Петр Леонидович Капица и его вклад в науку
Однажды Капица обратился к Эрнесту Резерфорду с просьбой принять его на стажировку в лабораторию. Британский физик отказал, сославшись на то, что там уже около тридцати человек и она переполнена. Тогда Капица спросил, к какой точности тот стремится в своих экспериментах. «Допустима погрешность 2–3 процента», — ответил Резерфорд.
«В таком случае один лишний исследователь не будет заметен, он будет поглощен допустимой неточностью опыта», — ответил Петр Леонидович.
После столь остроумной реплики Резерфорд не смог отказать молодому ученому. Так, по сути, и началась карьера величайшего советского физика.
Первые исследования Капицы были связаны с поведением альфа- и бета-частиц в магнитном поле. Изначально эти эксперименты требовали создания мощных электромагнитов. Молодой ученый показал, что применение обычных электромагнитов для данной цели бессмысленно, вместо железных сердечников нужны катушки. Однако основная трудность — перегрев при использовании больших токов. Капица с успехом решил эту задачу, предложив создавать кратковременные магнитные поля пропусканием очень большого тока. За такое время катушка не успевала нагреться, потому что продолжительность заряда составляла сотые доли секунды.
В результате ученому удалось создать магнитные поля, которые во много раз превосходили те, что были получены ранее.
К слову, эти поля по величине и длительности еще долго были рекордными. Дальнейшая научная деятельность Капицы была напрямую связана с физикой низких температур, для достижения которых требовалось большое количество сжиженных газов. Работу в этой области он также начал с создания необходимых устройств. Ученый критически рассмотрел все существовавшие тогда методы получения низких температур и самостоятельно разработал установку для сжижения гелия, который кипит при температуре примерно –268 °С. Именно поэтому сжижение этого газа считалось наиболее трудным. Капица придумал способ, как избавиться от необходимости предварительно охлаждать гелий жидким водородом. В результате в 1934 году он создал вышеупомянутую установку.
До Капицы жидкий гелий уже был получен в 1908-м физиком Хайке Каммерлинг-Оннесом. Однако при сравнении производительности этих двух систем установка русского ученого была большим прорывом — могла производить 2 л жидкого гелия в час, тогда как по методу нидерландского физика на получение небольшого количества загрязненного примесями других газов гелия требовалось несколько дней.
Смекалка и талант позволили Капице преодолеть и серьезную проблему замерзания смазки движущихся частей установки при низких температурах. Идея была гениально проста: в установке он использовал именно жидкий гелий.
Принцип охлаждения гелия, предложенный ученым, лежит в основе современной техники получения так называемых гелиевых температур (вблизи абсолютного нуля по Кельвину). Применение этого метода позволило получать также сжиженный воздух, сейчас такие воздухоразделительные установки работают по всему миру. Получение жидкого воздуха, в свою очередь, обусловило широкое использование жидкого кислорода, который произвел переворот в советской сталелитейной промышленности. Сегодня он применяется в черной и цветной металлургии, химической промышленности и ракетной технике.
Получив жидкий гелий, Капица начал серию тонких и наглядных экспериментов по изучению его свойств. Ученому удалось обнаружить значительное уменьшение вязкости при охлаждении жидкого гелия до температуры ниже –270 °С. В итоге он переходил в форму, условно названную гелий-2 (ее вязкость становится во много раз меньше, чем у любой маловязкой жидкости).
Утрата вязкости позволяет гелию беспрепятственно вытекать через самые мелкие отверстия, подниматься по стенкам контейнера против классического закона силы тяжести. Отсутствие ее также сопровождается увеличением теплопроводности. Капица назвал такое состояние гелия сверхтекучим. Это открытие положило начало развитию физики конденсированного состояния, а для его объяснения пришлось ввести новые квантовые представления.
На этом открытия не заканчиваются, так как далее ученый заинтересовался изучением различных свойств плазмы. Она находится на другом краю температурной шкалы, так как для достижения этого состояния газы нагревают до высокой температуры, при которой атомы теряют электроны и превращаются в заряженные ионы. При этом из-за особых свойств плазму считают особой формой материи. Работая над созданием микроволнового генератора, Капица опять столкнулся с неожиданным явлением. Поместив в генератор колбу, наполненную жидким гелием, он заметил, что в веществе возникает разряд с ярким свечением. В ходе дальнейших экспериментов было обнаружено, что этот разряд возникает в определенных условиях, а температура в его центре составляет миллионы градусов.
Данное открытие легло в основу проекта термоядерного реактора с непрерывным подогревом плазмы.
Чествуя лауреатов Нобелевской премии в 1978 году, среди которых был и Петр Леонидович, представитель Шведской королевской академии наук заметил, что «Капица предстает перед нами как один из величайших экспериментаторов нашего времени, неоспоримый пионер, лидер и мастер в своей области».
Краткая биография
Петр Леонидович Капица родился 26 июня (9 июля) 1894 года в Кронштадте в семье генерал-лейтенанта инженерного корпуса. После окончания гимназии поступил на факультет инженеров-электриков Санкт-Петербургского политехнического института императора Петра Великого. После окончания три года преподавал, а затем под руководством ученого А. Ф. Иоффе приступил к исследованиям в области атомной физики. В 1921-м Капица отправился в Англию в лабораторию физика Э. Резерфорда. В 1923-м стал доктором наук, спустя пять лет Академия наук СССР присвоила Капице ученую степень доктора физико-математических наук и избрала своим членом-корреспондентом. В 1930-м он стал профессором-исследователем Лондонского королевского общества, которое специально для ученого построило физическую лабораторию. В конце лета 1934-го Капицу не выпустили из Советского Союза, а его лондонскую лабораторию перевезли в Москву в созданный Институт физических проблем. Здесь Капица возобновил исследования по физике низких температур, активно участвовал в других научных проектах. В 1965 году Капица отправился в Данию для получения Международной золотой медали Нильса Бора, посетил Англию и США. В 1978-м был удостоен Нобелевской премии по физике за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур. Умер 8 апреля 1984 года.
