8 июля исполняется 130 лет со дня рождения всемирно известного физика, нобелевского лауреата Петра Леонидовича Капицы. Его научные идеи значительно опередили свое время и до сих пор используются в самых передовых разработках.
Фигура Капицы — это яркое, уникальное, многогранное явление в истории отечественной науки. Он был великим ученым, открытия которого развернули перед исследователями новые страницы книги природы, и инженером, который умел и любил создавать приборы, а также выдающимся организатором. Он создал Институт физических проблем, принимал активное участие в создании МФТИ.
Гражданская и человеческая сторона личности Петра Леонидовича открывается нам в его афоризмах, письмах и многочисленных теплых воспоминаниях коллег, учеников и друзей. Как человек в столь непростое время, он был очень независимым. Заслуги Капицы признавались советским правительством, он вел весьма продуктивную переписку с Иосифом Сталиным и Вячеславом Молотовым, что помогло спасти под личное поручительство арестованного в 1930-х Льва Ландау. В то же время он был дружественен с Александром Солженицыным и поддержал Андрея Сахарова.
Его образ жизни был очень светским, он часто общался с советскими знаменитостями: например, самая яркая звезда того времени Любовь Орлова неоднократно была у него в гостях. По воспоминаниям, он содействовал Театру на Таганке и дружил с Юрием Любимовым. Капица поддерживал тесные отношения и вел активную переписку с величайшими учеными Нильсом Бором, Эрнестом Резерфордом, Полем Дираком. Охватить всю величину этого уникального человека и ученого в такой короткой заметке невозможно.
Если говорить о научном наследии Петра Леонидовича, то его идеи до сих пор остаются основой современных передовых исследований и промышленных разработок. Здесь также трудно выделить наиболее важные направления, поэтому я бы рассказал о трех — об открытии сверхтекучести, достижении высоких магнитных полей и получении сжиженных газов.
Пожалуй, самая знаменитая работа Капицы — экспериментальное открытие явления сверхтекучести, за которое Петру Леонидовичу дали Нобелевскую премию. Сначала это было некоторой удивительной игрушкой для физиков, интересной задачей: жидкий гелий, охлажденный до температур всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, демонстрировал крайне необычные свойства. При понижении температуры ниже примерно 2 градуса Кельвина (–271°С) свойства жидкого гелия резко изменялись: он начинал без видимого трения протекать через тончайшие капилляры, а ее теплопроводность оказывалась очень велика.
Над объяснением этого явления работало много ученых, в том числе Лев Давидович Ландау, за что он также получил Нобелевскую премию. Их работа внесла огромный вклад в развитие науки, показав, как квантовые законы влияют на поведение не отдельных атомов или молекул, а вполне заметных объемов вещества. Это позднее позволило понять, как устроена сверхпроводимость, научиться понимать свойства сверхпроводников и в каком-то смысле управлять ими. Можно сказать, что развивающееся применение сверхпроводников в технике — а это и медицинские томографы (в огромном «бублике» МРТ томографа скрывается сверхпроводящий магнит), и некоторые элементы квантовых компьютеров — опирается в том числе и на открытие Петром Капицей явления сверхтекучести.
Необычные свойства сверхтекучего гелия также применяются в технике в специализированных приборах, работающих вблизи абсолютного нуля. Например, систему магнитов Большого адронного коллайдера, крупнейшей в истории физики экспериментальной установки, охлаждает примерно 100 т гелия, находящегося в сверхтекучем состоянии. Это уже промышленный масштаб применения квантового по своей природе явления, а в первых опытах Капицы использовалось около 1 л сверхтекучего гелия.
Второе. Работы Петра Леонидовича по получению высоких магнитных полей, начатые им в Кембридже, заложили основу целого направления науки — исследования свойств вещества в сверхвысоких магнитных полях. Именно Капица впервые в мире получил магнитное поле с индукцией 30 Тл (это примерно в 300 тыс. раз сильнее магнитного поля Земли). Этот рекорд, который был поставлен в 20-х годах прошлого века, держался примерно до 1950-х годов. Саму технику, которую он при этом разработал — идею проведения измерений во время короткого импульса магнитного поля — до сих пор продолжают использовать в лидирующих лабораториях мира. Так, во ВНИИЭФ в Сарове, где достигаются рекордные в мире магнитные поля более 1000 Тесла, используется развитие предложенной Петром Леонидовичем идеи импульсных измерений, а научные доклады, посвященные измерениям свойств вещества в таких экстремальных условиях, часто начинаются с упоминания Капицы и его метода получения импульсных магнитных полей.
Приведенные выше примеры раскрывают нам Капицу-ученого, открытия которого опережали время и вели к новому пониманию устройства природы. Однако эти открытия не состоялись бы без Капицы-инженера, создателя новых экспериментальных установок: и знаменитый «паучок Капицы» для демонстрации явления сверхтекучести, и многие элементы установки для получения высоких магнитных полей вошли в золотой фонд техники физического эксперимента.
Наверное, самым ярким проявлением инженерной грани таланта Петра Леонидовича была разработка новой схемы сжижения газов, известной теперь как цикл Капицы. Получение жидкого кислорода было важным вызовом для советской промышленности в предвоенные и военные годы: кислород был нужен в металлургии, медицине, для высотной авиации.
Стандартной схемой охлаждения газов было использование поршневых машин, в которых газ под высоким давлением совершает работу, расплачиваясь за это своей внутренней энергией и остывая. Капица предложил использовать турбодетандеры, специально сконструированные турбины, что позволило снизить необходимые давления газа и повысить эффективность ожижения. Что важно и особенно в военное время, это было не предложение кабинетного ученого: Капица провел огромную работу по внедрению новых методов сжижения и по подготовке кадров, возглавляя с 1943 по 1946 год Главкислород, фактически «министерство кислорода» СССР.
В наше время цикл Капицы продолжает использоваться в промышленных установках для получения жидких газов — кислорода, азота, природного газа.
С моей точки зрения, это три самых значимых направления работы Петра Леонидовича, которые спустя уже почти 100 лет находят активное отражение в современном развитии науки и техники. Это удивительные открытия, но, как говорил сам Петр Капица, «если академика через 10 лет после смерти еще помнят, он — классик науки».
Автор — ведущий научный сотрудник Института физических проблем имени П.Л. Капицы РАН, профессор МФТИ
Позиция редакции может не совпадать с мнением автора
