Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

• Название: Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
• Автор: Сергей Семиков
• Издательство: ООО "Стимул-СТ"
• Жанр: Техническая литература
• Год: 2010
• ISBN: 5-88022-175-X

Век назад, 7 июля 1909 г., оборвалась нить жизни талантливого молодого учёного Вальтера Ритца, успевшего за 31 год своей жизни сделать очень многое в науке. До сего дня в спектроскопии пользуются комбинационным принципом Ритца, а в физике, математике и технике — вариационным методом Ритца. Однако его другие ещё более важные научные разработки преданы забвению ввиду их расхождения с догматами теории относительности и квантовой физики. Это — разработанные Вальтером Ритцем в 1908 г, за год до смерти баллистическая теория и магнитная модель атома. Скоропостижная трагическая гибель учёного помешала ему довести до конца и доказать эти фундаментальные концепции света и атомов, электромагнетизма и гравитации. В результате имя и теории Ритца вскоре были забыты хотя именно баллистическая теория легко красиво и наглядно объясняет многие загадки природы. Дабы восстановить историческую справедливость и напомнить о незаслуженно забытом научном и жизненном подвиге Вальтера Ритца была написана эта книга, где автор популярно изложил и развил с учётом уровня современной науки Баллистическую Теорию Ритца.

---

Сверхтекучесть часто сравнивают со сверхпроводимостью, тоже наступающей возле точки абсолютного нуля [71, 134]. Ведь рождающие ток электроны снуют внутри металла, словно атомы газа. Потому и стали говорить о токе, течении "электронного газа". Его вязким трением, когда тот "сочится" сквозь поры кристалла, и объясняли прежде сопротивление проводников (§ 4.17). Ещё Ом ввёл наглядную гидродинамическую аналогию тока: проводник — это трубопровод; сила тока — расход жидкости (газа); разность потенциалов — разница давлений; сопротивление проводника — сопротивление трубопровода; выделение джоулева тепла — нагрев от вязкости жидкости (или газа) и т. д. А в сверхпроводнике вязкое трение электронного газа, как у гелия, исчезает, и он протекает по проводнику без сопротивления и потерь энергии.

Плодотворность классической модели тока делает её полезной и в настоящее время. Именно она вскрывает связь явлений сверхпроводимости и сверхтекучести, а, значит, — их природу. Правда, в проводнике говорят об электронном газе, тогда как сверхтекучий гелий считают жидкостью. Но вот с этим-то можно поспорить. Всё свидетельствует о том, что сверхтекучий гелий — это, в действительности, тоже газ, и аналогия с электронным газом полная.

Начать с того, что у всех газов с падением температуры T вязкость η, в отличие от жидкостей, не растёт, а убывает по закону η~T1/2. Именно с этим когда-то связывали температурный рост сопротивления металлов: с повышением температуры росла вязкость электронного газа (Рис. 177). Как легко видеть, эта теория предсказывала и полное исчезновение сопротивления возле точки абсолютного нуля, при T=0 К. Поэтому, естественно допустить, что и гелий при охлаждении ниже критической температуры 2,17 К переходит в сверхтекучее состояние, за счёт превращения в газ, обладающий в таких условиях почти нулевой вязкостью η. И точно, опыт Э.Н. Андроникашвили показал, что при падении температуры вязкость сверхтекучего гелия снижается по закону η~T1/2, вплоть до нуля при T=0 К [134]. Но этот опыт почему-то истолковали как подтверждение абсурдной двухжидкостной модели Гинзбурга-Ландау, по которой гелий состоит из нормальной и сверхтекучей компонент: доля последней нарастает при охлаждении, достигая 100 % при абсолютном нуле, что якобы и объясняет нулевую вязкость. На деле же наблюдалось лишь классическое и давно предсказанное падение вязкости газообразного гелия.

Казалось бы, с чего бы это жидкому гелию, полученному при охлаждении газообразного, вновь становиться газом при дальнейшем остывании? Но, зная упрямство гелия, его нежелание пребывать в жидком состоянии, мы можем ожидать от него любого фокуса. Так, на фазовой диаграмме (Рис. 181), показывающей состояние гелия, в зависимости от давления и температуры, видно, что линия AC перехода нормального гелия (He I) в сверхтекучий (He II) — начинается в той же точке А, откуда выходит и линия AB перехода жидкость-газ. Это доказывает тесную связь сверхтекучего и газообразного гелия. Тогда С будет тройной точкой, в которой сходятся твёрдое, жидкое и газообразное состояние вещества, и которой, как полагали физики, нет у одного только гелия.

Рис. 181. Фазовая диаграмма гелия показывает связь сверхтекучего He II с твёрдым гелием и газом.

Физики привыкли твердить, что переход гелия в сверхтекучее состояние принципиально отличен от простых фазовых превращений жидкость-газ (кипение), жидкость-твёрдое тело (кристаллизация) и т. д., сопровождаемых поглощением или выделением определённого тепла и называемых "фазовыми переходами первого рода". А переход He I — He II, не выделяющий тепла, называют уже "фазовым переходом второго рода" (§ 4.18). Но это ошибка: переход гелия в сверхтекучее состояние требует отнятия у него некоторого стандартного количества тепла и столько же тепла надо вернуть, чтобы перевести гелий назад в нормальное состояние. Проморгали физики эту поистине скрытую теплоту перехода, так как привыкли иметь дело с фазовыми переходами, где всё скрытое тепло передаётся при постоянной фиксированной температуре. Так, температура плавящегося льда не тронется с 0 ºC, пока он не поглотит всю теплоту плавления. И, строя кривую теплоёмкости воды, в точке плавления следовало бы изобразить, кроме скачка теплоёмкости, ещё и очень острый пик (так называемую дельта-функцию), соответствующий бесконечной теплоёмкости, ибо в точке плавления подвод тепла не наращивает температуры. Ведь теплоёмкость единицы массы тела — это и есть, по определению, отношение подводимой теплоты к повышению температуры тела.

У гелия теплоёмкость в точке перехода (Рис. 182) тоже устремляется в бесконечность, создавая обычный для фазовых переходов пик [134]. Однако, пик этот уже слегка размыт, что говорит о растянутости самого фазового перехода, но перехода первого рода, сопровождаемого передачей теплоты! Её количество q равно площади S, заключённой под графиком теплоёмкости — в пределах узкой полосы температур в точке перехода (Рис. 182). Такие "размытые" фазовые переходы действительно существуют, особенно, — в сложных двухфазных, двухкомпонентных системах.

Рис. 182. Пик на графике теплоёмкости воды и гелия соответствует фазовому переходу, а его площадь S — скрытой теплоте q этого фазового перехода.

Так, в качестве возможной причины аномального поведения плотности воды возле точки плавления тоже называлось растянутое в широком температурном интервале плавление кристаллов льда (содержащего тяжёлые изотопы), взвешенных в воде [120]. Тем же, видно, обусловлена и другая аномалия воды. Её теплоёмкость с увеличением температуры не растёт, как у всех жидкостей, а падает, достигая минимума при 40 ºC, и лишь при дальнейшем нагреве начинает нарастать (считают, что это и задаёт стандарт температуры тела человека и всех теплокровных [138]). Аномально высокую теплоёмкость воды и её спад в диапазоне от 0 до 40 ºC тоже можно связать с плавлением кристаллов тяжёлого льда, для чего нужен подвод дополнительной теплоты плавления льда (80 кал/г). Причём, это избыточное количество теплоты 0,14 кал/г, находимое как площадь сегмента под левой ветвью кривой теплоёмкости (Рис. 183), в точности равно теплоте плавления заключённого в воде тяжелоизотопного льда. Содержащиеся в 1 г воды 0,0018 г тяжёлого льда H218O, поглощают, по мере плавления, как раз 0,14 кал = (80 кал/г)×(0,0018 г). Выходит, у воды без тяжёлых изотопов нормальный ход имела бы и кривая плотности, и кривая теплоёмкости.

Рис. 183. Пик теплоёмкости С воды от плавления тяжёлого льда.

Интересно, что воду со сверхтекучим гелием роднит как раз очень редкое свойство уменьшать объём при нагревании. Заметим, что природный гелий тоже содержит изотоп, но, в отличие от воды, не тяжёлый, а лёгкий — 3He в количестве от 10–4 до 10–8 %.

Итак, переход гелия в сверхтекучее состояние вполне может быть простым фазовым переходом с отнятием тепла. Вероятно, одноатомный гелий при низкой температуре образует двух- и многоатомные молекулы He2 и Hen. Причём, это состояние многоатомного газа ниже Т=2,17 К оказывается энергетически более выгодным, чем одноатомной жидкости, и, потому, гелий снова становится газом. Вот почему, превращаясь из жидкости в газ, гелий не поглощает, а выделяет тепло, которое надо отводить. И, точно, одиночка гелий иногда всё же образует двухатомные молекулы. Так, в разрядах удалось выявить ионы He2+. Да и переход 3He в сверхтекучее состояние, как считают, возможен лишь при слиянии его атомов в пары, словно электронов в сверхпроводнике [134].

Но, скорее, атомы гелия соединяются даже не в пары, а образуют гигантские комплексы, насчитывающие тысячи и десятки тысяч атомов. Это, по сути, уже не молекулы, а микрокристаллы, не имеющие постоянного числа атомов и движущиеся подобно броуновским частицам, коллектив которых ведёт себя как газ большой молекулярной массы. Размер таких кристаллов должен составлять порядка десяти поперечников атома гелия, т. е. — около 10 Å или 1 нм. Значит, гелий, всё же, переходит в твёрдое состояние (с чем и связан выход тепла), но ведёт себя при этом — как газ, поскольку тепловое движение и слабая связь инертных атомов гелия мешают нарастанию кристаллов и их агломерации. В итоге получается нечто среднее между газом и кристаллом — "газолёд", аэрозоль из кристаллов, снежная пыль, ледяной пар. По сути, это новое агрегатное состояние вещества. Вот в чём причина сходства свойств гелия и воды, содержащей микрокристаллы льда [120, 138]. Подобные же промежуточные состояния вещества, в форме жёстко связанных кристаллических комплексов, уже были рассмотрены для случая твёрдых тел и водорода (§ 4.15, § 4.16).