Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Когда давление паров над поверхностью жидкого водорода упало до пяти миллиметров ртутного столба, в жидкости появилось некоторое подобие пены, которая при дальнейшей откачке превратилась в прозрачную твердую массу.
Представьте себя в роли участника марафонского бега, который, опередив всех своих соперников, первым пересекает линию финиша. Вы ликуете, но тут подбегает судья и заявляет, что линия финиша перенесена и вам предстоит продолжать утомительный бег.
Примерно в таком положении и очутился Дьюар. Получив жидкий водород, он не сомневался, что сделал последний решающий шаг на пути к абсолютному нулю. Но его собственные последующие эксперименты показали, что он ошибся. Водород не был газом, имеющим минимальную температуру кипения (по современным данным температура кипения жидкого водорода 20,4К).
Предстоял следующий этап исследования — сжижения гелия.
Гелий принадлежит к так называемым инертным газам. На Земле его содержится очень мало. Впервые он был обнаружен на… Солнце (откуда и его название: по — гречески «гелиос» — «солнце») в 1868 году при спектральном исследовании солнечной короны.
Лишь в 1895 году английскому химику У. Рамзаю удалось обнаружить гелий на Земле, выделив его из минерала клевеита.
В дальнейшем выяснилось, что и некоторые другие минералы, и природные газы содержат в небольших количествах гелий. «Солнечный газ» был обнаружен также в земной атмосфере, но в мизерной концентрации — менее 0,001 %.
Эксперименты показали, что открытое вещество — гелий остается газообразным даже при таких низких температурах, которые соответствуют твердому состоянию водорода. Предварительные оценки, сделанные в то время различными исследователями, показали, что температура кипения гелия лежит между 2К и 6К (по современным данным температура кипения гелия, при нормальном атмосферном давлении, 4,2К).
В 1908 году Дьюар публикует статью, где описывает все сложности, с которыми ему пришлось столкнуться при проведении экспериментов по сжижению гелия. И все же тон статьи — оптимистичный. Дьюар полон надежды добиться успеха.
Однако резким диссонансом с содержанием статьи прозвучало завершающее ее примечание, сделанное уже при корректуре: «10 июля 1908 года доктор Камерлинг — Оннес из Лейденского университета осуществил сжижение гелия». У самого финиша Дьюара обошел его более счастливый соперник.
…В то время как в стенах старинного Яглонского университета в Кракове в трубке аппарата Вроб- левского и Ольшевского «спокойно кипел кисло- ррд», а в Королевском институте в Лондоне на своей лекции по пятницам, словно фокусник на эстраде, Дьюар демонстрировал, как в его сосуде, будто из «ничего», возникали капли жидкости, в одной из аудиторий университета в голландском городе Лейдене собралось несколько молодых людей.
Нет, здесь не демонстрировались эффектные опыты. Не было и аппаратуры, если не считать большой черной доски. Но присутствующие с вниманием следили за рассказом профессора, внешне похожего на их сверстника.
Извилистыми линиями одна за другой ложатся на доску изотермы[3] реального газа. Лектор соединяет точки на диаграмме, и, словно на географической карте, возникают области различного фазового состояния вещества (газ, жидкость, пар). Рядом ровными строчками выстраиваются формулы.
— Для того чтобы построить изотермы газов, которые мы намерены сжижать, — говорит профессор, — требуется исключительная точность измерений. Отныне девиз «к знанию через измерение» будет начертан на двери нашей лаборатории.
Так закончил профессор свое первое собеседование с молодыми физиками и инженерами, составившими костяк организованной им криогенной лаборатории.
Если бы соревнование на пути к абсолютному нулю проводилось по всем правилам спортивных состязаний, то именно в этот день в судейский протокол должна была бы быть внесена фамилия нового соревнующегося: Гейке Камерлинг — Оннес.
Молодой нидерландский ученый (он родился в 1853 году) уже успел зарекомендовать себя рядом многообещающих работ.
Подобно опытному полководцу, Оннес понимал, что к штурму абсолютного нуля невозможно приступить без серьезной подготовки, без максимальной мобилизации всех наличных людских и материальных ресурсов.
Оннес организовал при своей лаборатории школу прибористов и стеклодувов. Подготовив квалифицированный вспомогательный персонал, он мог проводить в лаборатории задуманные опыты.
В 1892–1894 годах в лаборатории была сконструирована громадная ожижительная четырехкаскадная установка для кислорода, азота и воздуха. Она была настолько совершенна и имела такую производительность, что смогла удовлетворять потребности Лейденской лаборатории на протяжении более тридцати лет.
Неуклонно продвигается Оннес к цели. Водород в ощутимых количествах он ожижает лишь в 1906 году, спустя восемь лет после Дьюара. Однако Лейденская установка была значительно более надежной и производительной — она выдавала до четырех литров жидкого воздуха в час. По сравнению с ней аппараты Дьюара и Ольшевского выглядели детскими игрушками. Теперь Оннес мог создавать без перебоев огромные количества жидкого воздуха и жидкого водорода.
Оннес сумел получить и необходимое количество чистого гелия, что само по себе было немалым достижением: запасы этого редкого газа на земном шаре в то время оставались весьма и весьма ограниченными.
Наконец час решающего эксперимента пробил.
Небольшой голландский город Лейден славен своими научными традициями.
Недаром его именем назван один из первых физических приборов — лейденская банка, прототип современного конденсатора.
Однако мало кто из лейденских жителей мог предполагать, что в этот день — 10 июля 1908 года — в старинных стенах Лейденского университета происходит событие важного научного значения.
Накануне были заготовлены необходимые для начала эксперимента 75 литров жидкого воздуха.
«5 часов 45 минут утра. Установка настроена на сжижение водорода.
13 часов 30 минут. Завершено сжижение 20 литров водорода, необходимых для использования в гелиевом ожижителе.
16 часов 30 минут. Начинается циркуляция жидкого гелия».
Эти короткие, словно строки боевого рапорта, записи в лабораторном журнале отнюдь не отражают подлинную картину волнующих событий, предшествующих покорению последней крепости на пути к абсолютному нулю.
При предварительном охлаждении аппаратуры с помощью жидкого водорода требовалась исключительная осторожность. Случайное проникновение в систему ничтожного количества атмосферного воздуха при осуществлении одной из многочисленных операций поставило бы заключительный эксперимент под угрозу срыва.
Войдя в контакт с жидким водородом, воздух мог бы отвердеть и примерзнуть к стеклу гелиевого сосуда, что помешало бы дальнейшему наблюдению. Но этого не случилось. Тщательно отлаженная аппаратура работала безукоризненно.
Во внутреннем криостате ожижителя в качестве индикатора был размещен особый термометр, показывающий, насколько успешно проходит эксперимент.
В течение длительного времени индикатор почти не смещался, и создавалось впечатление, что нет даже малейшего признака охлаждения. Проводились всевозможные манипуляции с регулированием расширительного клапана и корректировкой давления, пока наконец не было замечено постепенное снижение температуры. Казалось, что температура центрального сосуда падает медленно и скачкообразно, а затем снижение температуры и вовсе прекратилось. И хотя уже был израсходован весь имеющийся в наличии жидкий водород, никакого признака сжижения гелия не наблюдалось.
Трудно описать уныние, охватившее всех участников эксперимента. Похоже было на то, что попытка сжижения гелия потерпела крах.
Между тем университет весь день жил слухами, что идет выдающийся эксперимент, и коллеги Оннес а устремились в его лабораторию, чтобы собственными глазами увидеть, как обстоит дело.
Когда стало казаться, что эксперимент обречен на неудачу, один из профессоров университета высказал догадку, что отсутствие отклонения индикатора объясняется тем, что он погружен в кипящую жидкость.
— Может быть, гелий всё‑таки сжижен, но его просто не видно? — спросил он.
К счастью, одному из участников эксперимента пришла в голову мысль осветить сосуд снизу. И вдруг неожиданно появился уровень жидкости, теперь ясно различимый благодаря отра — женйю света снизу. Центральный сосуд был почти полностью заполнен жидким гелием.
Последняя крепость на пути к абсолютному нулю была взята.
В первом эксперименте было получено более 60 кубических сантиметров жидкого гелия.
Перед завершением опыта Оннес сделал попытку получить гелий в твердом состоянии, осуществляя дальнейшее понижение температуры путем уменьшения давления в объеме, где кипела жидкость. С этой целью он испарял жидкость до тех пор, пока ее осталось лишь 10 кубических сантиметров. Затем подсоединил криостат к сильному вакуумному насосу, понижающему давление над кипящей жидкостью до одной сотой атмосферного. И… никаких признаков затвердения гелия!
