От работ Льва Ландау к МРТ

Один из самых информативных и современных методов диагностики различных заболеваний у жителей Орла – это магнитно-резонансная томография (МРТ).

Однако при работе с таким сложным оборудованием нужно уделять большое внимание его техническому обслуживанию, например, заправке томографа жидким гелием. Что это за вещество и не опасно ли оно для человека?

«За пионерские исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия», - говорилось в наградном обосновании Нобелевской премии по физике, которая в 1962 году была присуждена советскому ученому Льву Ландау.

Из школьного курса химии все знают, что гелий – это инертный газ. Впервые о нем заговорили еще в XIX веке. 18 августа 1868 года французский ученый Пьер Жансен, наблюдая за Солнцем, обратил внимание на ярко-желтую линию в спектре звезды, которая не принадлежала ни одному из ранее известных химических элементов.

Только через 27 лет после первоначального открытия гелий обнаружили и на Земле: ту же ярко-желтую линию, найденную ранее в солнечном спектре, ученые заметили при разложении минерала клевеита.

Гелий занимает второе место по распространенности во Вселенной, на первом – водород. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого взрыва. Сейчас он тоже рождается - в результате термоядерного синтеза в недрах звезд. Каждую секунду на Солнце 4 миллиона тонн водорода превращаются в гелий. Однако на Земле этот элемент редок. Но он встречается в земных недрах в составе природного газа и в воздухе, которым мы дышим.

Чем больше изучался гелий, тем активней его использовали в самых разных сферах: от металлургии до развлечений. Инертный газ нужен как для продления срока годности при упаковке пищевых продуктов, так и для охлаждения атомных реакторов. На металлургических заводах гелий необходим при сварке, литье и резке цветных металлов. Сравнительно недавно в рамках импортозамещения на Воронежском механическом заводе начали производить шар-баллоны с гелием для работы пневматических систем жидкостных ракетных двигателей. В электронной индустрии элемент входит в состав наполнения жидкокристаллических панелей, оптоволоконных кабелей и полупроводников. Все это говорит о ценности гелия и его необходимости в промышленных процессах.

Любое вещество может иметь три состояния: жидкое, твердое и газообразное. И гелий – не исключение.

В 1938 году советский физик Петр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течет практически без трения.

«У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим … в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода», - говорил ученый.

За год до этого на должность заведующего теоретическим отделом Института физических проблем (ИФП) Петр Капица пригласил Льва Ландау.

Квантовая механика, физика твердого тела, магнетизм, физика низких температур, сверхпроводимость и сверхтекучесть, физика космических лучей, астрофизика, гидродинамика, квантовая электродинамика, квантовая теория поля, физика атомного ядра и физика элементарных частиц, теория химических реакций, физика плазмы - это далеко не полный перечень областей, в которые Лев Ландау внес фундаментальный вклад. Академик по праву считается легендарной фигурой в истории советской и мировой науки. Но лауреатом Нобелевской премии по физике в 1962 году он стал именно за работу с гелием. В своих трудах «Теория сверхтекучести гелия-II» (1941), «К гидродинамике гелия II (1944), «Теория вязкости гелия II» (1949) и др. ученый смог объяснить сверхтекучие свойства квантовой жидкости при низких температурах.

Согласно представлениям классической физики, при температурах, близких к абсолютному нулю, движение атомов должно останавливаться и вещество кристаллизироваться. Однако с гелием этого не происходило. При нормальном давлении он не только оставался жидким, но и обретал способность просачиваться в мельчайшие трещины.

Идея Льва Ландау заключалась в том, что большую квантовую систему, в которой частицы сильно взаимодействуют, можно описать при помощи почти не взаимодействующих квазичастиц. По мнению ученого, жидкий гелий можно рассматривать как совокупность двух частей.

«Производится квантование произвольной системы взаимодействующих частиц (жидкости) с помощью введения операторов плотности и скорости жидкости; выводятся условия коммутации между этими операторами. На основании результатов этого квантования определяется общий характер распределения энергетических уровней в спектре квантовой жидкости; исследуется характер температурной зависимости теплоемкости гелия II. Оказывается, что при температуре абсолютного нуля квантовая жидкость может обладать свойством сверхтекучести. При температурах, отличных от абсолютного нуля, в гелии II оказывается возможным одновременное существование двух движений - сверхтекучего и нормального, что может быть описано посредством введения понятий о сверхтекучей и нормальной «частях» жидкости. Выведена система гидродинамических уравнений, описывающих макроскопическое движение гелия II. С помощью этих уравнений исследовано распространение звука и показано, что в гелии II должны существовать две скорости звука. В заключении обсуждается проблема Сверхпроводимости». (Теория сверхтекучести гелия-II)

Удивительным образом эта работа 1941 года и ее дальнейшие уточнения объясняют большую часть физики металлов, полупроводников и сверхпроводников. Все дальнейшее, сделанное бесчисленным множеством других людей, было так или иначе развитием идеи Ландау. Попытки создать альтернативную теорию продолжатся по сей день. Недаром же про Ландау говорили, что в «огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».

***

Использование гелия в современной науке демонстрирует его ключевое значение для прорывных открытий и передовых исследований. Жидкий гелий играет ключевую роль в работе магнитно-резонансных томографов и в Орле, и по всему миру. Сверхпроводящий магнит, сердце томографа, должен работать при экстремально низких температурах. Жидкий гелий, окружающий магнит, обеспечивает это охлаждение. Без него магнит потеряет свойство сверхпроводимости, мгновенно нагреется и выйдет из строя.

Проект «Нобелевские лауреаты» выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.