Капица Пeтр Леонидович. Открытия в области физики низких температур

Капица Петр Леонидович (26 июня (8 июля) 1894, Кронштадт — 8 апреля 1984, Москва) — российский физик и инженер, член Лондонского Королевского общества (1929), академик АН СССР (1939), Герой Социалистического Труда (1945, 1974). Труды по физике магнитных явлений, физике и технике низких температур, квантовой физике конденсированного состояния, электронике и физике плазмы. В 1922-1924 разработал импульсный метод создания сверхсильных магнитных полей. В 1934 изобрел и построил машину для адиабатического охлаждения гелия. В 1937 открыл сверхтекучесть жидкого гелия. В 1939 дал новый метод ожижения воздуха с помощью цикла низкого давления и высокоэффективного турбодетандера. Нобелевская премия (1978). Государственная премия СССР (1941, 1943). Золотая медаль им. Ломоносова АН СССР (1959). Медали Фарадея (Англия, 1943), Франклина (США, 1944), Нильса Бора (Дания, 1965), Резерфорда (Англия, 1966), Камерлинг-Оннеса (Нидерланды, 1968).

Первые научные работы Капица публикует в 1916, будучи студентом 3-го курса ППИ. После защиты дипломной работы в сентябре 1919 получает звание инженера-электрика. Но еще осенью 1918, по приглашению А. Ф. Иоффе, становится сотрудником Физико-технического отдела Рентгенологического и радиологического института (преобразованного в ноябре 1921 г. в Физико-технический институт). В 1920 совместно с Н. Н. Семеновым предлагает метод определения магнитного момента атома, основанный на взаимодействии атомного пучка с неоднородным магнитным полем. Этот метод был затем осуществлен в известных Опытах Штерна—Герлаха.

22 мая 1921 прибывает в Англию в качестве члена комиссии Российской академии наук, направленной в страны Западной Европы для восстановления научных связей, нарушенных войной и революцией. 22 июля начинает работать в Кавендишской лаборатории, руководитель которой,Резерфорд, согласился принять его на краткосрочную стажировку. Экспериментальное мастерство и инженерная хватка молодого русского физика производят на Резерфорда столь сильное впечатление, что он добивается специальной субсидии для его работ. С января 1925 Капица — заместитель директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям. В 1929 избран действительным членом Лондонского Королевского общества. В ноябре 1930 Совет Королевского общества из средств, завещанных Обществу химиком и промышленником Л. Мондом, выделяет 15 000 фунтов стерлингов на строительство в Кембридже лаборатории для Капицы. Торжественное открытие Мондовской лаборатории состоялось 3 февраля 1933.

В течение 13 лет успешной работы в Англии Капица оставался лояльным гражданином СССР и делал все возможное, чтобы помочь развитию науки в своей стране. Благодаря его содействию и влиянию многие молодые советские физики получили возможность поработать в течение продолжительного времени в Кавендишской лаборатории. В «Международной серии монографий по физике» издательства Оксфордского университета, одним из основателей и главных редакторов которой был Капица, выходят в свет монографии Г. А. Гамова, Я. И. Френкеля и Н. Н. Семенова. Но все это не помешало властям СССР осенью 1934, когда Капица приехал на родину повидать близких и прочитать ряд лекций о своих работах, аннулировать его обратную визу. Его вызвали в Кремль и сообщили, что отныне он должен будет работать в СССР.

В декабре 1934 Политбюро принимает постановление о строительстве в Москве Института физических проблем. Капица соглашается продолжать в Москве свои исследования в области физики лишь при условии, что его институт получит созданные им в Англии научные установки и приборы. В противном случае он вынужден будет переменить область своих исследований и заняться биофизикой (проблемой мускульных сокращений), которой он давно интересуется. Он обращается к И. П. Павлову, и тот соглашается предоставить ему место в своем институте. В августе 1935 Политбюро вновь рассматривает вопрос о Капице на своем заседании и выделяет 30 000 ф. ст. на приобретение оборудования его кембриджской лаборатории. В декабре 1935 это оборудование начинает поступать в Москву.

Капица внес значительный вклад в развитие физики магнитных явлений, физики и техники низких температур, квантовой физики конденсированного состояния, электроники и физики плазмы. В 1922 он впервые поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле и наблюдал искривление траекторий альфа-частиц. Эта работа предшествовала обширному циклу исследований Капицы по методам создания сверхсильных магнитных полей и исследованиям поведения металлов в них. В этих работах был впервые разработан импульсный метод создания магнитного поля путем замыкания мощного альтернатора и получен ряд фундаментальных результатов в области физики металлов (линейный рост сопротивления в больших полях, насыщение сопротивления). Поля, полученные Капицей, по величине и длительности в течение десятилетий были рекордными.

Потребность в проведении исследований по физике металлов при низких температурах привела Капицу к созданию новых методов получения низких температур. В 1934 он изобрел ожижительную машину для адиабатического охлаждения гелия. Этот способ охлаждения гелия теперь лежит в основе всей современной техники получения низких температур вблизи абсолютного нуля – гелиевых температур. Вместе с тем, применение метода адиабатического охлаждения к воздуху привело к разработке Капицей в 1936-1938 нового метода ожижения воздуха с помощью цикла низкого давления и изобретенного им высокоэффективного турбодетандера. Воздухоразделительные установки низкого давления работают сейчас во всем мире, производя более 150 млн. тонн кислорода в год. Турбодетандер Капицы (с КПД 86–92 %) используется не только в них, но и во многих других криогенных системах.

В 1937 после серии тонких экспериментов Капица открывает сверхтекучесть гелия. Он показал, что вязкость жидкого гелия, протекающего через тонкие щели, при температуре ниже 2,19 К во столько раз меньше вязкости любой самой маловязкой жидкости, что она, по-видимому, равна нулю. Поэтому Капица назвал такое состояние гелия сверхтекучим. Это открытие положило начало развитию совершенно нового в физике направления – физики конденсированного состояния. Для его объяснения пришлось ввести новые квантовые представления – так называемые элементарные возбуждения, или квазичастицы.

Исследования Капицы по прикладной электродинамике, которые он начал в конце 1940-х гг. на Николиной Горе, привели к изобретению новых устройств для генерации сверхвысокочастотных колебаний большой постоянной мощности. Эти генераторы – ниготроны – были затем использованы для создания высокотемпературной плазмы высокого давления.

В Капице с молодых лет в одном лице существовали физик, инженер и мастер «золотые руки». Этим он и покорил Резерфорда в первый же год работы в Кембридже. Его учитель А. Ф. Иоффе в составленном им представлении Капицы к избранию в члены-корреспонденты АН СССР, которое потом подписали и другие ученые, в 1929 писал: «Петр Леонидович, совмещающий в себе гениального экспериментатора, прекрасного теоретика и блестящего инженера, — одна из наиболее ярких фигур в современной физике».

Бесстрашие — одна из самых характерных черт Капицы-ученого и гражданина. После того, как осенью 1934 власти СССР не разрешили ему вернуться в Кембридж, он понял, что в тоталитарном государстве, в котором ему предстоит работать, все решает высшее руководство страны. С этим руководством он и стал вести прямой и откровенный разговор. И здесь он следовал завету столь же бесстрашного И. П. Павлова, который в декабре 1934 сказал ему: «…Ведь я только один здесь говорю, что думаю, а вот я умру, вы должны это делать, ведь это так нужно для нашей родины…» (из письма Капицы жене от 4 декабря 1934). С 1934 по 1983 Капица написал более 300 писем «в Кремль». Из них Сталину — 50, Молотову — 71, Маленкову — 63, Хрущеву — 26. Благодаря его вмешательству, от гибели в тюрьмах и лагерях в годы сталинского террора были спасены В.А. Фок, Л.Д. Ландау и И.В. Обреимов. В последние годы жизни он выступил в защиту А.Д. Сахарова и Ю. Ф. Орлова.

Капица был замечательным организатором науки. В основе успеха его организаторской деятельности лежал простой принцип, который он сформулировал и записал на отдельном листе бумаги: «Руководить — это значит не мешать хорошим людям работать». Даже в самые мрачные времена советского изоляционизма Капица всегда отстаивал принципы интернационализма в науке. Из его письма Молотову от 7 мая 1935: «Я твердо верю в интернациональность науки и верю в то, что настоящая наука должна быть вне всяких политических страстей и борьбы, как бы ее туда ни стремились вовлечь. И я верю, что та научная работа, которую я делал всю жизнь, есть достояние всего человечества, где бы я ее ни творил».