Давайте начнем этот гелий потихонечку охлаждать и смотреть, что при этом происходит. Смотреть просто глазами, никакие приборы нам не понадобятся. Обычно гелий охлаждают, понижая давление над его поверхностью. Для этого гелиевый пар откачивают с помощью специального насоса. Гелий испаряется и скрытая теплота испарения, которая при этом поглощается, приводит к охлаждению жидкости (каждый из нас, наверное, испытывал чувство холода, если подуть на мокрую руку). Гелий постепенно охлаждается и, когда он достигает температуры перехода, которая называется лямбда-точкой, процесс кипения внезапно и полностью прекращается. Жидкий гелий делается таким же спокойным, как вода в стакане. В нем исчезают все пузырьки. Выглядит это, как настоящее чудо и, конечно же, этот переход заметили почти сразу после того, как гелий удалось получить в жидком состоянии.
Очень наглядные и остроумные эксперименты, проведенные Капицей, показали, что это явление связано с практически полным исчезновением вязкости. Гелий становится бесконечно текучим и может протечь через любую, самую, тонкую щель, через любое отверстие. Все это выглядело очень загадочно и не имело никакого сколько-нибудь разумного объяснения. Было, правда, ясно, что это явление не может не иметь квантовой природы.
Все знают о существовании звуковых волн. Такие волны существуют во всех средах, включая и жидкости. Если нас интересуют явления квантовые, мы должны разбить наши волны на самые маленькие возможные порции. Такие квантовые частички звука в твердых телах и жидкостях называются фононами. Уже в те годы про фононы было многое известно. Было известно, например, что фононы, как световые фотоны, не имеют массы покоя. Так же, как и фотоны, фононы всегда двигаются с одной и той же скоростью, которая является скоростью звука. Для фононов, по аналогии с фотонами, можно ввести и импульс. Напомню, что импульс в механике, это произведение скорости на массу, но его можно получить и поделив удвоенную энергию (всем известное эМ-Вэ-квадрат-пополам) на скорость. Если построить зависимость энергии фононов от их импульса, получится прямая линия, проходящая через начало координат, как это показано на рисунке 1. Такая зависимость называется энергетическим спектром фононов.
Рис. 1.
