Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

Kapica a Landau

.časopis .veda

Plynné hélium objavili Briti, tekuté Holanďania a supratekuté Rusi. Kľúčovú úlohu v ruskej fyzike nízkych teplôt hral experimentátor, ktorý prišiel z Anglicka, teoretik, ktorý prišiel z Dánska, a mráz, ktorý prichádzal z Kremľa.

Plynné hélium objavili Briti, tekuté Holanďania a supratekuté Rusi. Kľúčovú úlohu v ruskej fyzike nízkych teplôt hral experimentátor, ktorý prišiel z Anglicka, teoretik, ktorý prišiel z Dánska, a mráz, ktorý prichádzal z Kremľa.


Základná chronológia experimentálneho objavu a následného teoretického vysvetlenia supratekutosti hélia je takáto: V roku 1921 odchádza mladý ruský fyzik Pjotr Leonidovič Kapica do Cambridge, kde sa stáva Rutherfordovým študentom a neskôr blízkym spolupracovníkom. V roku 1929 získava iný mladý ruský fyzik, Lev Davidovič Landau, Rockefellerovo štipendium, ktoré mu umožňuje poldruharočný pobyt v západnej Európe, kde sa v Kodani stáva blízkym spolupracovníkom Nielsa Bohra. V roku 1934 je Kapicovi pri pravidelnej návšteve Sovietskeho zväzu odobratý pas a vo svojich výskumoch môže pokračovať len na novozaloženom ústave v Moskve. V roku 1937 odkupuje sovietska vláda od Rutherforda celé Kapicovo experimentálne zariadenie a krátko na to Kapica objavuje supratekutosť hélia. V roku 1938 zatýka KGB Landaua za prípravu letáku, v ktorom nazýva stalinský režim fašistickým. V roku 1939 je Landau prepustený po Kapicovej intervencii u Molotova (predchádzajúca Kapicova intervencia u Stalina nebola úspešná). V roku 1941 objasňuje Landau jav supratekutosti pomocou kvantovej mechaniky a štatistickej fyziky. V roku 1962 je Landauovi udelená Nobelova cena za jeho priekopnícke teórie, týkajúce sa najmä kvapalného hélia. V roku 1978 je Kapicovi udelená Nobelova cena za jeho objavy v oblasti fyziky nízkych teplôt.

.experimentálne prekvapenia
Základnou vlastnosťou tekutín je, že ak môžu, tak tečú. Nie všetky to však robia rovnako ochotne. Med je vyslovene lenivý, olej je dôstojne rozvážny, voda je celkom svižná a kvapalné hélium tečie s neskrývaným nadšením. Čo sa týka ochoty tiecť, je kvapalné hélium oproti vode zhruba to, čo je voda oproti medu. Túto ohromnú tekutosť kvapalného hélia však ešte nenazývame supratekutosťou. Toto slovo opisuje onakvejší fenomén.
Mieru lenivosti nazývajú fyzici viskozitou. Med má určitú viskozitu, voda ju má tisíckrát menšiu a kvapalné hélium ešte tisíckrát menšiu. Ale supratekuté hélium má viskozitu nulovú – úplne nulovú.

Čo treba s héliom spraviť, aby získalo túto neuveriteľnú vlastnosť? Nič svetoborné, stačí ho len trochu ochladiť. A s ochladzovaním hélia ľudia vlastne nikdy neprestali. Rozhodne sa nezastavili pri teplote 4,2 stupňa nad absolútnou nulou, pri ktorej sa im podarilo hélium skvapalniť. Ďalším ochladzovaním chceli zistiť, pri akých teplotách hélium zamŕza. Zistili, že pri normálnom tlaku nezamŕza nikdy. To bolo samo osebe veľmi zaujímavé. Pri týchto výskumoch však narazili na čosi ešte zaujímavejšie.
Keď hélium ochladili na 2,2 stupňa nad absolútnou nulou, začalo sa s ním diať čosi zvláštne. Mnohé jeho vlastnosti sa odrazu prudko zmenili. Zmenila sa hustota (dovtedy so znižovaním teploty postupne rástla, naraz začala klesať), z ničoho nič ustala tvorba bubliniek, zmenili sa elektrické aj tepelné vlastnosti (tie druhé naozaj dramaticky). Postupne získali fyzici veľké množstvo experimentálnych údajov svedčiacich o tom, že hélium sa pri tejto teplote zásadne mení. Tridsať rokov im však nebolo jasné, čo je podstatou tejto zmeny. Až kým Kapicovi nenapadlo rafinovaným spôsobom veľmi presne odmerať viskozitu hélia pri teplote nižšej ako tých 2,2 stupňa. A nameral nulovú viskozitu.
Nulová viskozita znamenala, že ak bola v nádobe s kvapalným héliom aj najmenšia dierka alebo netesnosť, hélium tadiaľ okamžite vytieklo. A nielen to, hélium vytieklo z otvorenej nádoby aj keď v nej neboli nijaké netesnosti. Jednoducho sa vyšplhalo po stenách, a potom stieklo po ich vonkajšej strane. Bolo to veľmi prekvapujúce správanie a to bol len začiatok.
Len čo si fyzici na supratekutosť zvykli, s prekvapením zistili, že sa nevyskytuje všade tam, kde by ju očakávali. V niektorých experimentoch sa hélium správalo ako supratekuté, v iných sa za rovnakých vonkajších podmienok správalo ako obyčajná kvapalina. Systém skladajúci sa z úplne jednoduchých atómov vykazoval prekvapujúco zložité vlastnosti.

.teoretické prekvapenia
To, že sme vlastnostiam supratekutého hélia nakoniec dokázali porozumieť, je tiež prekvapujúce. Dokonca viac, než by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Ide o to, že porozumieť kvapalinám je vo všeobecnosti veľmi ťažké. Plyny aj tuhé látky sú z teoretického hľadiska oveľa jednoduchšie. Tam vieme na základe vlastností atómov a molekúl, z ktorých sa tieto látky skladajú, povedať dosť veľa o vlastnostiach látok samotných. Pre kvapaliny je to oveľa zložitejšie, a to aj pre celkom jednoduché kvapaliny. V prípade niečoho takého bizarného ako supratekuté hélium vyzerali byť šance na uspokojivé teoretické vysvetlenie takmer nulové.
Nakoniec to však dopadlo tak, že supratekutému héliu rozumieme lepšie než ktorejkoľvek inej kvapaline. Dôvod je jednoduchý: supratekuté hélium sa v určitom zmysle podobá na plyn.
Ako prvý si to všimol Fritz London, jeden z mnohých fyzikov, ktorí z Nemecka utiekli pred Hitlerom. London ukázal, že ak bude považovať kvapalné hélium za plyn, dokáže vypočítať mnohé jeho vlastnosti a že výsledky sa nápadne podobajú na to, čo o kvapalnom héliu zistili experimentátori. Londonova myšlienka bola založená na jednoduchej kombinácii kvantovej mechaniky a štatistickej fyziky (poznámka pre znalcov: reč je o Bose-Eisteinovej kondenzácii) a bola svojím spôsobom skutočne krásna. Jedinou chybičkou krásy bolo, že považovať kvapalné hélium za plyn bolo úplne absurdné.
O to prekvapujúcejšie bolo, keď maďarský fyzik László Tisza (ktorý tiež emigroval do USA) rozpracoval Londonovu myšlienku a zhoda teórie s experimentom sa ešte vylepšila. Tiszova teória mala síce formálne podobu teórie s dvoma druhmi kvapaliny (hélium sa v nej skladalo z dvoch kvapalín – normálnej a supratekutej), ale celé to bolo založené na predstave, že kvapalné hélium je plyn.
Práve vtedy vstupuje na scénu Landau, ktorý úplne odmieta predstavu plynu a prichádza s vlastnou teóriou. Aj v jeho prípade ide o kombináciou kvantovej a štatistickej fyziky, aj v jeho prípade je výsledkom teória s dvoma druhmi kvapalín a aj v jeho prípade je to celé založené na existencii akéhosi plynu. Avšak Landauov plyn nie je skutočný plyn atómov hélia, je to len formálny plyn, ktorý sa pri nízkych teplotách správa rovnako ako kvapalné hélium (poznámka pre znalcov: reč je o plyne elementárnych excitácií kvapalného hélia).
Landauova teória sa v niektorých predpovediach výrazne líšila od Tiszovej teórie a následné experimentálne overovanie dopadlo jednoznačne v Landauov prospech.

.lingvistické prekvapenia
Keď sa človek prvý raz začíta do knihy alebo započúva do rozhovoru o fyzike kovov, polovodičov, supravodičov, kvantových kvapalín a podobne, bude zrejme prekvapený množstvom slov, o ktorých existencii dovtedy netušil. Bude sa to len tak hemžiť všelijakými fonónmi, rotónmi, polarónmi, plazmónmi, excitónmi, magnónmi a tak ďalej. Všetko sú to príklady takzvaných elementárnych excitácií, ktoré zaviedol do fyziky Landau vo svojej teórii supratekutosti.
Landau nevytvoril len teóriu jednej pozoruhodnej vlastnosti hélia. Jasnozrivou kombináciou kvantovej a štatistickej fyziky vytvoril nový slovník, mimoriadne vhodný na opis neuveriteľne širokého spektra rôznorodých javov. To by človek na to hélium hádam ani nepovedal.

.martin Mojžiš
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia
.posledné
.neprehliadnite