Кв а нтов ж і дкость, рідина, властивості якої визначаються квантовими ефектами. Прикладом К. ж. є рідкий гелій при температурі, близькій до абсолютного нуля. Квантові ефекти починають проявлятися в рідини при досить низьких температурах, коли довжина хвилі де Бройля для частинок рідини, обчислена за енергії їх теплового руху, стає порівнянної з відстанню між ними. Для рідкого гелію ця умова виконується при температурі 3-2 К.
Згідно з уявленнями класичної механіки, з пониженням температури кінетична енергія частинок будь-якого тіла повинна зменшуватися. В системі взаємодіючих частинок при досить низькій температурі останні будуть здійснювати малі коливання біля положень, відповідних мінімуму потенційної енергії всього тіла. При абсолютному нулі температури коливання повинні припинитися, а частки зайняти строго певні положення, т. Е. Будь-яке тіло має перетворитися в кристал. Тому самий факт існування рідин поблизу абсолютного нуля температури пов'язаний з квантовими ефектами. У квантовій механіці діє принцип: чим точніше фіксовано положення частинки, тим більше виявляється розкид значень її швидкості (див. невизначеностей співвідношення ). Отже, навіть при абсолютному нулі температури частинки не можуть займати строго певних положень, а їх кінетична енергія не звертається в нуль, залишаються так звані нульові коливання. Амплітуда цих коливань тим більше, чим слабкіше сили взаємодії між частинками і менше їх маса. Якщо амплітуда нульових коливань порівнянна із середнім відстанню між частинками тіла, то таке тіло може залишитися рідким аж до абсолютного нуля температури.
З усіх речовин при атмосферному тиску тільки два ізотопу гелію (4He і 3He) мають досить малу масу і настільки слабка взаємодія між атомами, що залишаються рідкими поблизу абсолютного нуля і дозволяють тим самим вивчити специфіку К. ж. Властивостями К. ж. мають також електрони в металах.
К. ж. діляться на бозе-рідини і фермі-рідини, згідно відмінності у властивостях частинок цих рідин і згідно із чинними для їх опису статистиками Бозе - Ейнштейна і Фермі - Дірака (див. статистична фізика ). Бозе-рідина відома тільки одна - рідкий 4He, атоми якого мають рівне нулю спіном (Внутрішнім моментом кількості руху). Атоми більш рідкісного ізотопу 3He і електрони в металі мають напівцілий спин (1/2), вони утворюють фермі-рідини.
Рідкий 4He був першою різнобічно дослідженою К. ж. Теоретичні уявлення, розвинені для пояснення основних ефектів в рідкому гелії, лягли в основу загальної теорії К. ж. Гелій 4He при 2,171 К і тиску насиченої пари відчуває фазовий перехід II роду в новий стан Не II зі специфічними квантовими властивостями. Сама наявність точки переходу зв'язується з появою так званого бозе-конденсату (див. Бозе - Ейнштейна конденсація ), Т. Е. Кінцевої частки атомів в стані з імпульсом, строго рівним нулю. Це новий стан характеризується надтекучістю , Т. Е. Протіканням Не II без будь-якого тертя через вузькі капіляри і щілини. Надтекучість була відкрита П. Л. Капицею (1938) і пояснена Л. Д. Ландау (1941).
Згідно з квантовою механікою, будь-яка система взаємодіючих частинок може перебувати тільки в певних квантових станах, характерних для всієї системи в цілому. При цьому енергія всієї системи може змінюватися тільки певними порціями - квантами. Подібно атому, в якому енергія змінюється шляхом випускання або поглинання світлового кванта, в К. ж. зміна енергії відбувається шляхом випускання або поглинання елементарних збуджень, що характеризуються певним імпульсом р, енергією e (р), що залежить від імпульсу, і спіном. Ці елементарні збудження відносяться до всієї рідини в цілому, а не до окремих часток і називається в силу їх властивостей (наявності імпульсу, спина і т.д.) квазічастинками . Прикладом квазичастиц є звукові збудження в Не II - фонони , З енергією 
, де 
- планка постійна , Поділена на 2 p, з - швидкість звуку. Поки число квазічастинок малий о, що відповідає низьких температур, їх взаємодія незначно і можна вважати, що вони утворюють ідеальний газ квазічастинок. Розгляд властивостей К. ж. на основі цих поданні виявляється, в даному разі, більш простим, ніж властивостей звичайних рідин при високих температурах, коли число збуджень велике і їх властивості не аналогічні властивостям ідеального газу.
Якщо К. ж. тече з деякою швидкістю u через вузьку трубку або щілину, то її гальмування за рахунок тертя складається в освіті квазичастиц з імпульсом, спрямованим протилежно швидкості течії. В результаті гальмування енергія К. ж. повинна спадати, але не плавно, а певними порціями. Для освіти квазичастиц з необхідною енергією швидкість потоку повинна бути не менше, ніж u c = min [e (p) / p]; цю швидкість називають критичною. К. ж., У яких u c ¹ 0, будуть надтекучого, тому що при швидкостях, менших u c, нові квазічастинки не утворюються, і, отже, рідина не гальмується. Передбачений теорією Ландау і експериментально підтверджений енергетичний спектр e (р) квазичастиц в Не II задовольняє цій вимозі.
Неможливість освіти при перебігу з u <u c нових квазічастинок в Не II призводить до своєрідної двохрідинної гідродинаміки. Сукупність наявних в Не II квазічастинок розсіюється і гальмується стінками судини, вона становить як би нормальну в'язку частину рідини, в той час як інша рідина є сверхтекучей. Для надплинності характерно поява в деяких умовах (наприклад, при обертанні судини) вихорів з квантованной циркуляцією швидкості сверхтекучей компоненти. В Не II можливе поширення двох типів звуку, з яких 1-й звук відповідає звичайним адіабатичним коливанням щільності, в той час як 2-й звук відповідає коливанням щільності квазічастинок і, отже, температури (див. другий звук )
Наявність газу квазічастинок однаково характерно як для бозе-, так і для фермі-рідини. У фермі-рідини частина квазичастиц має напівцілий спин і підпорядковується статистиці Фермі - Дірака, це так називемий одночасткові збудження. Поряд з ними в фермі-рідини існують квазічастинки з цілочисельним спіном, що підкоряються статистиці Бозе - Ейнштейна, з них найбільш цікавий «нуль-звук», передбачений теоретично і відкритий в рідкому 3He (див. нульовий звук ). Фермі-рідини діляться на нормальні і надплинні в залежності від властивостей спектра квазічастинок.
До нормальним фермі-рідин відносяться рідкий 3He і електрони в ненадпровідний металах, в яких енергія одночасткових збуджень може бути як завгодно малої при кінцевому значенні імпульсу, що призводить до u c = 0. Теорія нормальних фермі-рідин була розвинена Л. Д. Ландау ( 1956-58).
Єдиною, але дуже важливою сверхтекучей фермі-рідиною є електрони в надпровідних металах (див. надпровідність ). Теорія сверхтекучей фермі-рідини була розвинена Дж. Бардином , Л. Купером і Дж. Шріффером (1957) і Н. Н. Боголюбовим (1957). Між електронами в надпровідниках, згідно з цією теорією, переважає тяжіння, що призводить до утворення з електронів з протилежними, але рівними за абсолютною величиною імпульсами пов'язаних пар з сумарним моментом, рівним нулю (див. Купера ефект ). Для виникнення будь-якого одночасткову збудження - розриву пов'язаної пари - необхідно затратити кінцеву енергію. Це призводить, на відміну від нормальних фермі-рідин, до u c ¹ 0, т. Е. До надплинності електронної рідини (надпровідності металу). Існує глибока аналогія між надпровідність і надтекучістю. Як і в 4He, в надпровідних металах є фазовий перехід II роду, пов'язаний з появою бозе-конденсату пар електронів. При певних умовах в магнітному полі в так званих надпровідниках II роду з'являються вихори з квантованим магнітним потоком, що є аналогом вихорів в Не II.
Крім перерахованих вище К. ж., До них відносяться суміші 3He і 4He, які при поступовій зміні співвідношення компонентів утворюють безперервний перехід від фермі- до бозе-рідини. Згідно з теоретичними уявленнями, при надзвичайно високому тиску і досить низьких температурах всі речовини повинні переходити в стан К. ж., Що можливо, наприклад, в деяких зірках.
Літ .: Ландау Л. Д. і Ліфшиц Е. М., Статистична фізика, 2 вид., М., 1964; Абрикосов А. А., Халатников І. М., Теорія фермі-рідини, «Успіхи фізичних наук», 1958, т. 66, ст. 2, с. 177; Фізика низьких температур, пров. з англ., М., 1959; Пайнс Д., Нозьєр Ф., Теорія квантових рідин, пров. з англ., М., 1967.
С. В. Йорданський.
