«Господин Абсолютного Нуля»: Хейке Камерлинг-Оннес

Хейке Камерлинг-Оннес (Heike Kamerlingh Onnes) — голландский физик-экспериментатор, широко известен работами в области криогенных температур. Первым в истории получил жидкий гелий в своей лаборатории. Открыл явление сверхпроводимости в металлах. Основал низкотемпературную научную школу в Лейденском университете. Получил Нобелевскую премию по физике 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия».

Камерлинг-Оннес, снискавший всеобщую любовь и заслуживший почетное прозвище «Господин Абсолютного Нуля», многое сделал для развития международного сотрудничества в области науки. Он охотно приглашал иностранных ученых поработать в своей лаборатории. Основанный им журнал «Сообщения из физической лаборатории Лейденского университета» ("Communications From the Physical Laboratory of the University of Leiden") стал самым авторитетным изданием по физике низких температур. Камерлинг-Оннес принимал деятельное участие в разработке методов использования низких температур: хранении пищевых продуктов; создании вагонов-рефрижераторов и производстве льда.

В числе его наград были золотая медаль Маттеуччи Национальной академии наук Италии, медаль Румфорда Лондонского королевского общества и медаль Франклина Франклиновского института. Он был почетным доктором Берлинского университета. Когда ему не исполнилось и тридцати, он был избран членом Королевской академии наук в Амстердаме. Камерлинг-Оннес состоял членом академий наук Копенгагена, Геттингена, Галле, Упсала, Турина и Вены.

Некоторые из инструментов, которые Камерлинг-Оннес разрабатывал для своих экспериментов, хранятся в музее Лейдена. Установка, использованная для ожижения гелия впервые, демонстрируется в лаборатории физического факультета Лейденского университета, где низкотемпературную лабораторию назвали в его честь. Его студент и преемник как директор лаборатории, Виллем Хендрик Кеезом был первым человеком, который получил твердый гелий в 1926 году и продолжил дело своего учителя.

Имя Камерлинг-Оннеса носит лунный кратер диаметром 66 км на противоположной стороне Луны. Он расположен на расстоянии меньше чем диаметр кратера на северо-северо-запад от кратера Кольцрстер. К северу от Камерлинг-Оннес находится Штернберг и на северо-западе – Вейл. Кратер в настоящее время в достаточной степени разрушен, обладает овальной формой вследствие удлиненности по направлению восток – запад. Много маленьких кратеров лежат вдоль оправы, особенно вдоль северной стороны.

Юность

Голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес родился в Гронингене на севере Нидерландов. Его отец Харм Камерлинг-Оннес был преуспевающим владельцем кирпичного завода, мать, урожденная Анна Гердина Коерс, была дочерью архитектора.

По окончании средней школы Камерлинг-Оннес в 1870 г. поступил в Гронингенский университет, где изучал математику и физику. Степень кандидата (примерно эквивалентную степени бакалавра) он получил в 1871 г. Три семестра Камерлинг-Оннес провел в Гейдельбергском университете (Германия), где его занятиями руководили химик Роберт Бунзен и физик Густав Кирхгоф. В 1873 г. Камерлинг-Оннес возвратился в Гронинген. Через шесть лет он блестяще защитил докторскую диссертацию, в которой предложил новое доказательство вращения Земли.

С 1878 по 1882 г. Камерлинг-Оннес читал лекции в Политехническом училище (позднее преобразованном в Технический университет) Делфта. Внимание Камерлинг-Оннес привлекала теория газов Йоханнеса Ван-дер-Ваальса, устанавливающая соотношение между давлением, температурой и объемом. Она позволяла учесть различия в поведении реальных и идеальных газов. В то время Ван-дер-Ваальс преподавал в Амстердаме, и К.–О. вступил с ним в переписку по поводу молекулярной теории.

Создание лаборатории

В 1882 г. в возрасте двадцати девяти лет, Камерлинг-Оннес получил назначение на должность профессора экспериментальной физики Лейденского университета и стал во главе физической лаборатории этого университета. В своей вступительной лекции Камерлинг-Оннес провозгласил принцип, которым неукоснительно руководствовался на протяжении сорока двух лет своего пребывания в Лейденском университете: «Через измерение к знанию». По мнению Камерлинг-Оннес, физические лаборатории должны производить количественные измерения и ставить качественные эксперименты; теоретические описания должны подкрепляться точными измерениями, производимыми с астрономической точностью.

Согласно теории соответственных состояний Ван-дер-Ваальса, все газы ведут себя одинаково, если единицы давления и температуры выбраны с учетом слабых сил притяжения между молекулами. Камерлинг-Оннес считал, что исследование поведения газов при низких температурах может дать важную информацию для проверки теории соответственных состояний. Для достижения низких температур необходимо сжижать газы. Камерлинг-Оннес выбрал темой для работы своей лаборатории узкую область криогеники – исследование низкотемпературных эффектов. При этом задача решалась человеком, понявшим коллективный характер науки XX столетия, создавшим, может быть, первую по-настоящему современную научную лабораторию.

В начале ХХ века Камерлинг-Оннес резко выделялся на фоне многих экспериментаторов, проводивших свои исследования с помощью маленьких лабораторных установок. Уже первая установка для сжижения кислорода, азота и др. атмосферных газов, сконструированная им в 1894 году, имела такую производительность, что смогла удовлетворить скоро растущие потребности в лаборатории в течение многих лет. Это был ученый необычного склада, физик, инженер, организатор, он один из первых понял, что проникновение во все более глубокие тайны природы требует мощной технологической базы, уникального оборудования, хорошо подготовленного вспомогательного персонала.

При Камерлинг-Оннесе Лейденский университет, по существу, превратился как бы в единую лабораторию низких температур. Под руководством Камерлинг-Оннеса изготовлялось не лабораторное оборудование, а делались полупромышленные установки, в которых низкотемпературные жидкости получали не каплями, а литрами. Чтобы подготовить квалифицированных ассистентов, Камерлинг-Оннес в 1909 г. открыл училище для механиков и стеклодувов. Вскоре выпускников лейденского училища можно было встретить в физических лабораториях всего мира. Лаборатория Камерлинг-Оннес стала образцом для научно-исследовательских институтов XX века.

Лаборатория Камерлинг-Оннеса в Лейденском университете

Хотя шотландский ученый Джеймс Дьюар получил жидкий водород в 1898 г., только Камерлинг-Оннес удалось наладить получение жидкого водорода в значительных количествах. Его заводская установка производила 4 литра жидкого водорода в час. Для создания установки потребовалось все искусство подготовленных Камерлинг-Оннес техников: механиков – для создания насосов, стеклодувов – для изготовления прозрачных сосудов, сквозь стенки которых можно было бы наблюдать за поведением веществ при низких температурах.

Техническое преимущество Лейденской лаборатории дало себя знать довольно быстро. За короткий срок Камерлинг-Оннес преодолел все известные ступени на пути к абсолютному нулю. Последовательно были превращены в жидкость кислород, неон, водород. Следующий шаг был очевиден – жидкий гелий.

Жидкий гелий

В присутствии физиков, приглашенных из разных стран, 10 июля 1908 г. начался исторический эксперимент. Сжижение гелия проводилось на каскадной установке, которая и сегодня удивляет инженеров своим совершенством. Штурм начался в 6 ч утра с сжижения 20 л водорода, необходимого для охлаждения гелия. Эта работа была завершена к 2 ч дня. Через 3 ч началась циркуляция охлажденного гелия, и с этого момента внутренний криостат ожижителя оказался в области еще не исследованных низких температур.

В течение длительного времени показания термометра с разреженным гелием почти не изменялись. После дополнительной регулировки аппаратуры было отмечено постепенное снижение температуры, но вскоре оно прекратилось. Шли часы. Уже был израсходован почти весь имевшийся жидкий водород, а никаких признаков сжижения гелия еще не было. В 8 ч вечера напряжение достигло предела. Казалось, что и эта попытка окончится неудачей, и именно в этот критический момент один из присутствующих физиков высказал предположение, что, возможно, жидкость уже кипит, поэтому термометр и не показывает уменьшения температуры. Сосуд осветили снизу, и неожиданно стал видимым уровень жидкости, ясно различимый благодаря отражению света. Сосуд почти целиком был заполнен бесцветной жидкостью. Жидкий гелий... 4,2 К решающая ступенька к абсолютному нулю!

Вот как описывает этот волнующий момент сам Камерлинг-Оннес: «Это было удивительное зрелище появление впервые жидкости, имеющей почти нематериальный вид. Втекание ее в сосуд не было замечено. Ее присутствие было замечено, когда она уже наполнила сосуд, а ее поверхность выделялась остро, как лезвие ножа...».

Схема установки, в которой гелий впервые был виден в жидком состоянии

Разумеется, и тут не нужны документальные подтверждения он был взволнован, и счастлив, и горд, и смущен. Некоторые ученые сомневались, что это вообще достижимо. «Я был вне себя от радости, когда смог продемонстрировать жидкий гелий моему другу Ван-дер-Ваальсу, чья теория была моей путеводной нитью, позволившей довести сжижение до конца», – вспоминал впоследствии Камерлинг-Оннес Его поздравляли с огромным достижением, не предполагая, что перед физикой приоткрылась дорога в мир особых явлений.

Хайке Камерлинг Оннес (крайний справа) демонстрирует свой ожижитель гелия трем физикам-теоретикам: Нильсу Бору, Хендрику Лоренцу, Полю Эренфесту.

С помощью жидкого гелия Камерлинг-Оннес удалось достичь еще более низких температур: 1,38 К в 1909 г. и 1,04 К в 1910-м. Однако основной его заботой оставалось исследование свойств веществ при столь низких температурах. Он изучал спектры поглощения элементов, фосфоресценцию различных соединений, вязкость сжиженных газов и магнитные свойства веществ. Поскольку температура является мерой случайного движения молекул вещества, а это затемняет суть некоторых явлений, понижение температуры может, по выражению Камерлинг-Оннес, помочь «приподнять завесу, которую простирают над внутренним миром атомов и электронов тепловые движения при обычных температурах».

В 1922 году Камерлинг-Оннес увидел, что сжиженный им гелий ведет себя совершенно удивительным образом. Налитый в пробирку, он в ней не удерживается, а вытекает через край, поднимаясь по стенкам, и каплями падает с ее нижнего конца. Если же эту пробирку опустить в ванну с гелием, жидкость станет перетекать до тех пор, пока уровни в пробирке и ванне не сравняются. Этот феномен нашел объяснение только спустя полтора десятка лет, когда П.Л.Капица открыл явление сверхтекучести (Нобелевская премия 1978 года). Именно сверхтекучестью объясняется "эффект Камерлинг-Оннеса": за счет нее гелий-II образует на стенках сосудов пленку толщиной около 3х10^-6 см (примерно 1000 атомных слоев) и перетекает по ней.

Сверхпроводимость

Однако главным направлением своих исследований Камерлинг-Оннес по-прежнему считал «изучение параметров разных веществ при гелиевых температурах». Одним из первых экспериментов при температуре жидкого гелия стало измерение электрического сопротивления металлов при различных температурах.

Сначала Камерлинг-Оннес изучил эталоны платины и золота, так как конкретно эти металлы имелись тогда в довольно чистом виде. При понижении температуры образцов сопротивление исправно падало, стремясь к некоторому неизменному значению (остаточному сопротивлению), но значения электрических сопротивлений разных образцов, при равных условиях были тем меньше, чем чище оказывался сплав. Отсюда вывод: «… беря во внимание поправку на достаточное сопротивление, я пришел к заключению, что сопротивление полностью незапятнанной платины при температуре кипения жидкого гелия, может быть, исчезнет».

Для подтверждения гипотезы требовалось исследовать образцы чистых металлов, но в то время получить чистую платину было непросто. Поэтому Камерлинг-Оннес остановился на ртути, которую нетрудно выделить в чистом виде дистилляцией и фильтрованием. Этот выбор можно назвать особенно удачным потому, что температура сверхпроводящего перехода ртути (4,15 К) немного ниже температуры превращения гелия в жидкость - 4,20 К. Если бы исследователь продолжал эксперименты с платиной, золотом и серебром, то сверхпроводимости он, скорее всего, не обнаружил. Но ему повезло, и сразу стало ясно: открыто принципиально новое явление.

Серия U-образных трубок, заполненных ртутью, которая впоследствии замораживалась в криостате с жидким гелием.

Камерлинг-Оннес заморозил ртуть в сосуде, содержащем жидкий гелий, и приступил к измерению сопротивления. Вначале все было так, как предугадывала теория. Электрическое сопротивление ртути плавно падало по мере понижения температуры: 10; 5; 4,2К, и сопротивление стало таковым малым, что его вообще не удавалось зарегистрировать устройствами, имевшимися в лаборатории. Позже в 1913г., вспоминая этот период, Камерлинг-Оннес писал: «Будущее казалось мне красивым. Я не видел перед собой проблем. Они были преодолены и уверительность опыта не вызвала сомнений». И вдруг случилось неожиданное.

В ходе дальнейших экспериментов на усовершенствованной аппаратуре Оннес заметил, что сопротивление ртути при температуре около 4,1 К уменьшалось не плавно, а скачком до постоянно малой величины, т.е. исчезало начисто.

Первая мысль была о неисправности устройства, с помощью которого измерялось сопротивление. Включили другой. И вновь при температуре 4,1 К стрелка устройства прыгнула к нулю. Тут было от чего придти в замешательство: до абсолютного нуля было ещё четыре градуса. И он повторяет опыт ещё раз. Изготовляет из ртути новый эталон; берет даже совсем загрязненную ртуть, у которой остаточное сопротивление обязано быть ярко выражено, замеряет измерительный устройство точнейшим зеркальным гальванометром. Но сопротивление по-прежнему исчезало. Вот тогда, наверное, Камерлинг-Оннес и произнес в первый раз слово сверхпроводимость «… и не осталось колебаний в существовании нового состояния ртути, в котором сопротивление физики исчезает… ртуть перешла в новое состояние, и, беря во внимание его исключительные электрические характеристики, его можно назвать «сверхпроводящим состоянием».

Через два года Камерлинг-Оннес измерил температуру сверхпроводящего перехода свинца (7,2 К), олова и таллия. Нет нужды говорить о том, каким это была сенсация. Очевидно, Оннес думал о загадке сверхпроводимости, но тогда, в декабре 1913 года, ему оставалось лишь предполагать: «Эта работа обязана приподнять покрывало, которым тепловое движение при обыденных температурах закрывает от нас внутренний мир атомов и электронов... Из всех областей физики к нам приходят вопросы, ожидающие решения от измерений при гелиевых температурах».

Современные СП магниты БАК

В 1913 году Камерлинг-Оннес дает выстроить массивный электромагнит с обмотками из сверхпроводящего материала. Таковой магнит не потреблял бы электроэнергии, и с его помощью можно было бы получать сверхсильные магнитные поля. Как лишь пробовали пропускать по сверхпроводнику значимый ток, сверхпроводимость исчезала. Скоро оказалось, что и слабое магнитное поле тоже уничтожает сверхпроводимость. Существование критических значений температуры, тока и магнитной индукции резко ограничивало практические способности сверхпроводников.

Камерлинг-Оннес предположил, что объяснение сверхпроводимости будет дано квантовой теорией. Однако только спустя полвека в 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер предложили теоретическое объяснение явления сверхпроводимости.

Личная жизнь

В 1887 г. Камерлинг-Оннес вступил в брак с Элизабет Билефельд. У супругов родился один сын. Интересы Камерлинг-Оннес не замыкались в стенах его лаборатории. Он был преданным семьянином, и его коллеги отзывались о нем как о человеке большого обаяния и скромности.

Камерлинг-Оннес с супругой Элизабет

Во время первой мировой войны он принимал участие в организации помощи голодающим детям различных стран. Грандиозность его свершений и интенсивность научной деятельности находились в явном несоответствии с хрупким здоровьем, которым он отличался на протяжении всей своей жизни. После непродолжительной болезни Камерлинг-Оннес скончался в Лейдене 21 февраля 1926 г.

Publications

• Kamerlingh Onnes, H., "Nieuwe bewijzen voor de aswenteling der aarde." Ph.D. dissertation. Groningen, Netherlands, 1879.

• Kamerlingh Onnes, H., "Algemeene theorie der vloeistoffen." Amsterdam Akad. Verhandl. 21, 1881.

• Kamerlingh Onnes, H., "On the Cryogenic Laboratory at Leyden and on the Production of Very Low Temperature." Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden 14, 1894.

• Kamerlingh Onnes, H., "Theorie generale de l'etat fluide." Haarlem Arch. Neerl. 30, 1896.

• Kamerlingh Onnes, H., "The Superconductivity of Mercury." Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden, Nos. 122 and 124, 1911.

• Kamerlingh Onnes, H., "On the Lowest Temperature Yet Obtained." Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden, No. 159, 1922.

• Kamerlingh Onnes, H., "Investigations into the properties of substances at low temperatures, which have led, amongst other things, to the preparation of liquid helium." Nobel Lecture, December 11, 1913.