Вблизи абсолютного нуля

Советский писатель Даниил Данин написал замечательную книгу о современной физике. Называется она — «Неизбежность странного мира». Данин рассказывает в своей книге о «странном мире» атомов, о каких-то, на первый взгляд, несообразных законах, которым они подчиняются. «Свод законов» для атомов называется квантовой механикой. Это уже третий в нашем рассказе. Первому подчинялись все молекулы, второму — газы. А теперь настала очередь атомов. Мир атомов, оказывается, тоже особенный мир. Скажем, частица, вырываясь из недр атома, совершает «туннельный переход». Это что-то вроде лыжника, который, вместо того чтобы перевалить через гору, странным неведомым путем оказывается на другой стороне ее, минуя вершину. Мы с вами такого чуда совершить не сможем. А для частицы это вполне доступное путешествие. Или, например, такой запрет — измерил скорость частицы, но не можешь определить, где она находится. Для обычной классической механики, к которой люди привыкли на протяжении столетий, квантовая механика кажется наукой наоборот. Но что поделаешь, такова природа микромира — «странного мира» мельчайших частиц вещества.

Чем больше энергия частиц, чем выше температура тела, тем ближе законы, определяющие их совместное поведение к обычным законам механики — науки, изучающей движение тел. А самый главный закон — основа квантовой механики и вообще квантовой теории — состоит вот в чем. Энергия, о которой мы много говорили, передается от одного тела к другому только определенными порциями — квантами. Это напоминает наши денежные расчеты. Нельзя заплатить за карандаш 3,5 копейки. Или 7 1/4 копейки. Меньше, чем копейка, меры денег у нас нет. Так и в обращении между молекулами и атомами. Они могут передавать энергию только определенными порциями. Самая маленькая порция называется квантом. Можно отдать или получить три кванта, десять квантов, тринадцать квантов. Но нельзя отдать, скажем, два с половиной Кванта.

Квантовая теория замечательно объяснила многие совершенно непонятные факты. Она изучает не только поведение отдельных частиц, но и вещества в целом. Когда атомов или молекул много, да еще температура высокая, мы не чувствуем многих тонких квантовых эффектов. Зато, когда температура понижается, их становится все больше. Вот почему при сверхнизких температурах и оказалось столько чудесного. Движутся частицы медленно, почти замерли. Уже нельзя пренебрегать их взаимодействием. Тут-то квантовые законы сильны, как нигде. Частицы объединяются, двигаются вместе. Ученые образно назвали эти объединения ансамблями. Это не молекулы и не сборища одинаковых молекул — вещество, а просто временные объединения частиц.

Много таинственного в области сверххолода разъяснилось, когда стали рассматривать поведение таких объединений. Ведь частицы объединяются не для того, чтобы просто побыть вместе. Они и так недалеко друг от друга. Ансамбль музыкантов занимается одним общим делом. Это оркестр. Так и ансамбль частиц — своеобразный «оркестр частиц». Но исполняют они самую различную «музыку». Сверхпроводимость и сверхтекучесть — свойства таких ансамблей.

Но какие же частички входят туда? Молекулы? Атомы? Или частицы помельче — части разбитых атомов? В науке существует слово «квази». Квази — это вроде, что-то напоминающее. Академик Ландау предположил, что кванты энергии, которыми обмениваются различные тела, напоминают частицы. И назвал их квази-частицами. Затем он сделал еще более интересное предположение. В каждом веществе есть свои квази-частицы. И они образуют там свое собственное объединение. Называется оно — квази-газом.

Молекулы кислорода составляют вещество — кислород. Молекулы водорода — водород. В этом самом кислороде есть и квази-частицы. Только свои, кислородные. Чем выше температура тела, тем больше в нем квази-частиц. Значит, когда вещество нагревается, у него прибывает количество квази-частиц. А когда остывает, их становится меньше. Только не подумайте, что тело при нагревании станет больше весить! Квази-частицы массой не обладают, они невесомы. Мы заметим, что их стало больше только по одному признаку: поднялась температура. Вот и все!

Между прочим, это чем-то напоминает теплород. Помните, как представляли передачу тепла средневековые ученые? От теплого тела к холодному переходит особая жидкость — теплород. Чем ее больше, тем теплее тело, тем выше его температура. А здесь роль теплорода играют квази-частицы. Но, конечно, это не значит, что наука вернулась к старой, отвергнутой теории. Квази-частицы— это развитие квантовой теории, новой передовой теории микромира. Теплород считали определенным веществом. А квази-частицы для каждого тела свои собственные. При переходе квази-частиц от тела к телу они как-то изменяются.