Советский физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии Лев Ландау открыл теорию сверхтекучести гелия II

В рамках программы импортозамещения на Воронежском механическом заводе (ВМЗ) было запущено производство титановых шар-баллонов для ракетных двигателей — герметичных сферических конструкций, в которых под большим давлением хранится гелий, критически важный для работы пневмосистем ракет-носителей. Этот технологический прорыв неразрывно связан с фундаментальными открытиями в физике, и в частности, с наследием гениального советского учёного Льва Ландау. В 1962 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике. «За пионерские исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия», - гласила формулировка наградного комитета.

Гелий, известный как инертный газ, был впервые обнаружен в XIX веке. 18 августа 1868 года французский астроном Пьер Жансен заметил ярко-желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала ни одному известному химическому элементу.

Только через 27 лет гелий был обнаружен на Земле при анализе минерала клевеита, где ученые вновь заметили ту же ярко-желтую линию. Гелий занимает второе место по распространенности во Вселенной, уступая лишь водороду. Большая часть гелия образовалась в первые минуты после Большого взрыва, а также продолжается его образование в недрах звезд, где каждую секунду 4 миллиона тонн водорода превращаются в гелий. Несмотря на свою редкость на Земле, гелий встречается в природном газе и воздухе.

С увеличением изучения гелия его применение стало более разнообразным: от металлургии до упаковки пищевых продуктов. Гелий используется для продления срока годности продуктов, охлаждения атомных реакторов, а также в сварке и резке цветных металлов. В рамках импортозамещения на Воронежском механическом заводе начали производить шар-баллоны с гелием для пневматических систем ракетных двигателей. В электронной промышленности гелий входит в состав жидкокристаллических панелей и оптоволоконных кабелей.

В 1938 году советский физик Петр Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое характеризуется резким снижением вязкости, позволяя гелию течь 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.

Годом ранее Капица пригласил Льва Ландау на должность заведующего теоретическим отделом Института физических проблем. Ландау, родившийся 22 января 1908 года в Баку в семье инженера-нефтяника, проявил выдающиеся способности в физике с раннего возраста. Он поступил в Бакинский университет в 14 лет и позже продолжил обучение в Ленинграде и за границей.

По возвращении Ландау стал руководителем теоретического отдела Физико-технического института в Харькове, который в то время был столицей УССР, и одновременно занимал должность заведующего кафедрой теоретической физики на физико-механическом факультете Харьковского механико-машиностроительного института.

28 апреля 1938 года Лев Ландау был арестован по обвинению в антисоветской деятельности. Его коллега Петр Капица незамедлительно начал кампанию за освобождение ученого, направив письма сначала Сталину, а затем Молотову и Берии, подчеркивая незаменимость Ландау для науки.

В результате Капицу пригласили в НКВД, где на столе лежали пять томов «дела Ландау». Понимая, что шансы на успех минимальны, Капица задал чекистам вопрос, который поставил их в затруднительное положение: «Какие могли быть мотивы у еврея Ландау стать немецким шпионом?». Через два дня Ландау был освобожден под личное поручительство Капицы.

Лев Ландау внес значительный вклад в множество областей физики, включая квантовую механику, физику твердого тела, магнетизм, физику низких температур, сверхпроводимость и сверхтекучесть. Он считается легендарной фигурой в истории советской и мировой науки и стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1961 году за свои исследования по гелию. В своих работах, таких как «Теория сверхтекучести гелия-II» и «К гидродинамике гелия II», Ландау объяснил уникальные свойства квантовой жидкости при низких температурах.

Согласно представлениям классической физике, при температурах, близких к абсолютному нулю, движение атомов должно прекращаться, и вещество должно кристаллизоваться. Однако гелий сохраняет жидкое состояние и даже способен просачиваться через мельчайшие трещины. Ландау предложил, что большую квантовую систему можно описать через почти не взаимодействующие квазичастицы, рассматривая жидкий гелий 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)

Работа Льва Ландау 1941 года и ее последующие уточнения стали основой для понимания многих аспектов физики металлов, полупроводников и сверхпроводников. Исследования Ландау оказали значительное влияние на дальнейшие разработки в этих областях, и многие ученые продолжают развивать его идеи. Ландау стал известен как фигура, для которой «в огромном здании физики XX века не было запертых дверей», что подчеркивает его значимость в научном сообществе.

К сожалению, Лев Ландау не смог присутствовать на церемонии вручения Нобелевской премии. 7 января 1962 года он попал в автомобильную аварию, в результате которой получил серьезные травмы и впал в кому на 59 суток. Хотя врачи смогли спасти его жизнь, его гений был потерян для науки. Лев Давидович Ландау скончался 1 апреля 1968 года, оставив после себя богатое наследие в области физики.

Гелий играет незаменимую роль в космической отрасти благодаря своим уникальным свойствам — он химически инертен и обладает малой мольной массой, что делает его идеальным рабочим телом для ответственных систем ракет-5.

Насос высокого давления: В двигательных установках с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) гелий используется для наддува топливных баков. Это обеспечивает бесперебойную подачу компонентов топлива в камеру сгорания при любых ориентациях ракеты в пространствии-5.

"Нервная система" двигателя: Сжатый гелий служит приводом для элементов газовой автоматики — системы клапанов и регуляторов, которые управляют запуском и работой двигателя-5.

Ключевой компонент для ведущих ракет: Эти системы используются в самых мощных российских ракетах-носителях, таких как «Протон», «Ангара», в разгонном блоке «Бриз» и в новом кислородно-водородном разгонном блоке (КВРБ)-1.
Перенос производства этих критически важных компонентов из Украины в Воронеж и освоение их выпуска с нуля — это значительное достижение российской промышленности в условиях реализации политики импортозамещения-1.

Связь между практическим применением гелия в ракетостроении и наследием Льва Ландау — не просто символическая. Она глубоко материальна и основана на фундаментальных исследованиях ученого. И хотя сверхтекучесть сама по себе не используется непосредственно в баках с гелием на орбите, эта работа Ландау заложила основы понимания квантовой природы жидкостей и поведения вещества в экстремальных условиях. Эти знания являются краеугольным камнем всей современной физики низких температур и криогеники-4.

Лев Ландау воспитал плеяду выдающихся физиков, создав мощнейшую научную школу. Его знаменитый «теоретический минимум» и многотомный «Курс теоретической физики» стали основополагающими пособиями для тысяч инженеров и ученых, чья работа, в том числе, сделала возможным создание таких высокотехнологичных продуктов, как шар-баллоны-4.

Запуск производства шар-баллонов с гелием в Воронеже - это не просто успех в рамках оборонного заказа. Это яркий пример того, как фундаментальная наука, труды гениев уровня Ландау, десятилетия спустя находят своё воплощение в самых передовых инженерных решениях. Острый ум Ландау, проникавший в суть явлений, и его теории, которые современникам могли казаться оторванными от жизни, сегодня буквально помогают выводить ракеты на орбиту.

Это прекрасная иллюстрация того, что инвестиции в чистую науку и поддержка гениев - не просто траты на «высокие материи», а стратегические вложения в технологический суверенитет и будущее страны. Наследие Льва Ландау продолжает жить не только в учебниках, но и в металле и технологиях, устремляющихся в космос.

В Воронеже на улице Суворова создан мурал, посвященный Льву Ландау.

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.