Есть открытия, которые выглядят почти буднично. Всего-то немного прозрачной жидкости на дне стеклянного сосуда. Но именно с этой малости началась целая область науки — физика сверхнизких температур. А следом пришли явления, которые и сегодня похожи на волшебство: металлы без всякого сопротивления, жидкости, что сами ползут вверх по стенкам. Все это выросло из одного упрямого газа, который десятилетиями не давался ученым в руки.
Гелий — «солнечный» элемент в самом прямом смысле. Его открыли вовсе не на Земле: впервые газ заметили на Солнце. В 1868 году астрономы разглядели неизвестную линию в солнечном спектре и назвали новый элемент в честь Гелиоса, греческого бога Солнца. На нашей планете гелий отыскали заметно позже.
Кто такой Хейке Камерлинг-Оннес
Хейке Камерлинг-Оннес возглавлял кафедру экспериментальной физики Лейденского университета с 1882 года — и превратил свою лабораторию в лучшую в мире «фабрику холода». Работал он основательно, почти по-инженерному. Его девиз звучал так: «Door meten tot weten» — «через измерение к знанию».
За этим девизом стоял целый метод. Оннес избегал единичных эффектных опытов и строил холодильную технику промышленного размаха: компрессоры, теплообменники, хранилища сжиженных газов. Мало кто в ту пору умел получать низкие температуры так стабильно и помногу. Именно эта дотошность и вывела его вперед в одной из самых упорных научных гонок того времени.
Как ученые пытались получить жидкий гелий
К концу XIX века физики один за другим «укрощали» газы, обращая их в жидкость. Кислород, азот, водород — все поддались холоду. Оставался один-единственный упрямец: гелий. Он сжижается при самой низкой температуре из всех, и потому был крепким орешком.
За право первым покорить гелий боролись двое. В Лондоне — знаменитый Джеймс Дьюар, изобретатель того самого сосуда Дьюара, предка обычного термоса. В Лейдене — Камерлинг-Оннес. Поначалу вперед вырвался британец: именно Дьюар первым получил жидкий водород еще в 1898 году, а Оннес добрался до этого рубежа только в 1906-м.
С гелием вышло иначе. Дьюару, что называется, не хватило самого гелия — газ редкий, а стабильного источника под рукой не оказалось. У Оннеса же снабжение было налажено. И в решающий момент лейденская лаборатория оказалась готова лучше.
Как впервые получили жидкий гелий: эксперимент 1908 года
Работа началась на рассвете. Сперва предстояло наготовить жидкого водорода — им предварительно охлаждали установку. К половине второго дня в сосудах Дьюара скопилось около двадцати литров этого драгоценного холода. Только после этого настал черед героя дня — гелия.
День выдался изматывающий. Оннес так и не выкроил минуты на обед — рассказывают, что жена Бетси приходила в лабораторию и подкармливала мужа кусочками хлеба прямо у приборов. А гелий все не желал сдаваться.
И вот, ближе к вечеру, при температуре около четырех градусов выше абсолютного нуля, на дне сосуда блеснула жидкость. Ее было совсем немного — около шестидесяти кубических сантиметров, неполный стакан. Казалось бы, всего стакан — а сколько за ним труда. Поначалу Оннес с трудом разглядел заветную поверхность: жидкий гелий настолько прозрачен, что почти невидим. Позже, откачивая пары, физик опустил температуру примерно до полутора градусов от абсолютного нуля — самой холодной точки на всей планете в те годы.
Полтора градуса от абсолютного нуля, которых достиг Оннес, долгие годы оставались рекордом холода на Земле. А та самая установка, на которой сжижали гелий, сохранилась — сегодня ее можно увидеть в лейденском музее Бургаве.
Как жидкий гелий привел к открытию сверхпроводимости
Сам по себе жидкий гелий интересовал Оннеса меньше, чем то, что с его помощью открывалось. Это был пропуск в область почти абсолютного холода, куда прежде не заглядывал никто. И там науку ждал сюрприз.
В 1911 году Оннес охлаждал в жидком гелии замороженную ртуть и следил за ее электрическим сопротивлением. У отметки в четыре с небольшим градуса выше абсолютного нуля сопротивление вдруг пропало. Полностью, без остатка. Ток мог бы течь по такому проводнику вечно, ничего не теряя. Так родилось понятие сверхпроводимости — одно из главных открытий физики XX века. В 1913 году Камерлинг-Оннес получил за свои работы по низким температурам Нобелевскую премию.
У этой истории есть и яркое отечественное продолжение. Открытый Оннесом эффект поначалу казался хрупким: сильное магнитное поле легко его разрушало. Ключ к разгадке подобрали лишь к середине XX века. В 1957 году советский физик Алексей Абрикосов описал сверхпроводники второго рода — те, сквозь которые магнитное поле проходит тончайшими нитями-вихрями, выстроенными в правильную решетку. Эти «вихри Абрикосова» и объяснили, почему такие материалы не боятся мощных полей и годятся для по-настоящему сильных магнитов. Опирался ученый на теорию, что незадолго до того заложили Виталий Гинзбург и Лев Ландау. А в 2003-м и Абрикосов, и Гинзбург стали нобелевскими лауреатами — вместе с британцем Энтони Леггетом. О самом физике и его вихрях Наука Mail рассказывала подробно.
Сверхтекучесть жидкого гелия: открытие Петра Капицы
История жидкого гелия на этом не закончилась — самое странное было впереди. В 1937—1938 годах советский физик Петр Капица (кстати, родившийся 8 июля) обнаружил у переохлажденного гелия и вовсе фантастическое свойство. Ниже определенной температуры жидкость становилась сверхтекучей: текла без малейшего трения, просачивалась сквозь мельчайшие щели и упрямо выползала вверх по стенкам сосуда, будто не признавая гравитацию. За это открытие Капица позже удостоился Нобелевской премии.
Тот самый гелий Камерлинг-Оннеса служит науке и технике до сих пор. Им охлаждают сверхпроводящие магниты — в томографах, что стоят в больницах, и в Большом адронном коллайдере. Неполный стаканчик прозрачной жидкости, добытый в 1908 году, вырос в опору современных технологий.
Гелий-3: почему этот изотоп считают топливом будущего
У гелия есть редкий «брат» — изотоп гелий-3. На Земле его почти нет, зато на Луне он копился миллиардами лет: солнечный ветер приносит его к поверхности, а магнитного поля и атмосферы, которые заслонили бы нашу планету, у Луны нет. Именно поэтому гелий-3 нередко называют топливом будущего.
Расчет такой: в термоядерном реакторе гелий-3 в паре с дейтерием мог бы давать энергию почти без опасного нейтронного излучения. Заманчиво — чистая и мощная энергетика. За этот приз уже присматриваются и государства, и частные компании, мечтающие однажды добывать изотоп прямо на Луне.
Отчасти поэтому вокруг Луны снова разгорается соперничество, какого не было со времен «Аполлонов». США со своей программой «Артемида» и Китай, обещающий высадить тайконавтов к концу десятилетия, идут почти ноздря в ноздрю. Обе стороны целятся на рубеж 2028–2030 годов. Глава NASA Джаред Айзекман прямо признал: гонка идет, и Китай движется с огромной скоростью. О том, как в самом агентстве оценивают шансы догнать соперника, Наука Mail рассказывала отдельно.
Стоит, правда, добавить трезвую ноту. Гелий-3 на Луне рассеян крайне тонко — считанные частицы на миллиард, а доставка каждого литра обошлась бы в баснословные суммы. Да и сам термоядерный синтез на гелии-3 пока остается мечтой инженеров, до рабочей технологии тут далеко. Так что «лунное топливо» — скорее далекий горизонт, чем завтрашний день. Но именно такие горизонты и двигают науку вперед — ровно как когда-то двигал ее упрямый газ на дне лейденского сосуда.
Ранее Наука Mail рассказала о еще более дерзкой космической затее — межзвездных радиопосланиях, которыми человечество от «Космического зова» до наших дней пытается докричаться до других миров.