Все новости

Турбодетандер, шустрый гелий и спасенный Ландау. Что еще мы знаем о Петре Капице

17 октября 1978 года советский ученый Петр Капица получил Нобелевскую премию за работы по физике низких температур. А чем еще он нам запомнился?

Магнитные поля и Капица в рамках погрешности

Капица — ученик сразу двух ученых, почитаемых за «отцов физики». Первым был Абрам Иоффе, воспитавший первое поколение советских физиков: кроме Капицы у него, например, учились Курчатов, Семенов, Александров. Вторым — Эрнест Резерфорд, среди воспитанников которого 12 (!) нобелевских лауреатов по физике и химии, включая и самого Капицу. К Резерфорду Капица отправился в 1921-м, по рекомендации Иоффе.

На этом фото 1916 года — участники семинара Иоффе в Политехническом институте; двое из них станут нобелевскими лауреатами: сначала Николай Семенов (справа, в первом ряду), потом Капица (тоже справа, во втором ряду)
На этом фото 1916 года — участники семинара Иоффе в Политехническом институте; двое из них станут нобелевскими лауреатами: сначала Николай Семенов (справа, в первом ряду), потом Капица (тоже справа, во втором ряду)

Впрочем, для того чтобы таки стать сотрудником легендарной Кавендишской лаборатории, Капице пришлось Резерфорда убеждать — лорд ссылался на то, что ставок у него для нового сотрудника нет. Как вспоминал потом Капица, диалог их выглядел следующим образом:

— Какую точность Вы считаете приемлемой в своей работе?

— Два-три процента.

— В таком случае один лишний исследователь не будет заметен, он будет поглощен допустимой неточностью опыта.

С этим Резерфорд не смог не согласиться, и молодой физик стал заниматься исследованиями под его началом.

На тот момент передним краем физики было изучение свойств атомов и развитие квантовой механики — магнитные поля в этом играли ключевую роль.

Магнитное поле отклоняет в сторону заряженные частицы и меняет структуру энергетических уровней в атомах. Наблюдение за этими явлениями позволило физикам разработать фундаментальную теорию микромира, но для этого пришлось решить ряд чисто инженерных задач.

Современные бытовые магниты — скажем, в динамиках или жестких дисках — создают поле около одного тесла. В аппарате для МРТ бывают поля до десяти тесла. Такие магниты уже далеко не просты в обращении: на гаечный ключ вблизи томографа будет действовать сила, достаточная для отрыва от земли груза в центнер!

Капица в Кавендишской лаборатории смог получить, пусть и на короткое время, поле в пятьдесят тесла. Конечно, сейчас есть магниты, создающие поле в 100 тесла, и даже установки, которые позволяют получить более двух с половиной тысяч тесла (с разрушением магнита и всего вокруг), но для 1920-х это был выдающийся результат.

Успех этот был столь впечатляющим, что уже в 1930 году Капица, еще недавно чуть было не «завернутый» Резерфордом, получил уже свою собственную лабораторию.

Портрет Капицы и Николая Семенова кисти Бориса Кустодиева, 1921 год. Будущие нобелевские лауреаты заявили художнику, что они только «пока» не знамениты — и оказались правы
Портрет Капицы и Николая Семенова кисти Бориса Кустодиева, 1921 год. Будущие нобелевские лауреаты заявили художнику, что они только «пока» не знамениты — и оказались правы

Самое холодное вещество в мире

Довольно быстро Капица стал признанным физиком-экспериментатором, способным проводить тонкие и сложные опыты. В 1930-е годы он занялся темой, требовавшей экстраординарных навыков, — изучением жидкого гелия и процессов при сверхнизких температурах.

Работать с гелием сложно по целому ряду причин, начиная от его дороговизны и заканчивая тем, что в жидком виде он имеет температуру всего на четыре градуса выше абсолютного нуля. Капице и британским физикам Джону Аллену и Остину Майзнеру удалось не просто измерить характеристики жидкого гелия, но открыть новое состояние вещества, сверхтекучую жидкость.

Сверхтекучий гелий утрачивает вязкость и без сопротивления протекает через отверстия шириной всего в три атома, а еще может вытечь из емкости, «вскарабкавшись» по смачиваемой стенке. Теоретический анализ этого феномена позволил продвинуться в разработке квантовой теории. В 1978 году Капицу наградили за открытие Нобелевской премией. А теория сверхтекучести собрала целых две Нобелевки с интервалом в 40 лет, причем обе ушли в том числе ученым из России: Льву Ландау, Виталию Гинзбургу и Алексею Абрикосову (последний с 1991 года жил и работал в США).

Говоря о выборе физики низких температур в качестве своей области, Капица в 1974 году написал следующее (орфография сохранена):

«Когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая природа процессов не может обычно выявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощутимы. Это так же, как если бы на качающемся в море корабле мы вздумали изучать на биллиардном столе законы соударений шаров. Очевидно, эта затея осуществима только тогда, когда море спокойно. Так и при изучении квантовой природы явлений течения процессов, происходящих в конденсированном состоянии. Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движение атомов достаточно мало. Отсюда очевиден тот большой интерес в физике к изучению явлений в веществе при очень низких температурах».

Турбодетандер и подача кислорода

Петр Капица занимался не только и даже не столько чистой физикой, сколько передовыми технологиями. Его возвращение в СССР, кстати, не было добровольным: ученому просто не дали вернуться в Великобританию из короткой поездки в 1934 году, аннулировав его визу (а в то время они были и на выезд из страны). Капицу «приземлили» с расчетом на его участие в прикладных исследованиях.

Физик действительно добился важных результатов, после того как поставил встречное требование советскому правительству и заставил перевезти свою британскую лабораторию со всем оборудованием (а там были инновационные приборы). Работая с низкими температурами, Капица радикально усовершенствовал турбодетандер, устройство для охлаждения газа.

В этом устройстве газ раскручивает турбину и из-за этого остывает, пока не превратится в жидкость. Сжижение — самый удобный и дешевый метод получения кислорода, который конденсируется до азота и других газов. Чистым кислородом продувают печи на сталелитейных заводах, его используют в производстве взрывчатки, как окислитель для ракетных двигателей, в медицине, для сварки и много где еще.

В 1930-е годы лучшие турбодетандеры делала немецкая фирма Linde, но их КПД не достигал и 60%. Найденные Капицей решения позволили превысить отметку 90% и обойтись без импортного оборудования. Последнее оказалось критически важным в военные годы.

Высокие температуры

Эксперименты с низкими и очень низкими температурами прославили Капицу, но когда ему присудили Нобелевскую премию, он занимался предметом совсем другого толка, высокотемпературной плазмой. Вопреки правилам темой его нобелевской лекции стали управляемый термоядерный синтез и плазма. «Эти работы я сделал 40 лет назад, и я их забыл», — ответил физик на предложение рассказать про сверхтекучесть.

Еще Капица предложил гипотезу происхождения шаровой молнии. Согласно ей, шаровая молния подпитывается энергией за счет внешнего микроволнового излучения, которое каким-то образом возникает во время гроз. Физик отмечал, что источник этого излучения неясен, но, если допустить его наличие, поведение шаровой молнии вполне объяснимо даже в части проникновения плазменного сгустка сквозь оконное стекло или иные тонкие препятствия.

Эту гипотезу, в отличие от многого другого из научного наследия ученого, не удалось ни подтвердить, ни опровергнуть. Теории, объясняющей природу шаровой молнии, нет и по сей день. Редкость явления не позволяет изучить его в природных условиях, а все попытки создать нечто подобное в лаборатории успехом не увенчались. Правда, можно смело отвергнуть предположение, что светящийся объект лишь галлюцинация. На сегодня есть и видеозаписи, и даже данные о спектрах шаровой молнии.

Борьба за коллег и принципиальность

Капица писал, что после вынужденного возвращения в СССР его поначалу недолюбливали. Во-первых, ученый открыто требовал приличных условий для работы: отдельного здания под институт и выкупа британского оборудования. Во-вторых, он этого добивался и получал больше, чем многие другие физики.

Однако спустя некоторое время он получил признание не только как хороший исследователь и грамотный организатор — Капицу стали уважать за стойкость. Когда Льва Ландау арестовали за составление листовок, где Сталин сравнивался с Гитлером (!), Капица добился освобождения ученого под свою ответственность. В разгар репрессий это был крайне рискованный шаг, но ни Капицу, ни большинство его сотрудников НКВД не трогало.

Капица вел переписку с иностранными коллегами и обращался к руководителям страны вплоть до самого Иосифа Сталина, указывая, как стоит развивать науку и технологии. В 1946 году он ушел из атомного проекта и попал в опалу до самой смерти Сталина и ареста Берии, но опять-таки не был арестован или убит.

В Институте физических проблем Капица, будучи директором и основателем, пошел против советских принципов хозяйствования. Чтобы разделаться с грязью, он уволил двух дворников и втрое поднял оклад оставшемуся. А когда создаваемая Капицей система подготовки будущих инженеров не прижилась в МГУ, тамошний физико-технический факультет сделали отдельным Московским физико-техническим институтом, МФТИ.

Капица был талантлив, обладал организаторскими способностями, у него были дипломатические навыки и гражданская позиция. Сочетание этих качеств выделяло его даже среди нобелевских лауреатов.

 Алексей Тимошенко