остается жидким. И это вполне объяснимо. Хотя обычно утверждают, что при абсолютном нуле прекращается всякое движение атомов и молекул, квантовая механика показывает, что очень небольшое остаточное движение все-таки есть. Этой малой энергии достаточно, чтобы гелий оставался в жидком состоянии. Но при температуре 1° по Кельвину и давлении около 25 атмосфер гелий становится твердым.
Жидкий гелий может проявлять и более любопытные свойства, чем просто устойчивость к низкой температуре; при охлаждении до температуры ниже 2,2° по Кельвину свойства его неожиданно меняются. Во-первых, гелий внезапно становится почти отличным проводником тепла. В любой обычной жидкости в пределах нескольких градусов от температуры кипения всегда существуют более горячие участки, где тепло аккумулируется быстрее, чем отводится. Появляются пузырьки пара, и начинается знакомое нам «волнение», которое мы связываем с кипением.
Гелий, имеющий температуру выше 2,2° по Кельвину (гелий-I), ведет себя точно так же. Однако гелий, охлажденный до температуры ниже 2,2° по Кельвину (гелий-II), испаряется без каких-либо волнений; слои атомов срываются прямо с поверхности. Теплопроводность этой жидкости (гелий-II) настолько высока, что ни одна ее часть не может быть значительно теплее другой и пузырьки не появляются вовсе.
Еще одна особенность: гелий-II практически не вязок. Он течет лучше, чем газ, и проходит сквозь такие отверстия, через которые газ не может проникнуть. Если его заключить в открытый сосуд, то он сперва покроет тонким слоем его внутренние стенки, как бы поползет по ним вверх, затем перельется через край и стечет по внешней стенке с такой скоростью, как будто он льется через отверстие в дне этого сосуда. Это явление называется сверхтекучестью.
При охлаждении до температуры жидкого гелия необычные свойства проявляются и у других элементов. В 1911 году Каммерлинг-Оннес определял электрическое сопротивление ртути при температуре жидкого гелия. Сопротивление падало вместе с температурой, и Каммерлинг-Оннес, хотя и предполагал, что оно упадет до невиданно низкого уровня, все же не ожидал его полного исчезновения. Однако это произошло. При температуре 4,12° по Кельвину электрическое сопротивление у ртути полностью исчезло. Это явление называется сверхпроводимостью.
Не только ртуть, но и другие металлы можно сделать сверхпроводниками. Есть несколько веществ, которые могут стать сверхпроводниками при температуре жидкого водорода. Некоторые сплавы ниобия становятся сверхпроводимыми уже при температуре 18° по Кельвину.
Сверхпроводимость влечет за собой появление нового качества, связанного с магнитным полем. Некоторые вещества диамагнитны, то есть они, по-видимому, отталкивают магнитные силовые линии. Через такие вещества проходит меньше силовых линий, чем через вакуум равного объема. А вещества, обладающие сверхпроводимостью, к тому же и совершенно диамагнитны; силовые линии через них вообще не проходят.
Однако, если создать достаточно сильное магнитное поле, некоторые силовые линии в конце концов смогут проникнуть в диамагнитное вещество, и тогда стоит нарушить одно необычное свойство, как все прочие идеальные свойства, включая сверхпроводимость, также меняются. (Странно говорить о совершенстве в природе. Обычно совершенство — это мечта теоретика: идеальный газ, идеальный вакуум и так далее. И только при температуре жидкого гелия в реальном мире, по-видимому, появляется подлинное совершенство.)
На явлении сверхпроводимости основано изобретение маленького устройства, которое действует как выключатель. В простейшем виде оно состоит из тонкой танталовой проволочки, намотанной на проволоку из ниобия. Если опустить это устройство в жидкий гелий, то ниобиевая проволока приобретает свойство сверхпроводимости, что позволяет пропускать по ней очень слабый электрический ток. Однако это свойство сохраняется только до тех пор, пока тока нет в танталовой обмотке. В противном случае создается магнитное поле, которое нарушает сверхпроводимость, и ток перестает течь по ниобиевой проволоке.
Если такой «криотрон» соответствующим образом отрегулировать, то его можно применять вместо электронных ламп или транзисторов. Крошечные приборы, состоящие из хитро сплетенных проволочек, смогут заменить большое число транзисторов и громоздких электронных ламп. Сложнейшая вычислительная машина будущего, вполне вероятно, будет величиной с письменный стол или даже меньше, если только ее полностью «криотронизируют».
Единственный недостаток такой машины заключается в том, что она может работать, только если ее целиком погрузить в жидкий гелий. Жидкий гелий будет при этом непрерывно испаряться, и каждая вычислительная машина станет в этих условиях причиной постоянного уменьшения запасов земного гелия.
Естественно, сразу возникает вопрос: а хватит ли на Земле гелия, чтобы поддерживать работу таких вычислительных машин, если они будут широко использоваться человечеством?
Главным и, в сущности, единственным источником не только гелия, но всех инертных газов является земная атмосфера, которая содержит на каждый миллион граммов:
аргона … 12 800 граммов
неона … 12,5 грамма
криптона … 2,9 грамма
гелия … 0,72 грамма
ксенона … 0,36 грамма
радона … следы
Это означает, что всего в атмосфере имеется 4 500 000 000 тонн гелия. На первый взгляд эта цифра может показаться весьма внушительной, пока мы не вспомним, как сильно разбавлен этот гелий другими компонентами воздуха — кислородом и азотом. Гелий можно получать из жидкого воздуха, но ценой страшно больших затрат.
(Позвольте мне здесь перебить ход своих рассуждений и сообщить вам, что атмосферный гелий почти полностью состоит из единственного изотопа — гелия-4; правда, обнаруживают и следы стабильного изотопа, гелия-3, который образуется за счет расщепления радиоактивного водорода-3, в свою очередь возникающего в результате бомбардировки атмосферы космическими частицами. При тщательном изучении чистого гелия-3 установлено, что он превращается в жидкость только при 3,2° по Кельвину, то есть на целый градус ниже, чем обычный гелий. Однако гелий-3 не является эквивалентом сверхтекучего гелия-II. На миллион атомов атмосферного гелия приходится только один атом гелия-3, и, следовательно, его запас в атмосфере исчисляется всего в 45 000 тонн. Гелий-3, по-видимому, самый редкий из всех стабильных изотопов, имеющихся на Земле.)
Гелий находят не только в атмосфере, но и в почве. Уран и торий испускают альфа-частицы, которые являются ядрами атомов гелия. Следовательно, в течение миллиардов лет происходил процесс постепенного накапливания гелия в земной коре (вспомните, что впервые он был найден на Земле в урановой руде, а не в атмосфере). Считается, что по весу в земной коре гелия содержится примерно 0,003 миллиграмма на килограмм. Это означает, что запас гелия в земной коре примерно в 20 миллионов раз превышает запас гелия в атмосфере, но тем не менее «разбавлен» он в земной коре еще больше, чем в атмосфере.
Однако гелий — это газ. Он собирается в трещинах и пустотах, и при благоприятных условиях его можно извлекать из земли. В частности, в США скважины, из которых добывают природный газ, часто дают до одного процента гелия, а иногда и до 8 и даже до 10 процентов.
Но запасы природного газа довольно ограниченны, к тому же мы очень быстро исчерпываем их. Когда все запасы газа иссякнут, естественно, исчезнет и этот источник гелия, и нам останется только
