Петр Леонидович Капица

Петр Леонидович Капица

Открытия. Идеи. Путешествия

Петр Леонидович Капица принадлежит к универсальным ученым, редким в наше время. Он выдающийся физик-экспериментатор и теоретик — автор ряда работ по теории маятника, шаровой молнии и других; смелый инженер-конструктор и создатель сложных и оригинальных машин; профессор высшей школы и лектор; организатор науки — один из первых ученых, применивших в физических исследованиях современные индустриальные методы и оборудование.

Капица любит искусство, особенно живопись, театр, литературу. Его интересуют международные проблемы. Встречаясь со многими людьми, в том числе и с теми, кто не принадлежит к научным кругам, Капица неизменно восхищается эрудицией, остроумием, независимостью и оригинальностью мышления, без которых, по его мнению, немыслима яркая индивидуальность.

Капица приехал в Москву поздней осенью 1934 года. Он остановился в гостинице «Метрополь», где для него был заранее заказан номер. В том году осень была неприветливой. Почти каждый день город обволакивали серые тяжелые тучи. Они давили на людей, это сказывалось на настроении.

По улице, где расположена знаменитая гостиница, мимо Большого театра ползли с въедливым звоном старые облезшие трамваи. Большие красные автобусы гудели во всю мощь своих клаксонов. С Петровки или Большой Дмитровки выезжали редкие в городе извозчики. Старые дореволюционные дрожки угрожающе скрипели. Запряженные лошади, тощие и неухоженные, почти не реагировали на лихие оклики извозчиков и их жалостливо слабые удары кнутов.

Капица, приходя к себе в гостиницу или отправляясь на работу, всегда задумывался над этой странной сутолокой центра гигантского города. Как это было непохоже на безмятежное спокойствие коротких кембриджских улиц и маленьких площадей. Всегда тихо было и на особенно знакомой ему Фри скул лэйн, где находились «владения» Резерфорда.

Кое-что от кембриджских времен оставалось во внешности Капицы. В гостинице «Метрополь», где жили большей частью иностранцы, Капица легко сходил за одного из них. Когда он говорил по-английски, опытный лингвист мог услышать в его речи «кембриджский акцент», вернее некоторые выражения, употребляемые главным образом кембриджцами.

Ко времени приезда в Москву Капица был уже известным ученым. Он состоял членом-корреспондентом Академии наук СССР и действительным членом Лондонского Королевского общества.

Очень далеко от гостиницы «Метрополь», за Калужской заставой, по тем временам «у черта на куличках», на лесистом участке высокого правого берега Москва-реки начиналось строительство Института физических проблем, которому было суждено слиться с личностью и всей деятельностью Капицы. Он сам разработал проект своего института, отвечающего наивысшим требованиям, предъявляемым к современному научно-исследовательскому центру.

Капица впоследствии говорил об этом: «Была сделана попытка создать совершенный, передовой институт. Мне кажется, что эта цель достигнута, и институт можно считать не только одним из самых передовых у нас в Союзе, но и в Европе».

В те годы строительство такого института было делом очень трудным. Не хватало строительных материалов; было мало квалифицированных рабочих строителей.

Капица писал друзьям: «Дела идут медленно и плохо. Пока у меня не опускаются руки. Я хочу сделать все, чтобы восстановить здесь свою работу».

Наконец, трудности преодолены, и Институт физических проблем открылся.

А вскоре, в 1938 году, на очередных выборах Капица был представлен кандидатом в действительные члены Академии наук СССР. Четыре известных советских ученых академики С.И. Вавилов, А.Н. Бах, А.Н. Фрумкин и А.М. Терпигорев в записке, поданной в Академию наук, дали высокую оценку научной деятельности П.Л. Капицы.

«П.Л. Капица, — писали ученые, — несомненно один из наиболее блестящих физиков-экспериментаторов нашей страны... В 1921 г. П.Л. Капица был командирован в Англию, где и работал 14 лет, сначала под руководством Резерфорда, а затем руководителем отдельной лаборатории. За эти годы П.Л. Капица своими работами выдвинулся в ряды наиболее выдающихся физиков-экспериментаторов и в мировом масштабе... Мы полагаем, что по своим научным достижениям в области физики П.Л. Капица является чрезвычайно желательным членом в составе Академии наук». На цитированной записке стоит дата — 27/XI 1938 г.

И вот сейчас, в 1975 году, Капицу можно застать в том же просторном директорском кабинете, в тех же лабораториях и мастерских, которые составляют Институт физических проблем. Сколько воды утекло с тех пор. Сколько событий, подчас самых невероятных и поразительных, произошло в стенах этого известного научно-исследовательского центра!

Петр Леонидович Капица родился 9 июля 1894 года в Кронштадте (остров Котлин). Его отец — Леонид Петрович служил военным инженером в чине генерала и участвовал в строительстве военных укреплений на островах. Мать — Ольга Иеронимовна была дочерью известного ученого, действительного члена Российской академии наук Иеронима Ивановича Стебницкого. Она занималась педагогической работой, литературой и фольклором; была автором нескольких печатных трудов.

Учась в Кронштадтском реальном училище, юный Капица проявил особый интерес к физике и технике. В физическом кабинете он производил различные опыты, не все из них заканчивались благополучно...

Здание реального училища в Кронштадте сохранилось в неизменном виде и сейчас. В нем помещается школа-десятилетка. Капица бывал там много раз, в частности совсем недавно, весной 1972 года.

После окончания реального училища Капица поступил в Петербургский политехнический институт. Когда он был студентом третьего курса, началась война. Санкт-Петербург тотчас же переименовали в Петроград.

Скоро Капицу, как и многих студентов института, мобилизовали в армию. Он был направлен на польский фронт, где в качестве шофера санитарного отряда перевозил раненых с передовых линий. На грузовике, крытом брезентом, солдат Капица доставлял в госпитали молодых парней, таких же солдат, как он сам, но уже искалеченных снарядами, бомбами, минами, пулями.

После демобилизации Капица продолжал занятия в Политехническом институте. В 1916 году, еще не окончив курса, он уже работал в лаборатории А.Ф. Иоффе. В том же году в журнале Русского физико-химического общества (серия физическая) увидела свет первая научная статья Капицы «Приготовление волластоновских нитей».

Молодой исследователь изобрел принципиально новый метод приготовления тончайших кварцевых нитей, применяемых в физических измерительных приборах. Метод состоял в том, что вместо фильер для получения нити использовался лук со стрелами. Капица обмакивал наконечник стрелы в расплавленный кварц, затем натягивал тетиву и спускал ее. Стрела пролетала по коридору над разостланным бархатным полотном. Кварцевая нить падала на полотно. Этот экзотический метод, придуманный Капицей, указывал на его способность к совершенно необычным и неожиданным решениям поставленных задач.

В 1917 году произошла Великая Октябрьская социалистическая революция.

Идеи революционных социальных преобразований в отсталой России завладели умами многих преподавателей и студентов Петроградского политехнического института. Молодой физик, доцент А.Ф. Иоффе без колебаний занял место в рядах наиболее активной революционной интеллигенции. В 1918 году он в труднейших условиях основал в Петрограде один из первых в России научно-исследовательских институтов — ныне ордена Ленина Физико-технический институт Академии наук СССР имени А.Ф. Иоффе.

Капица оказался одним из первых научных сотрудников этого нового исследовательского института. Впоследствии институт сыграл исключительную роль в развитии советской физики, а воспитанная в нем научная школа А.Ф. Иоффе дала стране многих видных ученых-физиков. Ученик А.Ф. Иоффе академик Ю.Б. Харитон спустя полвека после создания Физико-технического института назвал этот исторический факт «проявлением высочайшего оптимизма» со стороны своего учителя.

Проводившийся А.Ф. Иоффе семинар, в котором участвовали молодые физики — его сотрудники и студенты, был первым в мире начинанием такого рода. В последующие годы научные семинары и другие формы общения ученых друг с другом получили широкое распространение во всем мире.

Капица был одним из активных участников семинара Иоффе. В 1919 году он уже зачислен преподавателем физики и механики Политехнического института. Позже семинар начал посещать физик-теоретик Яков Ильич Френкель. Он познакомил коллег с сенсационными открытиями Резерфорда в области атомной и ядерной физики. Участники семинара узнали от Френкеля о событиях, происходящих в далеком Кембридже: Резерфорд закончил опыты по расщеплению ядер легких элементов. Несколько позже Резерфорд предсказал возможность существования в ядре незаряженных частиц — нейтронов, открытых экспериментально гораздо позже.

В 1921 году Советское правительство приняло решение направить за границу несколько петроградских ученых. В эту группу входил А.Ф. Иоффе, который предложил командировать и П.Л. Капицу.

В.И. Ленин распорядился выдать крупную сумму в иностранной валюте для закупок за границей необходимого оборудования и литературы. Однако получить эти деньги и иностранные паспорта оказалось в той обстановке делом нелегким.

Но как бы то ни было, в мае 1921 года Капица приехал в Англию и был принят в Кембридж к Резерфорду в качестве студента-исследователя. Первое время он слушал лекции и работал в лаборатории, а через несколько лет уже сам читал лекции студентам Кембриджа.

Работа Капицы в Кевендишской лаборатории, руководимой Резерфордом, проходила успешно. Он быстро завоевывал доверие и дружеское расположение со стороны своего знаменитого учителя.

В Кевендишской лаборатории многие молодые исследователи изучали альфа-частицы, открытые в начале века Резерфордом. Капица по рекомендации Резерфорда занялся измерением импульса альфа-частицы. Для успешного выполнения задачи Капице потребовалось значительно искривить путь альфа-частиц. Это можно было сделать, только пропуская частицы через очень сильное магнитное поле, более сильное, чем применявшееся самим Резерфордом при исследованиях радиоактивности.

В те годы сравнительно сильное магнитное поле — до 25 тысяч эрстед — можно было получить с помощью электромагнита. Но эта величина была наивысшей в связи с существующим пределом насыщения железного сердечника. После насыщения напряженность магнитного поля практически перестает расти, как бы ни увеличивалась сила тока, питающего электромагнит.

Может быть, необходимо увеличить размеры установки? Так думал французский физик Клод. Он построил гигантский электромагнит весом в 100 тонн, израсходовав на него несколько миллионов золотых франков. Но установка Клода оказалась всего на 25 процентов эффективнее обыкновенного лабораторного электромагнита.

С помощью соленоида — катушки без железного сердечника — можно было получать гораздо более слабые магнитные поля — до 2 тысяч эрстед. Для питания соленоида, однако, требовался гораздо более сильный ток, чем для электромагнита. Предел роста напряженности магнитного поля наступал очень быстро, когда возрастало тепловое действие тока и соленоид просто расплавлялся. Жан Перрен во Франции предложил охлаждать соленоид жидким воздухом (t° = –190°). Расчеты показали, что при таком способе для получения магнитного поля в 100 тысяч эрстед понадобилось бы расходовать 25 килограммов жидкого воздуха в секунду, или 90 тонн в час. Проблема казалось неразрешимой.

Все же Капица выбрал именно соленоид и оригинально и просто решил проблему получения нужных ему мощных полей. Он применил катушку-соленоид с малым количеством витков. Через нее пропускался сильный электрический ток, но в очень короткий промежуток времени — всего в одну сотую секунды. Идея ученого состояла в том, чтобы пропускать ток через соленоид в течение столь короткого мгновения, за которое он не успеет расплавиться, но которое было бы достаточным для выполнения опыта (измерения). Иначе говоря, Капица избрал метод мощных импульсных полей.

В качестве источника тока в первых опытах Капица применил построенный им аккумулятор малой емкости. Его можно было заряжать в течение нескольких минут, а затем замкнуть накоротко через соленоид. В момент замыкания сила тока достигала 7 тысяч ампер, а напряженность магнитного поля составляла 100 тысяч эрстед в объеме около 2 сантиметров.

Позже Капица заменил аккумулятор мощным генератором переменного тока, построенным по особому проекту фирмой «Метрополитен-Виккерс» в Манчестере. В конструировании этого уникального генератора Капица участвовал как конструктор. Над проектом работал также советский инженер, позднее академик В.П. Костенко.

Построенный по специальному проекту генератор отличался от обычных генераторов подобного рода тем, что имел массивный ротор весом в 2,5 тонны, вращающийся со скоростью 2 тысячи оборотов в секунду. При коротком замыкании количество оборотов в сотую долю секунды резко снижалось. Происходил мощный удар, стремящийся разнести генератор. Гигантские силы возникали при этом и в соленоиде. В первых опытах соленоид разрывало на куски. Наконец, Капице удалось создать надежную конструкцию соленоида. Он оставался целым, даже когда радиальные силы, стремящиеся его разорвать, достигали 150 тонн (при магнитном поле около 300 килоэрстед), а давление на медную обмотку соленоида составляло 5...6 тысяч атмосфер.

Эта установка, которая сейчас молодым физикам кажется чуть ли не доисторической, находится в просторном зале первого этажа Института физических проблем. Генератор и соленоид отнесены на 20 метров друг от друга, потому что при коротком замыкании происходят колебания фундамента — небольшое землетрясение, которое во время опыта может нарушить работу чувствительных приборов. Когда генератор находится далеко от соленоида, такой опасности нет. Опыт длится всего сотую долю секунды; волна «землетрясения» дойдет до соленоида, когда опыт уже будет окончен.

С помощью своей установки Капица получал магнитные поля напряженностью до 320 тысяч эрстед. Это на порядок (т.е. в 10 раз) больше того, что достижимо при применении электромагнита.

В те годы установка Капицы в Кевендишской лаборатории как бы переводила на новую ступень экспериментальные исследования. До нее там не было таких сложных установок. Опыты Резерфорда и его учеников проводились с помощью примитивных средств — «сургуча и веревочки». И вот на глазах у Резерфорда Капица создавал новый научно-технический фундамент физических исследований с применением сложной техники, мощного электрического тока, сверхсильных магнитных полей. Это было знамением времени. Для Кевендишской лаборатории установки Капицы были как бы переломным моментом, новой страницей в ее истории.

На известного американского математика, создателя кибернетики Норберта Винера лаборатория Капицы произвела сильное впечатление. В своих мемуарах он писал: «...в Кембридже была все же одна дорогостоящая лаборатория, оборудованная по последнему слову техники. Я имею в виду лабораторию русского физика Капицы, создавшего специальные мощные генераторы, которые замыкались накоротко, создавая токи огромной силы, пропускавшиеся по массивным проводам; провода шипели и трещали, как рассерженные змеи, а в окружающем пространстве возникало магнитное поле колоссальной силы... Капица был пионером в создании лабораторий-заводов с мощным оборудованием...»

В 1926 году Капица приехал из Кембриджа в Ленинград и в большой физической аудитории Политехнического института сделал доклад о своих работах по созданию сверхсильных магнитных полей. Его ленинградские коллеги проявили большой интерес к этим достижениям.

Тем временем в Кевендишской лаборатории уже регулярно действовал семинар «Клуб Капицы», где физики знакомились с наиболее интересными научными проблемами и обсуждали результаты своих исследований. Ю.Б. Харитон, работавший в 1926 году у Резерфорда, впоследствии говорил: «Петр Леонидович перенес на английскую почву русские традиции. У него устраивались еженедельные сборища, которые объединяли компактную группу наиболее активных людей в лаборатории Резерфорда, и именно у него, у Капицы, этот семинар проводился. Вы видите, было не только что-то, чему мы учились за границей, но уже и в то время кое-что новое было привнесено в Кембридж Петром Леонидовичем, кое в чем за границей учились у нас».

Позже Капица перешел от сильных магнитных полей к низким температурам, и в этом была своя логика.

Имея в своем распоряжении мощные магнитные поля, Капица выполнил не только измерения импульса альфа-частиц, но и исследования поведения металлов и полупроводников в магнитном поле. В частности, он установил, что электрическое сопротивление большинства металлов растет линейно с увеличением магнитного поля. Это явление, известное как «линейный закон Капицы», было объяснено теоретически лишь в 1957 году. Низкие температуры, получаемые с помощью жидкого водорода и гелия, понадобились Капице как раз для изучения магнитных свойств металлов (позднее эта область дала ряд выдающихся открытий). Но перед тем, как приступить к решению этой новой задачи, Петр Леонидович защитил докторскую диссертацию «Прохождение альфа-частиц через материальную среду и методы получения сильных магнитных полей».

Это был 1923 год — год, который принес Капице вполне заслуженную известность среди физиков. Он получил премию Максвелла, а в следующем году вступил в официальную должность помощника директора Кевендишской лаборатории по магнитным исследованиям.

Здесь перед Капицей возникла совершенно самостоятельная проблема разработки методов ожижения водорода и гелия. Она заняла важное место в его научном творчестве.

Началось с того, что Капица построил гелиевый ожижитель с поршневым компрессором (детандером), основанный на смелой идее. Ожижитель Капицы работал при температуре 10 градусов Кельвина, т.е. при — 263 градусах Цельсия. Любой поршень может двигаться только, если он получает смазку. Но при такой низкой температуре все смазочные материалы, как и вообще все жидкости, затвердевают.

Идея Капицы поразительно проста — обойтись без смазки. Как? Ученый предложил оставить небольшой зазор в несколько сотых миллиметра между поршнем и стенками цилиндра так, чтобы поршень свободно двигался, не касаясь стенок. «Тогда во время наполнения цилиндра гелием при повышенном давлении, — писал Капица, — большая часть гелия естественно уйдет через зазор, так как его вязкость мала. Но если дать поршню возможность производить расширение быстро, то тогда можно добиться таких условий, что успеет утечь только малое количество гелия».

К этому времени работы Капицы уже завоевывают всеобщее признание. Его избирают членом Лондонского Королевского общества. Это исключительный случай, когда иностранца избирают действительным членом, все другие иностранцы считаются иностранными членами Королевского общества. Из русских ученых ими были Д.И. Менделеев, И.И. Мечников и И.П. Павлов. После Капицы в иностранные члены Королевского общества избирались Л.Д. Ландау, А.Н. Несмеянов, Н.Н. Семенов, И.М. Виноградов.

В 1929 году Петр Леонидович был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР. Каждый год он приезжал в Советский Союз по академическим делам, для чтения лекций и отдыха.

В это время уже почти была готова криогенная лаборатория Лондонского Королевского общества, Мондовская лаборатория, построенная на территории Кевендишской лаборатории. Капица был назначен директором ее и продолжал здесь исследования в области низких температур. Официальное открытие состоялось в феврале 1933 года в присутствии Резерфорда.

Летом 1934 года Капица вернулся в СССР. Его жена Анна Алексеевна (урожденная Крылова) с двумя сыновьями Сергеем и Андреем приехали позднее, когда Петр Леонидович уже поселился в Москве.

По решению Советского правительства у Королевского общества было куплено уникальное оборудование Мондовской лаборатории. Его смонтировали в новом научно-исследовательском институте, созданном специально для работ Капицы, в первую очередь для его криогенных исследований.

Сыновья Капицы поступили в школу. На первых порах им было трудно, так как они хуже, чем их сверстники, знали русский язык. Прошли годы, и оба стали учеными.

Сергей Петрович — физик, доктор физико-математических наук, профессор. Он работает в Институте физических проблем, руководит работами, связанными с исследованиями, конструированием и применением микротрона — циклотронного ускорителя электронов. Андрей Петрович Капица — географ, несколько раз побывавший в антарктических экспедициях. Он доктор географических наук, профессор, а в 1971 году был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР и ныне возглавляет Дальневосточный филиал Академии.

Петр Леонидович сказал однажды автору книги, что Андрей Капица принадлежит роду, в котором четыре поколения связаны с Академией наук. Его прадед (отец бабушки) генерал И.И. Стебницкий был членом-корреспондентом императорской Академии наук, дед (отец матери) — адмирал А.Н. Крылов был академиком, отец — Петр Леонидович Капица — академик и сам Андрей — член-корреспондент Академии наук СССР. «Такая академическая преемственность явление, вероятно, весьма редкое», — смеясь, заключил Петр Леонидович.

Капица так объяснял название «Институт физических проблем», которое он дал новому научно-исследовательскому институту: «Это несколько необычное название должно отразить собой то, что институт не будет заниматься какой-либо определенной областью знания, а будет, вообще говоря, институтом, изучающим известные научные проблемы, круг которых определится тем персоналом, теми кадрами ученых, которые в нем будут работать».

Здания комплекса Института физических проблем строились под непосредственным наблюдением П.Л. Капицы в месте, выбранном им самим. Этот участок представлялся идеальным для возведения научно-исследовательского института; Капице казалось, что здесь институт всегда будет достаточно изолирован от внешней жизни.

Но этот прогноз оказался справедливым всего на 20 лет. Теперь Институт физических проблем окружили громадные дома, рядом проходит одна из самых оживленных магистралей Москвы — Ленинский проспект. Трудно представить себе более оживленный район города, чем тот, который примыкает прямо к институту. И только с тыла его надежно охраняет Москва-река. Сотни автобусов, троллейбусов, автомобилей проходят теперь в непосредственной близости от института. Правда, экспериментальная техника значительно усовершенствовалась, и точные приборы могут действовать, несмотря на внешние сотрясения, электрические разряды и другие помехи.

Первые экспериментальные работы Капицы в институте относятся к изучению некоторых физических явлений в сверхсильных магнитных полях более 300 тысяч эрстед. Он также занимается разработкой методов и техники ожижения водорода и гелия и проводит серию экспериментов при низких температурах. Впоследствии они увенчались крупным открытием.

Капица создает новый тип ожижителей, применив в них вместо детандера, т.е. поршня, турбодетандер — турбину. Этому предшествовало серьезнейшее исследование работы высокооборотных турбодетандеров и решение других сложных задач.

Компактные турбодетандеры Капицы имели высокий коэффициент полезного действия. Применение таких турбодетандеров позволяло также получать большие количества газообразного кислорода из воздуха. Эти работы, в которых проявился многогранный талант Капицы как ученого-физика в инженера, позволили создать новые методы ожижения и разделения газов. Таким образом, существенно изменилось развитие техники получения больших количеств кислорода. Чисто технологическими проблемами получения кислорода Капице пришлось заняться в годы второй мировой войны.

Жидкий гелий был впервые получен голландским физиком лауреатом Нобелевской премии Гейке Камерлинг-Оннесом в начале века. К тому времени уже удалось ожижить все другие газы, в том числе инертные, кроме гелия, оказавшегося самым «неподдатливым» для ожижения. Гелий превращается в жидкость при температуре, близкой к абсолютному нулю, который соответствует — 273,13° Цельсия.

Жидкий гелий сам по себе чрезвычайно интересный объект для изучения. Он служит холодильным агентом для всех исследований, проводимых вблизи абсолютного нуля. В отличие от всех известных газов жидкий гелий не переходит в твердое состояние даже при температурах вплоть до тысячных долей градуса от абсолютного нуля. Его можно превратить в твердое тело только при давлении, начиная от 25 атмосфер. Эти краткие сведения позволяют объяснить то, что многие физики, начиная от самого Камерлинг-Оннеса, с большим увлечением исследовали жидкий гелий. Они надеялись, что именно здесь можно открыть совершенно неожиданные явления, не существующие в обычных условиях.

Одним из блестящих подтверждений этих надежд было открытие самим Камерлинг-Оннесом в своей Лейденской лаборатории существования двух состояний жидкого гелия, в связи с чем и приняты два названия: гелий-I и гелий-II Экспериментально полученные данные глубоко противоречили теоретическим представлениям о теплопроводности. Иначе говоря, объяснить столь высокую теплопроводность с помощью общепринятого механизма теплопроводности оказалось невозможным. Но тепло в жидкостях и газах может передаваться еще посредством так называемых конвекционных потоков.

Если интенсивную передачу тепла в гелии-II нельзя объяснить с точки зрения обычного механизма теплопроводности, то здесь, вероятно, происходит как раз конвекционная передача тепла. Так думал Капица. Он предположил, что в гелии-II легко возникают потоки жидкости, чем и объясняется чрезвычайно большая способность его переносить тепло. Капица подсчитал, что интенсивная передача тепла могла осуществляться только такими конвекционными потоками, которые должны течь с необычной легкостью. Поэтому он предположил (по аналогии со сверхпроводимостью, давно открытой Камерлинг-Оннесом), что гелий-II при сверхнизких температурах представляет «чрезвычайно текучую, т.е. такую жидкость, которая не имеет вязкости».

Тончайшие и остроумнейшие эксперименты Капицы, с помощью которых он измерял вязкость гелия-II, хорошо известны физикам. По осуществленным Капицей измерениям вязкость гелия-II оказалась почти в 10 тысяч раз меньше, чем вязкость наиболее подвижного из известных веществ — жидкого водорода. Вода же обладала в миллиард раз большей вязкостью, чем жидкий гелий.

Капица сделал весьма смелое заключение из своих опытов: гелий-II течет как жидкость, вообще не имеющая вязкости. Он предложил назвать открытое им свойство гелия-II сверхтекучестью. В последующие годы Капица продолжал изучать сверхтекучесть и открыл некоторые поразительные свойства гелия-II. Один из замечательных экспериментов Капицы заключался в том, что перед отверстием сосуда, наполненного жидким гелием (и погруженного в жидкий гелий), подвешивалось легкое крылышко. При нагревании гелия в сосуде крылышко отклонялось.

Тем самым было доказано, что процесс теплопередачи в гелии был связан с возникновением движения в нем. Но это движение носило поразительный и совершенно парадоксальный характер. Из отверстия вырывается струя жидкости, отклоняющая крылышко, но в то же время количество жидкости в сосуде не меняется; сосуд продолжает оставаться полным.

Изучая открытое им явление сверхтекучести, Капица весьма убедительно показал, что в области температур ниже 2,2° Кельвина жидкий гелий состоит из двух компонентов — сверхтекучего и нормального. Сверхтекучий компонент имеет нулевую энтропию, т.е. в определенном отношении представляет собой жидкость, находящуюся при абсолютном нуле.

Явление сверхтекучести привлекло внимание многих советских и иностранных физиков — теоретиков и экспериментаторов. Открытие Капицы стало фундаментом новых открытий.

Сотрудник Капицы выдающийся теоретик академик Л.Д. Ландау (1908...1968) теоретически объяснил сверхтекучесть на основе квантовых представлений и показал, что жидкий гелий — это первая из известных квантовых жидкостей.

Ландау изучал многие явления, связанные со сверхтекучестью, в результате чего он дал полную картину всех известных тогда свойств гелия-II и предсказал некоторые совершенно новые явления, позднее обнаруженные экспериментаторами и подтвердившие правильность идей Ландау. Приведем в качестве примера вывод, сделанный Ландау о существовании в гелии-II, помимо обычного звука, колебаний другого типа, названных им «вторым звуком». Ландау показал, что в противоположность обычному (первому) звуку, представляющему собой в основном колебания давления, во втором звуке основными являются колебания температуры. Ученик Капицы В.П. Пешков позднее экспериментально открыл второй звук в полном количественном согласии с теорией Ландау.

До сих пор явления, связанные со сверхтекучестью гелия, продолжают быть объектом исследования во многих странах. Некоторые наблюдавшиеся Капицей и его сотрудниками эффекты были объяснены лишь через много лет. Примером этому может служить получение новой квантовой жидкости — жидкого изотопа гелия ³He (природный гелий состоит из двух изотопов: ⁴He и ³He). С теоретической точки зрения квантовая жидкость ³He представляет большой интерес. Теория ее была разработана Л.Д. Ландау в 1956...1957 годах. Это и другие открытия, связанные с жидким гелием, рассматривались Нобелевским комитетом, и в результате Л.Д. Ландау была присуждена Нобелевская премия по физике 1962 года за его «исследования по теории конденсированных сред, особенно жидкого гелия».

В 1969 году по просьбе Королевского общества Капица написал биографический очерк о Ландау — своем близком сотруднике, с которым работал вместе с 1937 года. Он писал о Ландау: «Основная его сила как ученого была в четком и конкретно логическом мышлении, опирающемся на очень широкую эрудицию. Но такой строгий научный подход не мешал ему видеть в научной работе и эстетическую сторону, что приводило Ландау к эмоциональному подходу не только в оценках научных достижений, но и в оценке самих ученых. Рассказывая о научной работе или об ученых, Ландау всегда готов был дать свою оценку, которая обычно бывала остроумной и четко сформулированной. В особенности остроумным Ландау был в своих отрицательных оценках. Такие оценки быстро распространялись и, наконец, доходили до объекта оценки. Конечно, это усложняло для Ландау его взаимоотношения с людьми, в особенности, когда объект критики занимал ответственное положение в академической среде».

Изучение Капицей свойств сверхтекучести гелия-II было прервано войной. К осени 1941 года Институт физических проблем эвакуировался в Казань, куда направлялись и другие научно-исследовательские институты Академии наук СССР.

Институт разместили в старинных помещениях Казанского университета. Здесь по соседству были и другие академические институты. После приезда Капицы его вместе с семьей и тестем академиком А.Н. Крыловым поселили в домике, где в начале XIX века жил ректор Казанского университета знаменитый математик Н.И. Лобачевский.

В военное время задачи института изменились. На первое место выдвинулись работы научно-прикладного характера, представляющие особую ценность для промышленности и обороны. Сотрудники института под руководством Капицы занялись проектированием и постройкой ожижителей. Особенно важным считался тогда вопрос о производстве жидкого кислорода. Капице предложили заняться проблемой повышения производства кислорода. В связи с этим он продолжал в Казани совершенствовать турбодетандеры и изучать различные технические вопросы их эксплуатации. Исследования жидкого гелия из-за этого были прерваны.

Тем временем для развития в стране производства кислорода было решено создать в составе Министерства черной металлургии СССР Главное управление по кислороду — Главкислород. Правительство предложило академику Капице пост начальника этого главка и председателя технического совета. Это был редкий случай в практике, когда знаменитого ученого-физика пригласили занять ответственную должность в государственном аппарате. Капица согласился. Он представлял себе Главкислород как организацию особого рода, объединяющую науку и промышленное производство, основанное на научных достижениях.

В 1942 году произошло событие, о котором стало известно лишь много лет спустя. П.Л. Капицу, А.Ф. Иоффе и В.И. Вернадского срочно вызвали в Москву для участия в очень важном секретном совещании. Первый раз ученые и представители правительства обсуждали конкретно вопрос о создании советского атомного оружия. Участники совещания должны были решить, кого назначить руководителем «атомной проблемы». А.Ф. Иоффе сразу же предложил поручить это его ученику — И.В. Курчатову.

Как показало время, выбор был сделан правильно. Курчатов проявил себя выдающимся научным руководителем и организатором огромного коллектива ученых, конструкторов, инженеров и техников — участников работ по «атомной проблеме», завершившихся полным успехом.

Капица не участвовал в этой работе непосредственно. Но Курчатов обращался к нему за консультациями по отдельным вопросам.

Еще до окончания войны, летом 1943 года. Институт физических проблем возвратился из эвакуации в Москву. Переезд из Казани, как и отъезд туда, был неимоверно труден и потребовал больших усилий всего штата, которому пришлось вторично демонтировать оборудование, упаковывать его и грузить в эшелон.

Эта задача была успешно выполнена. Вновь, как и прежде, в корпусах на Воробьевском шоссе закипела работа. Капица и его сотрудники сумели быстро восстановить нормальный ход работы института и приступить к прерванным войной исследованиям. Конечно, одновременно институт продолжал заниматься промышленными и оборонными задачами — война еще продолжалась.

Капица вернулся к своим делам, в том числе и не связанным непосредственно с Институтом физических проблем. К ним относились различные совещания, консультации, экспертизы и т.д. Некоторые из этих мероприятий имели большое государственное значение. Другие затрагивали отдельные важные и интересные вопросы, главным образом относящиеся к изобретениям, технологии, учебной работе.

В сентябре 1943 года Комитет по делам кинематографии обратился в Институт физических проблем с просьбой дать заключение на новое изобретение «интегрального экрана». Изобретателями этого важного устройства для стереоскопического кино были два талантливых инженера С.П. Иванов и А.Н. Андриевский.

Просьба была выполнена, и Капица направил в Комитет по делам кинематографии два заключения — свое и Л.Д. Ландау.

Вот что он писал по поводу интегрального экрана: «Я сам также ознакомился с этим делом (официальным экспертом был Ландау. — Ф. К.) и нахожу, что пионеры нашего стереоскопического кино Иванов и Андриевский добились результатов, превосходящих результаты, известные нам заграницей. Хочу отметить, что с моей точки зрения, работы тов. Иванова и тов. Андриевского необходимо всячески поддерживать и предоставить им все материально-технические средства для наиболее успешного их развития, а также, если есть возможность, зафиксировать наш приоритет в этой области».

Этот отзыв приведен в виде примера той работы Капицы, которая в значительной мере способствовала признанию некоторых важных результатов науки и техники. Таких примеров множество, и все они свидетельствуют о прогрессивности Капицы, его постоянной заинтересованности в нашем научном и техническом развитии.

Вскоре после окончания войны в силу сложившихся обстоятельств П.Л. Капица был вынужден оставить работу в созданном им институте. Хотя ученый тяжело переживал это, он ни на мгновение не изменил своим научным и человеческим принципам.

Капица приступает к оборудованию личной лаборатории на своей даче на Николиной горе под Москвой.

Несколько лет он ведет замкнутую жизнь на даче, редко выезжая в Москву. Постепенно его «частная» лаборатория благоустраивается, становясь в некотором роде «чудом» нашего времени.

На даче Капица начинает свои работы по электронике больших мощностей. В его распоряжении имеются уже необходимые приборы, станки — все это оборудование смонтировано в тесном помещении, но вполне устраивает ученого.

В 1954 году личная лаборатория Капицы переводится в Институт физических проблем и под загадочным названием «Физическая лаборатория» включается в официальный перечень научных академических учреждений. В 1955 году Капицу вновь назначают директором Института физических проблем и заведующим «Физической лабораторией».

Работая еще у себя на даче, Капица предложил новую идею применения электроники для решения некоторых энергетических задач. В наше время электроника широко применяется, например, в кибернетических устройствах, радиотехнике, измерительных приборах и т.д. Электронные устройства действуют на токах высокой частоты. По мнению Капицы, использование сверхвысокочастотной электроники в большой энергетике — одно из наиболее обещающих направлений в развитии современной электротехники. Она позволяет сосредоточить в малых объемах большую электромагнитную энергию, а также добиться «большой гибкости в трансформации высокочастотной энергии в другие виды энергии, необходимой для концентрированного подвода тепла, ускорения элементарных частиц, нагревания и удержания плазмы».

В качестве примера укажем на одно из важных, по мнению Капицы, применений электроники больших мощностей. Речь идет о передаче электрического тока по волноводам, т.е. внутри труб, а не по проводам. Передача по волноводам, проложенным под землей, делает ненужными сложные и дорогие линии высоковольтных передач, при этом отпадает вопрос об изоляции линий высокого напряжения.

Постоянный ток с помощью особого прибора — магнетрона трансформируется в высокочастотный ток, который «нагнетается» в волновод. Другой магнетрон в конце волновода производит обратный процесс — высокочастотный ток трансформируется в постоянный. Высокочастотный ток годен и непосредственно для нагревания, например, его можно направлять в доменную печь, и процесс плавки руды может идти при очень высоких температурах. Другое применение: направлять высокочастотный ток по волноводам в буровые скважины для обогрева грунта.

Электроника больших мощностей, возможно, открывает путь к передаче электротока направленным пучком в пространство без волноводов (такие методы описывались в фантастических романах). Таким образом, можно было бы снабжать электроэнергией спутники или орбитальные космические станции.

Конечно, все это не так просто, и Капица предупреждает о существовании затруднений принципиального характера, препятствующих решению задачи. Он пишет, что рассмотренные им электронные процессы еще мало изучены, «но, по мере их освоения, в электронике больших мощностей откроются перспективы, которые сейчас еще нельзя предвидеть».

Предполагаемая возможность применения электроники больших мощностей для удержания плазмы побудила, вероятно, Капицу заняться изучением плазмы.

В декабре 1970 года в Вестнике Академии наук СССР появилась хроникальная заметка о том, что Комитет по делам изобретений и открытий зарегистрировал открытие Капицы, сформулировав его как «Образование высокотемпературной плазмы в шнуровом высокочастотном разряде при высоком давлении». В том же году была опубликована работа Капицы под названием «Термоядерный реактор со свободно парящим в высокочастотном поле плазменным шнуром». Статья сопровождалась чертежом конструкции термоядерного реактора. Означало ли это, что термоядерная энергия вступила на порог практического использования? Наверно, нет, если судить по словам Л.А. Арцимовича: «Я надеюсь, что в будущем столетии будет решена проблема, над которой я работаю — получение термоядерной энергии. Как это произойдет, какой путь приведет нас к этому — сейчас трудно предугадать».

Исследования плазмы в «шнуровом высокочастотном разряде» более десяти лет велись Капицей с небольшим количеством сотрудников «Физической лаборатории», В опытах тонкий плазменный шнур парил посредине резонатора в атмосфере дейтерия при давлении в несколько атмосфер. Капица разработал и построил мощный генератор высокой частоты (ниготрон), который позволил получить устойчивый шнуровой разряд. Спектрометрические измерения и теоретические подсчеты привели исследователей к заключению, что в опытах образуется цилиндрическая область радиусом в несколько миллиметров, заполненная горячей плазмой с очень высокой температурой.

Капица оптимистически оценивает исследования плазменного шнура. Он думает, что они могут иметь большое значение для ядерной энергетики. Кроме того, изучение шнурового разряда, в котором непрерывно существует горячая плазма при исключительно высоких температурах и больших давлениях, по мнению Капицы, будет способствовать более глубокому научному пониманию некоторых плазменных процессов.

Капица считает необходимым дальнейшее углубление наших познаний в области поведения плазмы. После этого можно будет продвинуть решение чисто прикладных задач. Капица убежден, что исследования термоядерной энергии, ведущиеся во всем мире, перспективны, и они, как и любые фундаментальные научные исследования в области физики, непременно должны привести к выдающимся техническим достижениям.

Исследования Капицы в области плазмы получат объективную оценку, вероятно, позднее, когда здесь будут достигнуты радикальные успехи. Теперь же эти исследования вызывают далеко не единодушную оценку специалистов. Некоторые ученые считают, что температура плазменного шнура не превышает температуру порядка миллиона, а этого слишком мало для возникновения термоядерного процесса. При более высоких температурах начнутся те же явления, что и в других опытах, приводящих к их неуспеху.

Термоядерные исследования в таком виде, в каком они ведутся сейчас, конечно, представляют известную опасность для персонала; но тем не менее они, видимо, будут вестись до победного конца пока термоядерная энергия не окажется во власти человека. Капица глубоко убежден, что термоядерный синтез сыграет важную роль в энергетике довольно близкого будущего.

Крупные и сложные установки для изучения плазмы, созданные во многих институтах мира, способны поразить воображение современников — людей второй половины XX века. Эти установки имеют имена как кинозвезды, и сообщения о них мелькают на страницах газет и журналов, издаваемых не только для ученых, но и для самого широкого круга читателей.

Термоядерные реакции, или, как у нас их сокращенно называют, «термояд», временами вырываются в лидирующее направление физики, а временами, особенно после долгих исследований, не завершающихся сенсационными результатами, отходят на некоторое время в тень.

Работы Капицы в области плазмы продолжаются. Может быть, они, наконец, помогут создать отсутствующий сейчас (1975 год) термоядерный реактор, о котором все мечтают. Выступая в Институте физических проблем, один из специалистов по термояду профессор И.Н. Головин (автор книги об академике И.В. Курчатове) пытался показать, «какие знания позволяют нам построить термоядерный реактор, и какие незнания препятствуют этому». За этими словами шел длинный очень специальный доклад со множеством формул и выкладок. Может быть, слушателям И.Н. Головина, имеющим соответствующую подготовку, стало ясно, какие незнания нужно побороть, чтобы построить эту пока еще фантастическую машину. Но вполне вероятно, что существуют и незнания, о которых физики сейчас не подозревают. Другими словами, дело затягивается. Но Капица твердо верит в успех — и не только верит, но, засучив рукава, работает для достижения этого успеха.

Институт физических проблем — одно из наиболее известных в Москве и во всем Союзе научных учреждений Академии наук СССР. Он теперь очень разросся, и парк на его территории уже не кажется таким густым и обширным, как раньше, С годами здесь строились новые лабораторные корпуса, мастерские, гаражи, вспомогательные службы. В институте сейчас работает много специалистов — физиков-исследователей, но еще больше инженеров, техников, лаборантов, высококвалифицированных рабочих. Здесь могут построить любой необходимый исследователям прибор и аппарат. Во многих экспериментах требуются уникальные установки.

Возглавляя на протяжении нескольких десятилетий крупный научно-исследовательский институт, Капица постоянно сталкивался с вопросами организации научно-исследовательской работы большого коллектива.

Как должна быть организована научная работа, проводимая сейчас в таких масштабах большим количеством экспериментаторов, конструкторов, теоретиков — крупным творческим коллективом, выполняющим одну сложную задачу? Как руководить такой работой и координировать ее?

Капица считает, что в этих условиях должны существовать специалисты — руководители крупных научных проблем, сочетающие в себе творческий талант с талантом организатора. Такими людьми он считает Резерфорда и Ферми. По своему обыкновению Капица для пояснения роли ученого-администратора приводит аналогию из другой области. В данном случае это драматическое искусство.

«Некогда театр состоял только из труппы актеров, и режиссер был незаметной фигурой, — пишет Капица. — Теперь же, особенно с развитием кино, в котором участвуют тысячи и десятки тысяч актеров, главная роль, определяющая успех постановки, перешла к режиссерам. При большой коллективной работе режиссер стал теперь необходим также и в науке. Какие требования мы ставим перед ним?