Вблизи абсолютного нуля

В воде звук распространяется быстрее почти в четыре раза. В твердых телах ему надо еще меньше времени.

Получили ученые жидкий гелий и стали его всячески обследовать. Дошла очередь и до звука. Тут-то и ждал ученых очередной сюрприз. Опять-таки гелий продемонстрировал свои чудесные свойства.

У него оказалось две скорости звука.

Обычная — она называется первым звуком.

И второй звук, это как раз и будет скорость, с которой в гелии распространяется тепло.

Думаете, чудеса на этом кончаются? Не тут-то было! Вот, пожалуйста, еще одно из чудес.

Фонтан в криостате

Все опыты с жидкими газами сверхнизкой температуры производят в особых установках — криостатах.

Криостат — сосуд, в котором физики поддерживают нужную температуру. Зорко следят, чтобы тепло не попало туда со стороны. А если появится внутри сосуда лишняя тепловая энергия, тотчас же отводят ее, изгоняют!

В общем, задача криостата ясна — температура должна быть строго постоянной. Чтобы достичь этой цели, ученые пускаются на всякие хитрости.

Очень тяжело работать вблизи абсолютного нуля. Тут, как нигде, требуются очень умные руки. Даже для конструирования криостатов существует целая наука. А ведь по сути дела — это даже не аппаратура, а просто подготовка рабочего места. Но рабочее место особенное. Слишком уж низка его температура, слишком трудно ее достичь и сберечь.

В одном из таких криостатов можно увидеть, как работает необычайный фонтан. Участник этого трюка, конечно, гелий. Фонтан интересен еще и тем, что возникает он совершенно неожиданно.

В дьюаре покоится жидкий гелий. Внутри жидкости V-образная трубка. Такие трубки часто используются в лабораториях: различные газовые термометры, измерители давления — манометры — все это трубки, колена которых заполнены ртутью или другими жидкостями. Там, где трубка выступает из гелия, на нее надевают пористую пробку, через которую жидкость просачиваться может. Второе, короткое колено трубки погружено в жидкий гелий.

Художник нарисовал нам эту картину. Вот она, трубка, внутри нее — пористая пробка, а тонкое жало тянется вверх из жидкости.

У верхнего края, там, где начинается жалообразное сопло, пробку немного нагревают. Нагревание, конечно, небольшое, чтобы гелий не закипел. И вот неожиданно из сопла вырывается форменный фонтан — струя жидкого гелия. На несколько сантиметров вверх брызжет этот необычайный фонтан.

Почему он появляется?

Тоже загадка!

И таков весь жидкий гелий. Что бы с ним ни случилось, все чудеса, все фантастика.

Только не подумайте, пожалуйста, что ученые, изучающие жидкий гелий, только и делают, что ахают и разводят руками, когда вдруг встречаются с такими фантастическими явлениями.

Они научились объяснять эти чудеса. Так что для тех, кто часто сталкивается с самой холодной на земле жидкостью, она уже стала обычной. Точно так же, как и сама температура в четыре градуса Кельвина, как само близкое соседство с абсолютным нулем.

Ученые не остановились на температурах сжиженного гелия. Они пошли еще дальше. Сейчас до абсолютного нуля остались сотые доли градуса. Но твердый гелий при обычных условиях не образуется. Только при давлении в несколько атмосфер удалось заставить упрямое вещество затвердеть. Можно считать, что на земле нет ни одного вещества, которое вблизи абсолютного нуля остается газом или жидкостью.

Любое вещество ученые могут получить и в жидком, и в газообразном, и в твердом видах. А так же и в плазменном.

Пятьдесят лет поисков

Пятьдесят лет назад, когда ученые уже подобрались к абсолютному нулю, они натолкнулись на одно загадочное явление. Вы видите, какой это необычайный мир — Мир Сверххолода. Кругом подстерегает путешественника Необычайное, Невероятное!

В отличие от чудес жидкого гелия, это явление уже нашло практическое применение. Но ученые сначала научились им пользоваться, а потом уже объяснили.

Существуют два раздела физики, необычайно тесно связанные друг с другом. Это — электричество и магнетизм. И связь явлений электрических магнитных особенно поразительна как раз вблизи абсолютного нуля.

Уже более ста лет пользуются люди чудесной электрической энергией. Вот тут уж действительно перед нами самый мощный, самый мудрый, самый нужный помощник человека. Без электрической энергии мы бы ничего не смогли делать. В любых делах человека — дома, на работе, на отдыхе — помогает электричество. Даже на космических ракетах, на спутниках Земли стоят маленькие электрические батареи и аккумуляторы, которые питают межпланетные корабли и искусственные спутники электрической энергией.

Пока что энергия электрическая самая удобная, самая распространенная. Ее можно передавать на любые расстояния, делить на части, соединять и даже заготовлять впрок, правда, в небольших количествах.

Когда мы включаем свет, в нашу лампу попадает электрический ток. Ток прекратится, когда станция перестанет подавать электрическую энергию или когда мы снова щелкнем выключателем и разомкнем электрическую цепь.

Батарея карманного фонаря питает маленькую лампочку. Если фонарь перестает работать, вы говорите: «Скисла батарея» и идете покупать новую. Электрический ток сразу же прекращается, если разрядится батарея, перестанет работать электростанция, произойдет разрыв в линии электропередач.

Почему же так получается?

В каждом проводнике имеются носители электричества — электроны. Это тоже атомные частицы. В атомах они обычно тесным роем окружают ядра, вращаются вокруг него. Но в проводниках часть электронов — свободная. Ведут они себя, как молекулы в газе. Их так часто и называют — «электронный газ». Это название точное. Ведь внутри проводника электроны свободно носятся во все стороны, не связанные ничем. Им не удается лишь выбраться наружу, выскочить из провода. Так же чувствуют себя и молекулы обычного газа, подлетая к стенкам сосуда, в котором расположился газ.

Когда мы включаем на электростанции рубильник или подсоединяем к лампочке карманного фонаря батарею, мы создаем электронам особые условия. В проводнике появляется электрическое поле. Вокруг Земли есть поле тяготения. Все предметы поэтому приближаются к Земле, падают вниз, если это можно. Электрическое поле действует на электрические частички — электроны, гонит их вперед. При токе переменном электроны бросаются то в одну сторону, то в другую. А при токе постоянном перемещаются с одного конца проводника к другому.

Но путешествовать электронам не так-то просто. На пути встречаются другие электроны и атомы металла, и электронам приходится преодолевать их сопротивление. Чем сопротивление меньше, тем меньше потери электрической энергии в проводах.

Когда издалека ведут линию передачи электроэнергии, провода делают очень толстыми, чтобы сопротивление уменьшить. Тогда в пути от электростанции к потребителям электрическая энергия не растратится зря.

У всякого проводника определенное сопротивление. Правда, оно зависит от температуры. Но не очень сильно. Заметим еще одно. Чем сопротивление меньше, тем больший ток потечет по проводнику.

Вот теперь перейдем к магнетизму.

Магнитную стрелку знает каждый. И электромагнит тоже каждый видел. Ничего таинственного в этих предметах нет. Компас указывает нам страны света. А почему? Почему магнитная стрелка упорно становится в одном направлении? Потому, что она попадает в магнитное поле Земли. Так отвечает вам учебник.

Земля — магнит. Это свойственно далеко не всякой планете. Вот, например, у Луны нет магнитных свойств.

Это установила наша лунная ракета. Нет сильного магнитного поля и у нашей соседки — Венеры, определил недавно американский космический корабль «Маринер-2».

Вокруг всякого магнита имеется магнитное поле. По этому полю и узнают, является ли планета магнитом. Видите, сколько разных полей может существовать в природе. Поля тяготения, электрическое, магнитное. Компас нам указывает, как на Земле расположено магнитное поле, где Северный полюс, а где — Южный. Вот на Луне путешественникам придется потруднее. Вынимаем компас. Но не тут-то было! Стрелка компаса «гуляет» в разные стороны, как хочет. Магнитного поля у Луны нет. Придется находить путь другими способами.