Пётр Леонидович Капица

Русский и советский учёный Пётр Леонидович Капица соединял работу физика-экспериментатора с инженерией и организацией науки. В круг его исследований входили сильные магнитные поля, жидкий гелий, глубокое охлаждение, промышленное производство кислорода и мощная высокочастотная электроника. Наибольшую известность ему принесли опыты при низких температурах. В 1937 году Капица наблюдал, как ниже лямбда-точки жидкий гелий течёт с необычайно малым сопротивлением, и назвал это состояние «сверхтекучестью».

В 1978 году, спустя четыре десятилетия, учёному присудили половину Нобелевской премии по физике за основополагающие изобретения и открытия в области физики низких температур. Вторую половину премии разделили Арно Пензиас и Роберт Вильсон за обнаружение космического микроволнового фонового излучения.

Научная биография Капицы связала Россию с Великобританией. Окончив Петроградский политехнический институт, в 1921 году он приехал в Кембридж и поступил в Кавендишскую лабораторию, которой руководил Эрнест Резерфорд. В Англии Капица разработал способы кратковременно создавать сверхсильные магнитные поля, возглавил отдельную лабораторию и был избран в Лондонское королевское общество. Очередной приезд в СССР в 1934 году закончился запретом на возвращение в Англию. Чтобы учёный мог продолжить опыты, в Москве учредили Институт физических проблем; позднее для него приобрели и доставили из Кембриджа оборудование Мондовской лаборатории.

Основным методом Капицы был эксперимент. Физическую задачу ему нередко задавали пределы техники: магнит не создавал нужного поля, установка для ожижения гелия работаа медленно, тепло передавалось плохо или мощный разряд терял устойчивость. Тогда Капица строил новую установку, испытывал её при предельной нагрузке и лишь после этого изучал вещество. Такой способ работы связывает его ранние магнитные эксперименты, гелиевые исследования 1930-х, турбодетандер для ожижения воздуха и поздние опыты с плазмой.

Детство и образование, 1894–1912

Местом рождения Петра Капицы стал Кронштадт, а датой по юлианскому календарю — 26 июня 1894 года. В григорианском календаре XIX века это 8 июля. После календарной реформы семья отмечала день рождения 9 июля. Отец будущего физика, военный инженер Леонид Петрович Капица, занимался крепостным строительством. Его мать Ольга Иеронимовна, в девичестве Стебницкая, работала в педагогике, писала для детей и собирала фольклор. Кронштадт был городом флота, мастерских, военной техники и инженерных сооружений.

Леонид Капица учился в Николаевской инженерной академии и завершил службу генерал-майором инженерного корпуса. Он рассчитывал и строил оборонительные сооружения Кронштадта. Будущему физику семья дала возможность получить техническое образование.

Учиться в гимназии Пётр начал в 1905 году. В классической программе преобладали гуманитарные предметы и обязательная латынь, с которой он не справлялся. Через год Капица продолжил образование в Кронштадтском реальном училище. Программа училища отводила древним языкам меньше часов, зато делала упор на математику, естествознание, черчение и прикладные дисциплины.

Образование Капицы дополняли поездки. Подростком он вместе с семьёй побывал в Германии, Швейцарии, Италии и Греции. Летом 1913 года Пётр и его старший брат Леонид отправились на Русский Север. В Архангельске, на Соловецких островах и побережье Баренцева моря братья собирали этнографические сведения и проводили антропологические наблюдения среди поморов. Вернувшись, Пётр подготовил для иллюстрированного журнала статью о производстве рыбьего жира и сопроводил её собственными снимками.

Выпустившись из реального училища в 1912 году, Капица выбрал электромеханический факультет Петербургского политехнического института. Институт относился к ведущим инженерным вузам Российской империи. Математическую подготовку студентов там сочетали с занятиями на электрических машинах и измерительных приборах, а также с изучением промышленных технологий.

В Политехническом институте на Капицу обратил внимание Абрам Фёдорович Иоффе. Вокруг Иоффе складывался круг молодых учёных, изучавших физику твёрдого тела, электричество и магнетизм. Ещё до выпуска он пригласил Капицу работать в лаборатории. Для Капицы это означало переход от учебных практикумов к исследованию, где ответ заранее неизвестен и прибор приходится приспосабливать к задаче.

Война, первые работы и семейная трагедия, 1914–1921

Лето 1914 года Капица проводил в Шотландии, в доме судостроителя Томаса Миллара в Глазго. Поездку оборвало начало Первой мировой войны. Вернуться в Россию он смог только к концу года через страны, которые еще сохраняли нейтралитет и сообщение с Российской империей.

В январе 1915 года Капица добровольцем стал водителем санитарного отряда Союза городов. К юго-западу от Варшавы он вывозил раненых из района боёв и ремонтировал автомобили. Весной того же года Капица вернулся к занятиям в Петрограде. Добровольная служба продолжалась несколько месяцев.

В 1916 году Капица опубликовал первые научные работы. Одна была посвящена инерции электронов в амперовых молекулярных токах, другая — приготовлению волластоновских нитей. Волластоновские нити представляли собой чрезвычайно тонкую платиновую проволоку для точных физических приборов. Исследователю пришлось не только провести расчёты, но и найти способ изготовить деталь, недоступную обычной механической обработке.

В 1916 году женой Капицы стала Надежда Кирилловна Черносвитова. За невестой он отправился в Китай, где она находилась у брата; обратный путь молодожёнов прошёл через Японию. Год спустя у них родился сын Иероним.

После революции и с началом Гражданской войны Политехнический институт работал уже в иных условиях. В лабораториях не хватало оборудования и научной литературы, а в городе — топлива и продовольствия. Капица всё же завершил образование. Диплом инженера-электрика он получил в сентябре 1919 года, после чего остался у Иоффе в физико-техническом подразделении, вскоре преобразованном в самостоятельный институт.

Зимой 1919–1920 годов Капица пережил череду семейных трагедий. Примерно за месяц во время эпидемии гриппа умерли его отец, двухлетний сын, жена и новорождённая дочь. Эти смерти подтверждены документами.

Получив диплом, Капица совмещал преподавание с исследованиями. Совместно с Николаем Семёновым он разработал способ измерять магнитный момент атома по отклонению атомного пучка в неоднородном магнитном поле. Замысел появился раньше знаменитого опыта Штерна — Герлаха, хотя публикация последовала лишь в 1922 году. Решающий эксперимент авторы метода тогда не поставили, поэтому речь идёт о раннем проекте, а не о самостоятельном доказанном открытии.

Иоффе стремился вернуть российскую физику в международную научную среду. Пережившим войну и революцию лабораториям недоставало приборов и книг, а учёным — связей с зарубежными коллегами. Весной 1921 года Российская академия наук включила Капицу в комиссию, которая отправлялась в Западную Европу закупать оборудование и восстанавливать научные контакты.

Кембридж и Резерфорд, 1921–1925

В Великобританию Капица приехал в мае 1921 года. Он рассчитывал попасть в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета. Лабораторией руководил Эрнест Резерфорд — нобелевский лауреат, один из основателей ядерной физики и глава крупной международной школы.

Первая просьба принять Капицу не гарантировала успеха. В лаборатории уже работало много исследователей. Иоффе представил молодого физика Резерфорду, а Капица сумел получить возможность начать работу. 22 июля 1921 года он приступил к экспериментам в Кавендишской лаборатории.

Первой темой стало прохождение альфа-частиц через вещество. Капица измерял потерю их энергии в конце пробега. Такие измерения требовали чувствительной регистрации и точного представления о движении заряженной частицы в веществе. Вскоре, однако, Капица переключился на иную задачу: как получить поле гораздо сильнее возможностей обычного лабораторного электромагнита.

В сильном магнитном поле заметнее меняются траектории заряженных частиц и электрические свойства вещества. Усиление поля тем самым помогает измерять слабые эффекты. Но обычный электромагнит упирается в технические ограничения. Большой постоянный ток нагревает обмотку, а механические силы стремятся разорвать катушку.

Капица предложил не держать предельное поле постоянно. Вместо этого через специальную катушку следовало пропускать очень большой ток только на тысячные доли секунды. За такой короткий импульс проводник не успевал нагреться до разрушения. Катушку требовалось укрепить, а источник тока рассчитать на кратковременную нагрузку.

Летом 1922 года он начал строить систему для импульсных сверхсильных полей на аккумуляторной батарее. Осенью получил британское финансирование на продолжение работы. В ноябре ему удалось поместить камеру Вильсона в поле около 75 килогаусс и наблюдать искривление траекторий альфа-частиц. В малой катушке он получал ещё более сильные импульсы — порядка сотен килогаусс на несколько тысячных секунды.

Камера Вильсона делала путь заряженных частиц видимым по следу капелек конденсата. В обычном опыте альфа-частица оставляла почти прямую дорожку. Сильное магнитное поле изгибало её траекторию. Установка Капицы позволяла изучать частицы и вещество в полях, ранее недоступных для эксперимента.

Докторскую диссертацию Капица защитил в Кембридже в 1923 году. К тому времени он превратился из временного стажёра в самостоятельного сотрудника лаборатории. Резерфорд позволял ему развивать собственную экспериментальную программу, хотя общая работа оставалась частью Кавендиша.

Осенью 1922 года Капица организовал неформальный физический семинар. Он получил название «Клуб Капицы». На заседаниях обсуждали новые работы, приглашали докладчиков и спорили без официальной церемониальности. Семинар стал важной частью кембриджской научной среды и пережил отъезд своего основателя.

Сверхсильные магнитные поля, 1924–1930

Для следующего шага Капице требовался источник импульса мощнее аккумуляторов. Совместно с электротехником Михаилом Костенко он разработал схему специального генератора. Генератор проектировали так, чтобы краткий разряд огромного тока поступал в опытную катушку, но машина не оставалась под такой нагрузкой постоянно.

Заказ на генератор выполнил манчестерский завод Metropolitan-Vickers. Готовая машина прибыла в Кембридж в 1925 году. Сначала энергия запасалась механически во вращающихся частях, затем быстро переходила в электрическую цепь магнита. Исследователь мог многократно получать контролируемый сильный импульс без огромной аккумуляторной батареи.

С января 1925 года Капица занимал пост заместителя директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям. Осенью его избрали членом Тринити-колледжа. Отдельную магнитную лабораторию для опытов Капицы торжественно открыли в Кембридже в марте 1926 года.

Рост тока усиливал магнитное давление на проводник и грозил разрушить его — это оставалось главной инженерной трудностью. Капица рассчитывал форму катушек, усиливал их механически и ограничивал длительность импульса. На короткое время его установки создавали поля, недоступные обычным электромагнитам.

Эти приборы использовались для изучения металлов. В сильном поле траектории электронов проводимости меняются, а вместе с ними меняется электрическое сопротивление. Различия, почти незаметные в слабом поле, при его усилении уже поддавались измерению.

Опыты 1928 года показали: у ряда металлов в сильном магнитном поле сопротивление растёт почти линейно вместе с полем. За этой зависимостью позднее закрепилось название закона Капицы. Результат относился к конкретной области условий и материалам, а не означал универсального закона для любого проводника.

Магнитные исследования сделали Капицу известным за пределами Кембриджа. В феврале 1929 года он стал членом-корреспондентом Академии наук СССР, а 2 мая был избран действительным членом Лондонского королевского общества.

Во время неоднократных приездов в СССР Капица выступал с лекциями и консультировал физические институты. Он сохранял советское гражданство и связи с Иоффе, Харьковским физико-техническим институтом и Академией наук. Главные опыты, постоянная лаборатория и семейная жизнь учёного между тем оставались в Кембридже.

В 1930 году из фонда Людвига Монда Лондонское королевское общество предоставило 15 тысяч фунтов на лабораторию для Капицы. Учёный получил должности профессора-исследователя Королевского общества и директора будущей Мондовской лаборатории. Это давало ему редкую автономию: можно было проектировать помещение и оборудование под собственную экспериментальную программу.

Мондовская лаборатория и низкие температуры, 1930–1934

Мондовскую лабораторию спроектировали специально для экспериментов Капицы. Опыты с сильными полями нуждались в тяжёлых электрических машинах, мощных токовых линиях, прочных катушках и безопасной зоне для коротких импульсов. В то же время внимание Капицы всё заметнее смещалось к низким температурам, при которых свойства жидкостей и металлов меняются особенно резко.

К началу работ Капицы физика низких температур уже прошла важные этапы. Хейке Камерлинг-Оннес впервые сжижил гелий в 1908 году. Ещё через три года его лейденская лаборатория обнаружила сверхпроводимость: у некоторых охлаждённых почти до абсолютного нуля материалов исчезало электрическое сопротивление. Однако работать с жидким гелием по-прежнему было трудно. Для систематических опытов требовались регулярные порции заметно больше нескольких капель.

За абсолютный нуль приняты 0 кельвинов, то есть приблизительно −273,15 °C. При обычном атмосферном давлении гелий становится жидким около 4,2 K. Достичь такой температуры непросто: обычный холодильник выводит тепло из холодной камеры, тогда как вблизи абсолютного нуля большая часть привычных методов уже не действует.

Газ охлаждается, когда расширяется и при этом совершает работу. Толкая поршень либо вращая турбину, он отдаёт часть внутренней энергии в механической форме. Температура падает. Этот принцип Капица применил в гелиевой установке с адиабатическим расширением и поршневым детандером, работавшим при очень низкой температуре.

19 апреля 1934 года в Мондовской лаборатории Капица получил жидкий гелий на новом ожижителе. Важным техническим решением была газовая смазка поршня. Обычная смазка при криогенных температурах замёрзла бы или загрязнила рабочий газ. Тонкий газовый слой позволял движущимся деталям работать там, где привычные масла были непригодны.

Установка существенно ускоряла получение жидкого гелия. Это меняло сам характер исследований. Если на подготовку небольшого запаса хладагента уходило слишком много времени, экспериментатор вынужден экономить каждую порцию и ограничивать число измерений. Более производительный ожижитель позволял повторять опыты, менять геометрию приборов и проверять неожиданные эффекты.

3 февраля 1933 года Мондовская лаборатория была официально открыта. На здании появился крокодил работы скульптора Эрика Гилла. Капица называл Резерфорда «Крокодилом»; происхождение и смысл прозвища он объяснял по-разному, но оно стало частью дружеской традиции. Важнее самого символа было то, что Резерфорд поддержал создание лаборатории для научной программы своего бывшего ученика.

В Кембридже Капица сформировал небольшую школу экспериментаторов. Он требовал, чтобы исследователь понимал устройство аппарата и мог самостоятельно исправить его слабое место. Высокая точность измерения не компенсировала плохо продуманную установку. Конструкция прибора определяла сам физический метод и качество данных.

К 1934 году Капица находился в необычном положении. Он был советским гражданином, регулярно посещал СССР и при этом пользовался широкой исследовательской самостоятельностью в британской физике. Его жена Анна Алексеевна и двое сыновей жили в Кембридже. Научное оборудование было построено специально под его программу. Именно в этот момент очередная поездка в Советский Союз изменила всю дальнейшую карьеру.

Запрет на выезд и создание института, 1934–1937

1 сентября 1934 года Капица приехал в СССР для лекций и консультаций, как делал и прежде. На этот раз власти не разрешили ему выехать обратно. Решение не было результатом научной дискуссии и застало его при действующей лаборатории в Кембридже. Жена и дети оставались в Англии, а сам учёный оказался без основной аппаратуры.

Обстоятельства запрета позднее обросли множеством пересказов. Уверенно можно установить сам факт: после приезда 1934 года Капица не получил разрешения вернуться к работе в Мондовской лаборатории. Документы лишь частично раскрывают мотивы советского руководства и не позволяют уверенно назвать единственную причину решения.

Капица не согласился продолжать работу в любой предложенной лаборатории. Его исследования требовали криогенной техники, квалифицированных механиков, собственной мастерской и организационной самостоятельности. Учёный требовал отдельного института, способного возобновить начатую в Кембридже программу.

23 декабря 1934 года правительство распорядилось построить в Москве Институт физических проблем. С начала 1935 года Капица стал его руководителем. Название подчёркивало, что институт не привязывается к одной отрасли: состав задач должен определяться физическими проблемами и возможностями работающих там учёных.

Но здание без оборудования не возвращало Капице прежний уровень эксперимента. Главные установки оставались в Кембридже. Резерфорд искал возможность вернуть коллеге условия для научной работы. Итогом переговоров стало согласие Кембриджского университета продать СССР оборудование Мондовской лаборатории для московского института.

В 1936 году Анна Капица привезла в Москву сыновей Сергея и Андрея. Семья воссоединилась, однако путь назад в Кембридж по-прежнему был закрыт. Капица теперь строил лабораторию заново, переносил аппаратуру и набирал сотрудников.

Институт физических проблем был сравнительно небольшим. Капица считал, что экспериментальной физике полезнее компактный коллектив с сильной мастерской, чем большое учреждение с разветвлённой администрацией. В здании разместили лаборатории, криогенные установки, механические службы и помещения для семинаров.

Организация мастерской имела научное значение. Криогенный прибор редко удавалось заказать полностью готовым: требовались нестандартные сосуды, клапаны, теплообменники, поршни и измерительные детали. Если каждую переделку отправлять на внешний завод, цикл опыта растягивается на недели. Собственные механики позволяли физику утром обнаружить дефект, обсудить его с мастером и быстро получить новую деталь.

В 1937 году Капица открыл регулярный семинар, позднее получивший название «Капичник». Докладчики должны были отвечать на вопросы об устройстве и результатах опыта; скрыть неясность за громоздкими формулами или ссылкой на опубликованную работу не удавалось. Постепенно «Капичник» стал общемосковской площадкой для обсуждения физики.

Капица одновременно участвовал в защите коллег в условиях политических репрессий. В феврале 1937 года он писал советскому руководству после ареста физика Владимира Фока; тот вскоре был освобождён. В 1938–1939 годах значительно более длительная борьба развернулась вокруг Льва Ландау. Эти эпизоды не отменяют привилегированного положения самого академика, но показывают, что свой доступ к верховной власти он иногда использовал не только для института.

Открытие сверхтекучести

После запуска криогенной техники в Москве Капица вернулся к жидкому гелию. К этому времени было известно, что около 2,17 K его свойства резко меняются. Температуру перехода называют лямбда-точкой из-за формы графика теплоёмкости, напоминающей греческую букву λ. Жидкость выше перехода называют гелием I, ниже — гелием II.

Гелий II вёл себя необычно ещё до опытов Капицы. Исследователи наблюдали очень высокую теплопроводность и странности при течении. Но обычные измерения вязкости давали неясную картину. Вязкость — внутреннее сопротивление жидкости течению. У мёда она велика, у воды меньше. Если жидкость почти не оказывает сопротивления движению, стандартный метод может перестать работать в привычном виде.

Капица исходил из тепловой аномалии. Если гелий II переносит тепло чрезвычайно эффективно, одной из причин могла быть сильная конвекция — быстрое движение самой жидкости. Для этого её вязкость должна быть очень малой. Проверить предположение нужно было таким опытом, где обычное гидродинамическое сопротивление можно измерить напрямую.

Он исследовал течение жидкого гелия через очень узкие щели между тщательно подогнанными поверхностями. Размер канала был настолько мал, что обычная жидкость испытывала бы заметное сопротивление. Давление заставляло гелий проходить через щель, а экспериментатор измерял скорость и сравнивал её выше и ниже лямбда-точки.

Результат оказался резким. Ниже перехода поток был значительно больше ожидаемого. Из измерений следовало, что эффективная вязкость гелия II в таком течении меньше доступного прибору предела. Капица оценил её как минимум примерно в полторы тысячи раз меньшую, чем у гелия I при сопоставимых условиях.

Здесь возникала методическая проблема. Когда жидкость движется очень быстро, течение может перестать быть ламинарным. В ламинарном режиме соседние слои скользят упорядоченно, и обычная формула связывает расход с вязкостью. При турбулентности возникают вихри, и та же формула уже не даёт истинного коэффициента. Поэтому Капица осторожно говорил прежде всего о необычном режиме течения и чрезвычайно малом сопротивлении.

Статью он направил в «Доклады Академии наук СССР» и британский журнал Nature в декабре 1937 года. В январском выпуске Nature 1938 года вышло короткое сообщение Капицы «Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point». Рядом была опубликована работа Джона Аллена и Дона Мизенера из Кембриджа. Они независимо исследовали течение гелия II через тонкие капилляры и также обнаружили поведение, не подчинявшееся обычным законам вязкой жидкости.

Капица предложил назвать состояние helium II «superfluid» — сверхтекучим. Термин описывал наблюдаемое свойство без утверждения, что к тому моменту уже существовала полная теория явления. Именно эксперимент показал проблему: вещество оставалось жидкостью, но часть его движения нельзя было описать привычной вязкой гидродинамикой.

Параллельная публикация Аллена и Мизенера важна для распределения заслуг. Капица независимо обнаружил сверхтекучее течение и ввёл название, ставшее общепринятым. Кембриджские физики независимо получили тесно связанный экспериментальный результат. Поэтому историю сверхтекучести нельзя корректно свести к единственному опыту одного человека.

Физика сверхтекучего гелия

В ядре атома гелия-4 находятся два протона и два нейтрона, а вокруг него — два электрона. При сильном охлаждении квантовые законы начинают определять свойства вещества уже не только на уровне отдельных атомов. Множество частиц движется согласованно, образуя коллективное состояние, не похожее на молекулярное движение обычной жидкости.

После опытов 1938 года требовалась теория. В начале 1940-х Лев Ландау опубликовал феноменологическую квантовую теорию сверхтекучего гелия. В ней свойства жидкости объяснялись коллективными возбуждениями, что связывало воедино необычную гидродинамику и перенос тепла. Позднейшее развитие двухжидкостной модели связано также с работами Ласло Тиссы и других физиков.

Упрощённая модель описывает гелий II посредством двух компонентов, проникающих друг через друга. Нормальный компонент переносит энтропию и ведёт себя подобно обычной жидкости, тогда как сверхтекучий обладает нулевой вязкостью. Это не две жидкости, разделённые перегородкой. Речь идёт о двух способах коллективного движения одного вещества.

Двухкомпонентная модель устраняет видимое противоречие между результатами разных измерений. Через узкий канал проходит главным образом сверхтекучий компонент. Колеблющийся диск или цилиндр, напротив, испытывает сопротивление нормального компонента. Поэтому вопрос «какова вязкость гелия II» без указания режима эксперимента оказывается недостаточно точным.

Одним из характерных эффектов стал перенос тепла без обычного для жидкостей перепада температуры. Если локально нагревать гелий II, нормальная и сверхтекучая компоненты могут двигаться навстречу друг другу. Возникает контрпоток, который переносит энергию очень эффективно. Из-за этого жидкий гелий способен быстро выравнивать температуру.

Другой известный эффект — тонкая плёнка, способная ползти по стенке сосуда. Наблюдения плёночного течения существовали и у других исследователей, а их объяснение стало частью общей физики сверхтекучести.

Сверхтекучесть не означает, что любое движение гелия происходит без потерь при любой скорости. В жидкости возникают квантованные вихри, а выше критических скоростей появляются диссипативные процессы. Нулевая вязкость сверхтекучей компоненты — точное физическое утверждение в рамках соответствующего режима, а не обещание абсолютно вечного движения.

Эксперименты Капицы открыли удобный доступ к новой макроскопической квантовой системе. В сверхпроводнике квантовое состояние проявляется в электрическом токе. В гелии-4 аналогично необычные квантовые свойства становятся заметны в течении целой жидкости. Именно эта связь сделала сверхтекучесть одной из центральных тем физики конденсированного состояния XX века.

Сопротивление Капицы

Исследуя низкие температуры дальше, Капица столкнулся с другой практической проблемой. Высокая теплопроводность внутри жидкого гелия ещё не обеспечивает быстрый отвод энергии: сначала тепло должно покинуть стенку сосуда или нагретый образец. При глубоком охлаждении именно поверхность соприкосновения твёрдого тела с гелием заметно затрудняет теплопередачу.

В опытах 1940 года Капица обнаружил скачок температуры на границе, через которую тепло переходило от твёрдого тела к жидкому гелию. С дальнейшим охлаждением этот скачок становился заметнее. Выявленное межфазное тепловое сопротивление впоследствии назвали сопротивлением Капицы.

Для криогенной техники этот эффект имеет практическое значение. Образец может быть механически погружён в холодный гелий и всё же иметь более высокую температуру, если тепло плохо проходит через поверхность контакта. Поэтому при точных экспериментах приходится учитывать материал, площадь границы и режим теплообмена.

Ландау в институте и его освобождение

Теоретический отдел Института физических проблем в 1937 году возглавил Лев Ландау. Его задача отличалась от работы Капицы. Капица строил приборы, ставил опыты и формулировал экспериментальные вопросы. Ландау объяснял результаты с помощью квантовой теории.

28 апреля 1938 года Ландау арестовали. В день ареста Капица обратился к Иосифу Сталину с письмом в защиту коллеги. Освободить сотрудника своим решением он не мог: дело велось органами государственной безопасности, а вмешательство через руководителя страны несло политический риск.

Почти год Ландау оставался в заключении. Капица продолжал добиваться пересмотра дела. В апреле 1939 года он писал председателю Совнаркома Вячеславу Молотову. 28 апреля Ландау освободили под личное поручительство Капицы. Физик вернулся в институт.

Позднее теория Ландау стала основой количественного понимания сверхтекучего гелия. Это не делает Капицу автором теории, а Ландау — соавтором исходного опыта. Их роли различались и дополняли друг друга: эксперимент выявил аномальное течение, теория описала спектр коллективных возбуждений и поведение жидкости.

Работа института строилась вокруг такого разделения. Экспериментаторы обнаруживали и проверяли эффекты, а теоретики предсказывали новые наблюдаемые свойства. Капица ценил теорию, когда она помогала поставить следующий опыт, но резко относился к формальным построениям, которые нельзя было связать с измерением.

Турбодетандер и кислородная промышленность, 1936–1945

Работа с гелием была фундаментальной физикой, но криогенная техника Капицы имела и промышленное направление. Для металлургии, химии, сварки и военной промышленности требовался кислород. Его можно получать из воздуха: сначала воздух сжижают, затем разделяют компоненты по различию температур кипения. Главная трудность состоит в том, чтобы охлаждать большие потоки газа с приемлемыми затратами энергии и на надёжной аппаратуре.

Старые установки часто использовали высокое давление и эффект Джоуля — Томсона. Сжатый газ охлаждался при дросселировании через узкое отверстие или клапан. Метод работал, но требовал мощных компрессоров. Капица искал цикл с существенно меньшим давлением, где расширяющийся воздух совершает механическую работу и потому охлаждается сильнее.

Для этого нужен был турбодетандер — небольшая быстроходная турбина, через которую проходит расширяющийся газ. Воздух вращает рабочее колесо, отдаёт ему часть энергии и одновременно остывает. После достаточного предварительного охлаждения часть воздуха сжижается. Холод выходящего потока используется в теплообменнике для охлаждения нового входящего газа.

Инженерная проблема заключалась в скорости вращения и подшипниках. Малое колесо должно было делать десятки тысяч оборотов в минуту. Обычная механическая опора при низкой температуре создавала трение и могла заклинить. Созданная Капицей конструкция сохраняла устойчивость при высокой частоте вращения и в условиях криогенной машины.

Описание низконапорной установки для ожижения воздуха Капица опубликовал в 1939 году. В одной из конструкций колесо диаметром около восьми сантиметров и массой примерно 250 граммов совершало около 40 тысяч оборотов в минуту. По сравнению с традиционными высоконапорными системами машина работала при гораздо меньшем давлении. Крупное производство могло выиграть от простоты схемы и быстрого запуска.

Эта технология не была мгновенно признана всеми специалистами. Эффективность и надёжность турбодетандера стали предметом технических разногласий. При оценке промышленной машины требовалось учитывать её ресурс, энергозатраты, теплообменники, обслуживание и устойчивость работы, а не только принципиальную схему. Капица отстаивал метод испытаниями на всё более производительных установках.

Сталинскую премию первой степени Капица получил в марте 1941 года за турбодетандер и его использование для достижения низких температур. С началом Великой Отечественной войны Институт физических проблем перевели в Казань. Там продолжались исследования и работы по кислородной технике.

Автогенная резка и сварка, металлургия и предприятия оборонной промышленности нуждались в кислороде. В жидком состоянии большие объёмы кислорода удобнее перевозить, однако для этого нужны криогенные сосуды и соответствующая инфраструктура. Лабораторную машину предстояло превратить в промышленную установку, пригодную для серийной эксплуатации и обслуживания.

На опытном заводе Института физических проблем в 1943 году запустили ТК-200, производившую около 200 килограммов жидкого кислорода в час. В мае Государственный комитет обороны учредил при Совнаркоме Главное управление кислородной промышленности и поставил во главе Капицу. Он стал отвечать уже не только за собственный эксперимент, но и за организацию отраслевой программы.

Затем появилась установка ТК-2000. В начале 1945 года комиссия приняла работавшую в Балашихе машину: за час она производила примерно 1600 килограммов жидкого кислорода, что составляло около 40 тонн в сутки. ТК-2000 перенесла лабораторный метод в промышленное производство.

30 апреля 1945 года Капица стал Героем Социалистического Труда за новый турбинный способ получения кислорода и создание мощной установки. Институт физических проблем получил орден Трудового Красного Знамени. К весне 1945 года Капица занимал особенно прочное положение в советской науке.

Атомный проект и конфликт с Берией, 1945–1946

Испытание американской атомной бомбы в августе 1945 года подтолкнуло советское руководство ускорить собственный атомный проект. Работами управлял созданный при Государственном комитете обороны Специальный комитет. Среди его первых членов-физиков были Игорь Курчатов и Пётр Капица.

Научное значение ядерной энергии Капица понимал: ещё в военные годы он публично рассуждал о высвобождении внутриядерной энергии огромной мощности. Внутри системы управления атомным проектом он вскоре вступил в конфликт с главой Специального комитета Лаврентием Берией.

Спор шёл не о существовании физической задачи, а о порядке работы и отношении администраторов к заключениям учёных. В письмах Сталину Капица жаловался, что не может отвечать за решения, на которые фактически не влияет. Он прямо просил освободить его от работы в комитете и техническом совете.

3 октября, а затем 25 ноября 1945 года Капица вновь обращался к Сталину. Он объяснял, что не может быть «слепым исполнителем» и что разногласия с Берией мешают его научной работе. 21 декабря Совнарком официально освободил Капицу от участия в Специальном комитете.

Этот эпизод иногда описывают как отказ Капицы «делать атомную бомбу». Такая формула слишком груба. Он действительно вышел из руководящих органов атомного проекта по собственной настойчивой просьбе и резко критиковал методы Берии. Во время войны Капица сам руководил важной промышленной программой.

Конфликт имел последствия. Весной 1946 года началась правительственная проверка работы кислородной промышленности. В комиссию включили специалистов, которые раньше спорили с Капицей по техническим вопросам. 17 августа Совет министров СССР освободил его от должности начальника Главкислорода и директора Института физических проблем.

Капица потерял институт, созданный фактически под его научную программу. Аппаратура, сотрудники и лабораторные ресурсы остались в учреждении, а сам он оказался на даче на Николиной Горе.

Домашняя лаборатория, 1946–1955

На Николиной Горе Капица устроил небольшую домашнюю лабораторию. В переписке и воспоминаниях за ней закрепилось название «Изба физических проблем». Масштаб был несопоставим с институтом, но полностью прекращать экспериментальную работу физик не собирался.

Сначала он занимался механикой и гидродинамикой. Для таких опытов можно было построить установки без сложного комплекса криогенного оборудования. Позднее интерес сместился к мощной электронике и высокочастотным генераторам. В этой работе соединились навыки Капицы в электротехнике, постановке физических опытов и конструировании приборов.

На физико-техническом факультете Московского государственного университета Капица преподавал в 1947–1949 годах. Он участвовал в создании системы подготовки, которая позднее легла в основу Московского физико-технического института. Курс общей физики Капица и Ландау строили вокруг конкретных задач и экспериментов.

В декабре 1949 года советские учреждения широко праздновали семидесятилетие Сталина. Капица пропустил посвящённые юбилею собрания Академии наук и физико-технического факультета. Уже в январе 1950 года он лишился работы в МГУ: официальной причиной назвали отсутствие педагогической нагрузки. С июня учёный числился в Институте кристаллографии старшим научным сотрудником-консультантом.

На Николиной Горе Капица разработал мощные генераторы сверхвысокой частоты — планотрон и ниготрон. В непрерывном режиме эти устройства развивали мощность в сотни киловатт. Создаваемое СВЧ-генератором электромагнитное поле меняет направление миллиарды раз в секунду. Если мощности достаточно, оно поддерживает разряд без обычных электродов внутри горячей зоны.

Под воздействием мощного высокочастотного поля в плотном газе у Капицы возникал устойчивый плазменный шнур. Плазмой называют ионизованный газ, где значительная доля атомов лишилась электронов. Такой газ проводит электрический ток и заметно откликается на электромагнитное поле.

Чтобы запустить термоядерный синтез, вещество необходимо разогреть до чрезвычайно высокой температуры и достаточно долго удерживать в этом состоянии. Капица исследовал один из путей ввода энергии — мощное высокочастотное поле. Опыты дали самостоятельные результаты в мощной электронике и физике газового разряда, но не привели к созданию практического термоядерного реактора.

После смерти Сталина положение изменилось. 28 августа 1953 года Президиум Академии наук принял решение помочь Капице в работе. Домашняя лаборатория на Николиной Горе стала основой Физической лаборатории Академии наук, которую возглавил Капица.

28 января 1955 года Капица снова возглавил Институт физических проблем. Почти через девять лет учёный вернулся в созданное им учреждение. В июне 1955 года он также занял пост главного редактора «Журнала экспериментальной и теоретической физики».

Институт и МФТИ

Вернувшись на должность директора, Капица оставался во главе Института физических проблем до конца жизни. Расширять его до крупного универсального учреждения он не стремился. Институт оставался сравнительно небольшим, а его экспериментальная мастерская — сильной.

Капица уделял большое внимание семинару. Докладчик должен был объяснить физический смысл результата, происхождение формул и устройство опыта. Резкие вопросы помогали проверить результат до публикации и отличить существенный эффект от неубедительной интерпретации.

Доклады о генетике на февральском семинаре 1956 года прочитали Николай Тимофеев-Ресовский и Игорь Тамм. После кампании против генетики 1948 года само официальное обсуждение таких вопросов было политически чувствительным. Несмотря на попытки помешать заседанию, оно состоялось.

В 1956 году Капица возглавил кафедру физики и техники низких температур Московского физико-технического института и координационный совет МФТИ. В «системе физтеха» фундаментальные курсы дополнялись ранней работой студентов в базовых научных институтах. Студент учил математику и общую физику в вузе, а затем значительную часть времени проводил в реальной исследовательской лаборатории.

Капица считал, что экспериментатора нельзя подготовить только лекциями. Студент должен видеть, как измерение не сходится с ожиданием, как устраняют паразитный нагрев и как проверяют прибор. Затем нужно решить, является ли странный сигнал новым эффектом или ошибкой установки. Поэтому лабораторная культура занимала в его представлении такое же место, как теория.

Он требовал и ясности научного текста. Капица редактировал статьи, выступал против лишней терминологии и считал, что физик обязан уметь объяснить основную идею работы специалисту соседней области. Этот принцип проявлялся в его собственных статьях: устройство установки и наблюдаемый эффект обычно описывались непосредственно, без длинной истории вопроса.

СВЧ-генераторы и плазма

Вернувшись в институт, Капица расширил исследования, начатые в домашней лаборатории. Криогенная физика оставалась важнейшим направлением учреждения, но его личная программа всё больше была связана с электроникой больших мощностей и плазмой.

Главная техническая задача заключалась в передаче большой электромагнитной мощности в газ. Обычный электрический разряд с электродами ограничен нагревом и разрушением самих электродов. Если энергию вводить высокочастотным полем, источник можно отделить от наиболее горячей области.

Капица строил генераторы, резонаторы и разрядные камеры. Он исследовал условия, при которых плазма сохраняется устойчивым шнуром, а не распадается на кратковременные искры. Важными параметрами были частота, мощность, давление газа, геометрия камеры и теплоотвод.

Открытие высокотемпературной плазмы в мощном высокочастотном разряде зарегистрировали в 1970 году, указав приоритет от 21 апреля 1959 года. Позднее Капица рассматривал такие разряды как возможный инструмент для управляемых термоядерных реакций.

В 1962 году вышла его книга «Электроника больших мощностей», где были собраны результаты, начатые во время отстранения от института. Сам факт публикации показывал, что «опальные» годы не были научной паузой. Ограничение ресурсов изменило тему и масштаб, но не прекратило эксперимент.

Поздние исследования Капицы существенно менее известны широкой публике, чем сверхтекучесть. Это связано и с тем, что физика плазмы развивалась огромными коллективами, использовавшими разные методы удержания и нагрева. Его вклад здесь нельзя описывать как создание термоядерной энергетики. Точнее говорить о мощных СВЧ-генераторах, высокочастотном разряде и одном из направлений нагрева плотной плазмы.

Письма властям и защита науки

Капица жил и работал внутри советской государственной системы, получал крупные ресурсы, премии и административные полномочия. Одновременно его переписка с руководителями страны показывает постоянные споры о пределах вмешательства в науку. Он обращался к Молотову, Сталину и другим руководителям по вопросам институтов, оборудования и судеб коллег.

Его письма не были публичной политической оппозицией. Капица использовал собственный статус академика и известного физика, чтобы добиваться конкретных решений через ту же вертикаль власти. Иногда обращения помогали, иногда оставались без ответа или приводили к конфликту.

Так было в деле Ландау, которого удалось освободить под поручительство Капицы. В 1936 году физик также выступал против травли математика Николая Лузина. В 1945 году он добился собственного выхода из Специального комитета по атомному проекту. В 1946 году тот же спор закончился потерей руководящих должностей.

В 1973 году Капица отказался подписать коллективное письмо академиков с осуждением Андрея Сахарова. Письмо сорока академиков было опубликовано в «Правде», но его подписи под ним не было. Этот отказ не означал полного совпадения взглядов двух учёных; Капица выступил против самой формы административно-публичного осуждения коллеги.

Капица участвовал и в Пагуошском движении учёных, обсуждавшем угрозы ядерной войны и международную безопасность. С 1960 года он входил в советский национальный комитет движения. Для человека, который в годы войны руководил кислородной промышленностью и не отрицал оборонной науки, разговор о разоружении не был отказом от техники. Он касался ответственности за условия её применения.

В выступлениях поздних лет Капица обсуждал энергетику, экологические ограничения и роль человеческой ошибки в сложных технических системах. В 1976 году он приводил аварию на американской АЭС «Браунс-Ферри» как пример того, что формальный расчёт вероятности не охватывает все ошибки персонала. Он не предсказывал конкретную будущую катастрофу, но подчёркивал системную проблему безопасности.

Возвращение в Великобританию

После 1934 года Капица десятилетиями не мог свободно вернуться в Кембридж, где прошла значительная часть его ранней научной карьеры. Резерфорд умер в 1937 году, не дожив до новой личной встречи с бывшим сотрудником. Однако связи с британскими физиками полностью не исчезли.

В 1966 году Капица впервые за тридцать два года приехал в Великобританию. Поездка продолжалась около трёх недель. Он получил медаль Резерфорда Британского института физики и выступил с воспоминаниями о своём учителе.

Для Кембриджа его имя осталось связано с Мондовской лабораторией, сильными магнитными полями и низкотемпературной техникой. Лабораторию в своё время построили специально для него на средства Королевского общества. После запрета на возвращение основную аппаратуру продали СССР, чтобы Капица мог продолжить исследования в Москве.

Так возник необычный перенос научной инфраструктуры через границу другого государства. Приборы были спроектированы и построены в британской лаборатории советским физиком, затем по соглашению университетских и государственных структур оказались в московском институте. Без поддержки Резерфорда такой переход был бы значительно сложнее.

Капица оставался иностранным членом британского научного сообщества не только по памяти. Его избрание в Лондонское королевское общество 1929 года сохраняло значение, а работы продолжали публиковаться и обсуждаться за рубежом. Международный характер исследований сверхтекучести проявился сразу: публикацию Капицы из Москвы сопровождала независимая статья Аллена и Мизенера из Кембриджа.

Нобелевская премия, 1978

17 октября 1978 года Шведская королевская академия наук назвала лауреатов Нобелевской премии по физике. Пётру Капице присудили половину награды «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». Арно Пензиас и Роберт Вильсон разделили вторую половину за обнаружение космического микроволнового фонового излучения. Таким образом, награда объединила две разные области физики.

Формулировка для Капицы была шире одного опыта со сверхтекучестью. Она охватывала созданную им низкотемпературную экспериментальную технику и открытия, сделанные с её помощью. Научный результат здесь нельзя отделить от приборов. Более эффективное ожижение гелия позволило проводить систематические измерения. Специальные каналы и криостаты сделали видимыми свойства гелия II.

Премия пришла через сорок лет после публикации основного эксперимента. Для Нобелевского комитета такая задержка не была исключительной. К 1978 году значение сверхтекучести уже было подтверждено огромным развитием квантовой физики жидкостей, а методы низких температур стали стандартной частью исследований вещества.

На Нобелевской лекции Капица выбрал не исторический пересказ опыта 1937 года. Он говорил о плазме и управляемой термоядерной реакции — направлении, которым занимался в поздние десятилетия. Так церемония, награждавшая его за старые достижения, стала площадкой для обсуждения текущей исследовательской задачи.

Нобелевская премия не превращала Капицу в единственного основателя физики низких температур. До него Камерлинг-Оннес сжижил гелий и открыл сверхпроводимость; рядом работали Виллем Кеезом, Джон Аллен, Дон Мизенер и другие экспериментаторы. Теорию сверхтекучести развивали Ландау, Тисса и последующие физики. Вклад Капицы выделялся сочетанием новой техники с открытием необычного режима течения жидкого гелия.

Последние годы

В конце 1950-х — начале 1980-х годов Капица по-прежнему совмещал научную работу с многочисленными организационными обязанностями. В 1974 году он во второй раз стал Героем Социалистического Труда. Капица возглавлял Институт физических проблем, работал в Президиуме Академии наук СССР, преподавал в МФТИ, редактировал ЖЭТФ и ставил опыты с плазмой.

Он публиковал не только специальные статьи. Сборник «Эксперимент. Теория. Практика» объединял выступления о физике, организации науки и научной культуре. Тексты показывали его постоянный интерес к тому, как выбирать исследовательскую задачу, строить эксперимент и обучать молодых физиков.

В последние годы Капица продолжал участвовать в жизни института. Он посещал семинары и обсуждал новые работы. Теперь, в отличие от 1946–1955 годов, он мог опираться на полноценную лабораторию и научную школу, сложившуюся за десятилетия.

8 апреля 1984 года Пётр Леонидович Капица умер в Москве, примерно за три месяца до своего девяностолетия. Местом его захоронения стало Новодевичье кладбище. Институт физических проблем позднее получил его имя.

Научное наследие

В истории физики Капица остался не одним открытием. Его ранние установки расширили диапазон доступных магнитных полей и позволили исследовать поведение металлов в режимах, которые прежде трудно было получить. Мондовская лаборатория и гелиевый ожижитель сделали низкотемпературный эксперимент более производительным.

Центральным научным результатом стала сверхтекучесть гелия II. Капица поставил простой по идее, но технически сложный опыт. Он заставил жидкий гелий проходить через чрезвычайно узкую щель и показал резкое падение сопротивления течению ниже лямбда-точки. Независимые измерения Аллена и Мизенера подтвердили аномальный характер течения другим методом. Теория Ландау затем объяснила сверхтекучесть как макроскопическое квантовое явление.

Не менее характерен промышленный проект Капицы. Турбодетандер решал конкретную задачу ожижения больших потоков воздуха при сравнительно низком давлении. Лабораторная конструкция выросла в кислородные установки военного времени. Здесь его роль была одновременно физической, инженерной и организационной.

Годы после 1946-го показали другую сторону его работы. Потеряв институт, Капица не мог продолжать прежние эксперименты в полном масштабе и сменил направление. Домашняя лаборатория стала местом разработки мощных СВЧ-генераторов и опытов с плазмой. После возвращения в институт эта программа продолжилась уже на крупной базе.

Историческая роль Капицы связана также с созданием научной среды. Кавендишский «Клуб Капицы», московский «Капичник», Институт физических проблем и участие в становлении физтеха объединял один принцип. Исследователь должен уметь спорить с результатом, проверять прибор и не принимать формальный авторитет вместо измерения.

Капица работал в системе, которая одновременно давала ему исключительные ресурсы и могла административным решением лишить лаборатории. Он получал высшие государственные награды, но спорил с руководством из-за судьбы коллег, организации атомного проекта и автономии науки. Эти противоречия не отменяют друг друга и помогают точнее увидеть условия, в которых создавались его институт и исследования.

Пётр Капица соединил экспериментальную физику с инженерией приборов и организацией лабораторий. Его сверхсильные магниты, криогенные машины и турбодетандеры были средствами для решения физических задач, а не отдельной технической биографией. Главный результат — открытие сверхтекучего течения жидкого гелия — вошёл в основу современной квантовой физики конденсированного состояния. Нобелевская премия 1978 года закрепила именно эту часть наследия, не устранив коллективный характер дальнейшего развития теории и эксперимента.