Звук в сверхтекучем гелии-4. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Звук в сверхтекучем гелии ⁴Не - гидродинамич. волны, распространяющиеся в сверхтекучем гелии (Не II). Согласно квантовой теории сверхтекучести (двухкомпонентной модели Не II), гидродинамика сверхтекучей жидкости, в отличие от обычной гидродинамики, характеризуется двумя скоростями движения v_s и v_n, являющимися соответственно скоростями сверхтекучей и нормальной компонент жидкого Не II. Появление дополнит. гидродинамич. переменной (v_s)приводит к увеличению числа степеней свободы системы и возможности возникновения новых, по сравнению с классич. гидродинамич. системами, типов 3. (звуковых мод). Типы возможных звуковых волн и скорости их распространения зависят также от геом. параметров гелиевой системы и кол-ва примеси ³Не. В объёме сверхтекучего ⁴Не могут распространяться волны двух типов - первый звук (ПЗ) и второй звук (ВЗ). Волны первого типа аналогичны гидродинамич. звуку в обычной жидкости и представляют собой в осн. распространяющиеся колебания плотности r и давления р. Специфич. особенностью Не II является существование т. н. ВЗ - тепловых волн: распространяющихся колебаний температуры Т и энтропии S (в обычных средах температурные колебания затухают на расстоянии порядка длины волны). Поскольку коэф. теплового расширения (дr/дТ)_р гелия аномально мал, колебания плотности (давления) и температуры (энтропии) оказываются практически независимыми. При этом скорость ПЗ u₁ задаётся обычным соотношением: u²₁=(dp/dr)_s, а скорость ВЗ: u²₂= r_sTS²/Cr_n, где r_s, r_n-соответственно плотности сверхтекучей и нормальной компонент, С - теплоёмкость. При низких температурах, не слишком близких к температуре Т_l исчезновения сверхтекучести гелия, норм. компонента представляет собой газ квазичастиц (элементарных возбуждении системы), а ВЗ - звуковые волны в газе квазичастиц. В чистом ⁴Не это звуковые волны в системе ротонов и фононов. При понижении температуры времена свободного пробега t квазичастиц в Не II возрастают. При этом гидродинамич. ПЗ переходит в высокочастотный ПЗ - слабозатухающие волны плотности на частотах w >>1/t. На поверхности сверхтекучего гелия может распространяться поверхностный ВЗ - звуковые колебания в системе поверхностных возбуждений. Для чистого Не II это звук в системе рипплонов (квазичастиц, соответствующих квантованным капиллярным волнам на поверхности Не II). В тонких сверхтекучих гелиевых плёнках распространяется третий звук (ТЗ) - практически изотермич. поверхностные волны в пленке Не II. Распространение ТЗ сопровождается осцилляциями сверхтекучей компоненты параллельно подложке, а нормальная компонента при не очень толстой плёнке тормозится подложкой и в колебаниях не участвует. Существ. особенностью ТЗ является значит. испарение и конденсация гелия при колебаниях, что сглаживает осцилляции температуры и приводит к почти изотермич. характеру распространения волны. Скорость изотермич. ТЗ

где относит. плотность сверхтекучей компоненты

усреднена по толщине плёнки d, Е - потенциал сил ван-дер-ваальсовского притяжения гелиевого атома к подложке (см. Межмолекулярное взаимодействие), L - теплота испарения. Четвёртый звук (ЧЗ) распространяется в Не II, находящемся в узких капиллярах или в мелкопористой среде, когда длина свободного пробега квазичастиц Не II сравнима или заметно превосходит характерный размер в системе. При этом нормальная компонента жидкости неподвижна и для определения скорости ЧЗ в ур-ниях гидродинамики следует положить v_n=0. В результате, если пренебречь коэф. теплового расширения, и²₄= (r_s/r)u²₁+ (r_n/r)u²₂. Как правило, в этом выражении второй член много меньше первого. При низких темп-pax скорость распространения ЧЗ как в чистом ⁴Не, так и в слабых растворах ³Не в Не II близка к скорости ПЗ. Пятый звук представляет собой тепловые (температурные) волны в сверхтекучих гелиевых плёнках в условиях, когда процессы испарения (конденсации) в плёнке подавлены. Волны пятого звука являются адиабатическими и распространяются со скоростью u²₅= (r_n/r)u²₂. При достаточно низких темп-pax примесная система ³Не в растворе ³Не в Не II тоже должна перейти в сверхтекучее состояние. В таком растворе с двумя бозе-конденсатами ³Не и ⁴Не могут распространяться звуковые волны трёх типов: 1) колебания плотности (давления) со скоростью распространения, близкой к скорости ПЗ в чистом Не II; 2) колебания в системе примесных квазичастиц ³Не, распространяющиеся со скоростью, близкой, в меру малой концентрации ³Не, к

где vF - фермиевская скорость (см. Ферми-жидкость; )3) температурные колебания со скоростью распространения, экспоненциально убывающей с уменьшением концентрации ³Не. Волны второго и третьего типов соответствуют ПЗ и ВЗ в сверхтекучем ферми-газе примесных квазичастиц ³Не.

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

Звук в сверхтекучем гелии-4

Литература по звуку в сверхтекучем гелии-4