теле может рождать фононы, если его скорость превышает скорость звука. Таким образом, скорость звука играет роль критической скорости υкр, в том смысле, что генерация звука движущимся телом появляется, когда его скорость превышает критическую.

В гелии-II критическая скорость течения это минимальная скорость, необходимая для генерации ротонов.

Для сравнения на рисунке, где показан закон дисперсии для He-II, пунктиром показана также парабола, соответствующая закону дисперсии для невзаимодействующих атомов гелия, то есть для идеального газа. Очевидно, что в этом случаеПоэтому в идеальном газе сверхтекучесть невозможна, она является следствием взаимодействия между атомами.

Сейчас известна еще одна квантовая жидкость, в которой наблюдается явление сверхтекучести, – это жидкость, атомы которой состоят из другого изотопа гелия – 3He, но температура сверхпроводящего перехода у него очень маленькая, всего 2,6 милликельвина.

И, наконец, следует отметить, что сверхтекучие свойства обнаружены при очень низких температурах и у паров щелочных металлов, таких как цезий, рубидий. Сверхтекучесть оказалась очень интересным квантовым явлением. До сих пор оно интенсивно изучается экспериментаторами и теоретиками в научных лабораториях многих стран мира.

Эксперименты со сверхтекучестью даже проводятся в космосе, где нет влияния силы тяжести и многие сверхтекучие свойства можно измерить там очень точно.

Рецепт темной материи может включать сверхкритическую жидкость

Квантовая жидкость и сверхтекучесть – все о космосе

За годы исследований стало понятно, что темная материя ведет себя отвратительно. Этот термин был введен около 80 лет назад астрономом Фрицем Цвикки, который осознал, что для того, чтобы не дать отдельным галактикам сбегать в гигантских галактических скоплениях, необходима некая гравитационная сила.

Уже позже Вера Рубин и Кент Форд использовали невидимую темную материю для объяснения того, почему галактики не разлетаются.
Тем не менее, хотя мы используем термин «темная материя» для описания двух этих ситуаций, непонятно, вовлечен ли в каждую из них один и тот же виновник.

Простейшая и самая популярная модель утверждает, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих частиц, которые медленно движутся под действием силы тяжести. Эта так называемая «холодная» темная материя точно описывает крупномасштабные структуры, такие как скопления галактик. Но она плохо справляется с прогнозированием кривых вращения отдельных галактик.

Темная материя словно по-другому действует в таких масштабах.

В попытке разрешить эту головоломку, недавно два физика предположили, что темная материя может менять фазы при изменении масштабов.

Джастин Хоури, физик Университета штата Пенсильвания, и его бывший аспирант Лаша Бережиани, работающая в Принстонском университете, говорят, что в холодной и плотной среде галактического гало темная материя конденсируется в сверхкритическую жидкость — экзотическое квантовое состояние вещества с нулевой вязкостью.

Если темная материя образует сверхкритическую жидкость в галактическом масштабе, может возникать новая сила, которая объяснила бы наблюдения, не укладывающиеся в модель холодной темной материи. Но в масштабах галактических скоплений особых условий, необходимых для образования сверхкритического состояния, не существует; здесь темная материя будет вести себя как обычная холодная темная материя.

«Это прекрасная идея», говорит Тим Тайт, физик частиц из Калифорнийского университета в Ирвине. «Два разных типа темной материи описываются одной вещью». И скоро эту любопытную идею можно будет проверить.

Хотя другие физики уже рассматривали подобные идеи, Хоури и Бережиани близки к тому, чтобы извлечь проверяемые прогнозы, которые позволили бы астрономам исследовать, плавает ли наша галактика в море сверхкритической жидкости.

Невозможные сверхтекучие жидкости

На Земле сверкритические жидкости нельзя назвать чем-то заурядным. Но физики готовят их в своих лабораториях с 1938 года. Охладите частицы до достаточно низких температур, и начнет проявляться их квантовая природа.

Они начнут волноваться, а волны будут перекрываться, пока в конечном итоге не начнут вести себя как один большой «сверхатом». Они станут когерентными, подобно частицам света в лазере, которые имеют одну энергию и вибрируют как одна.

В наши дни даже студенты создают конденсаты Бозе — Эйнштейна в лаборатории, многие из которых можно классифицировать как сверхкритические жидкости.

Явлений сверхтекучести в повседневном мире не существует — слишком тепло, чтобы могли проявиться нужные квантовые эффекты. Из-за этого «еще лет десять назад люди просто отказались бы от этой идеи и сказали, что это невозможно», говорит Тейт.

Но в последнее время все больше физиков приходят к мысли, что сверхкритические фазы образуются естественным образом в экстремальных условиях космоса. Сверхтекучесть может быть внутри нейтронных звезд, да и само пространство-время, по мнению некоторых, может быть сверхкритической жидкостью.

Почему бы темной материи не быть таковой?

Чтобы сделать набор частиц сверхкритической жидкостью, необходимо выполнить два условия: упаковать частицы с высокой плотностью и охладить их до чрезвычайно низких температур. В лаборатории физики (или студенты) ограничивают частицы в электромагнитной ловушке, а затем облучают лазерами, чтобы убрать кинетическую энергию и понизить температуру почти до абсолютного нуля.

Внутри галактик роль электромагнитной ловушки будет играть гравитационное притяжение галактики, которое сожмет темную материю достаточно, чтобы удовлетворить критерий плотности. С температурой проще: в космосе очень холодно.

За пределами гало, которые обнаруживаются в непосредственной близости галактик, сила тяжести слабее, а темная материя не будет упакована достаточно плотно, чтобы перейти в сверхкритическое состояние. Она будет действовать как обычная темная материя, объясняя, что видят астрономы в больших масштабах.

Во вращающемся сверхтекучем гелии образуются небольшие вихри

Но что такого особенного в том, что темная материя будет сверхтекучей? Как это особое состояние изменит поведение темной материи? За последние годы многие ученые задумывались над этим вопросом. Но подход Хоури уникален, поскольку демонстрирует, как сверхтекучесть могла бы дать начало новой силе.

В физике, если вы нарушаете поле, вы создаете волну (зачастую). Встряхните несколько электронов — например, в антенне — и вы нарушите электрическое поле и получите радиоволны.

Потревожьте гравитационное поле двумя сталкивающимися черными дырами — и получите гравитационные волны. Точно так же, если вы толкнете сверхжидкость, вы произведете фононы — звуковые волны в самой сверхтекучей жидкости.

Эти фононы рождают дополнительную силу в дополнение к гравитации, аналогичной электростатической силе между заряженными частицами. «Это хорошо, потому что у вас есть дополнительная сила поверх гравитации, при этом внутренне привязанная к темной материи», говорит Хоури.

«Именно это свойство среды из темной материи дает рост этой силе». Она могла бы объяснить странное поведение темной материи в галактических гало.

Еще одна частица темной материи

Охотники на темную материю ищут ее уже давно. Их усилия были сосредоточены на так называемых слабо взаимодействующих массивных частицах, или WIMP. WIMP были популярны, потому что эти частицы не только могли бы объяснить большинство астрофизических наблюдений, но и выходят естественным образом из гипотетических расширений Стандартной модели физики частиц.

Тем не менее никто никогда не видел WIMP, и эти гипотетические расширения Стандартной модели также не показывались в экспериментах, к большому разочарованию физиков.

С каждым новым нулевым результатом перспективы мрачнеют все больше, и физики все чаще рассматривают других кандидатов на темную материю.

«В какой момент мы должны решить, что лаем не на то дерево?», задается вопросом Стейси Макгох, астроном Университета Кейс Вестерн Резерв.

Частицы темной материи, которые подразумевает работа Хоури и Бережиани, решительно не похожи на WIMP. WIMP должны быть довольно массивными для фундаментальных частиц — примерно в 100 протонов массой. Чтобы сработал сценарий Хоури, частицы темной материи должны быть в миллиард раз легче.

Соответственно, во Вселенной их будет в миллиарды раз больше — и этого хватит, чтобы объяснить наблюдаемые эффекты темной материи и достичь плотности, необходимой для образования сверхкритической жидкости. Кроме того, обычные WIMP не взаимодействуют между собой.

Но сверхтекучие частицы темной материи должны будут сильно взаимодействовать.
Ближайшим кандидатом является аксион, гипотетическая сверхлегкая частица с массой, которая может быть в 10 000 триллионов триллионов раз меньше массы электрона.

По словам Чанды Прескод-Вайнштейн, физика-теоретика из Университета Вашингтона, аксионы могли бы теоретически конденсироваться в конденсат Бозе — Эйнштейна. Но стандартный аксион не совсем удовлетворяет нужды Хоури и Бережиани. В их модели частицы должны испытывать сильное отталкивающее взаимодействие между собой.

Типичные модели аксионов взаимодействуют слабо и притягивающе. К слову, «я думаю, все полагают, что темная материя взаимодействует сама с собой на определенном уровне», говорит Тейт. Нужно только понять, сильное это или слабое взаимодействие.

В поисках космической сверхтекучести

Следующим шагом для Хоури и Бережиани станет выяснение того, как проверить их модель — найти говорящую сигнатуру, которая могла бы отличить концепцию сверхкритической жидкости от обычной холодной темной материи. Одна из возможностей: вихри темной материи.

В лаборатории вращающиеся сверхкритические жидкости порождают закрученные вихри, которые продолжаются, не теряя при этом энергии. Гало сверхтекучей темной материи в галактике должны вращаться достаточно быстро, чтобы создавать массивы вихрей.

Если бы эти вихри были достаточно массивными, их можно было бы обнаружить непосредственно.

К сожалению, это маловероятно: последние компьютерные модели Хоури показывают, что вихри в сверхтекучей темной материи будут «довольно хлипкими» и вряд ли будут существовать на самом деле.

Он предполагает, что можно было бы использовать феномен гравитационного линзирования, чтобы увидеть какие-либо эффекты рассеяния, подобно тому как кристалл рассеивает проходящий через него рентгеновский свет.

Астрономы также могли бы поискать косвенные доказательства того, что темная материя ведет себя как сверхкритическая жидкость. С этой целью они будут изучать слияния галактик.

Скорость, с которой галактики сталкиваются между собой, определяется динамическим трением. Представьте массивное тело, проходящее через море частиц. Множество частиц поменьше будут притянуты массивным телом. И поскольку общий импульс системы не изменится, массивное тело должно немного замедлиться, чтобы компенсировать это.

Это происходит, когда две галактики начинают сливаться. Если они подойдут достаточно близко, гало их темной материи начнет проходить одно через другое, и перегруппировка независимо движущихся частиц приведет к динамическому трению, стягивая гало еще ближе. Этот эффект помогает галактикам сливаться и наращивает темпы слияния галактик по Вселенной.

Но если бы гало темной материи было в состоянии сверхкритической жидкости, частицы двигались бы синхронно. И не было бы трения, сближающего галактики, им было бы труднее сливаться. Все это составило бы красноречивую картину: колебания интерференционных картин в распределении материи по галактикам.

Допустимые чудеса

Хотя Макгох положительно относится к идее сверхтекучей темной материи, он признает, что пытаясь так усердно объединить лучшее из обоих концепций, физики могут прийти к «решению Тихо Браге».

Датский астроном 16 века изобрел гибридную космологию, в которой Земля была центром Вселенной, но все остальные планеты вращались вокруг Солнца. Он попытался провести черту между древней системой Птолемея и коперниканской космологией, которая в конечном итоге ее заменила.

Возможно, ученые упускают нечто фундаментальное. Но идея стоит рассмотрения.

Тейт считает новую модель прекрасной в целом, но хотел бы, чтобы она больше конкретизировалась на микроскопическом уровне, до такой степени, чтобы «мы могли все рассчитать и показать, почему все это работает так, как должно работать. Нужно всего лишь несколько чудес», чтобы все встало на свои места.

Возможно, эти чудеса вполне допустимы, но он не уверен.
Хотя ученые экспериментировали со сверхтекучей жидкостью много десятилетий, физики частиц только начинают в полной мере осознавать полезность идей, выходящих из области физики конденсированных сред.

Совместив эту физику с гравитационной физикой, можно было бы разрешить давно бурлящий вопрос темной материи — и кто знает, какие еще прорывы нас ждут?

«Нужны ли мне сверхтекучие модели? Не совсем, — говорит Прескод-Вайнштейн. — Но Вселенная может этим заниматься. Она может естественным образом формировать конденсаты Бозе — Эйнштейна, как и мазеры естественным образом образуются в туманности Ориона. Нужны ли мне мазеры в космосе? Нет, но они прикольные».

ИЛЬЯ ХЕЛЬ
12 комментариев

Источник: https://hi-news.ru

Adblock
detector