Турбодетандер, шустрый гелий и спасенный Ландау. Чем запомнился нобелевский лауреат Капица
17 окт, 11:37
17 октября 1978 года советский ученый Петр Капица получил Нобелевскую премию за работы по физике низких температур. ТАСС вспоминает главные достижения и поступки великого ученого
Магнитные поля и Капица в рамках погрешности
В 1921-м Капица — ему тогда не было и 30 лет — уехал в Великобританию, где ставил эксперименты с сильными магнитными полями. 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 получил собственную лабораторию, несмотря на то что еще девять лет назад знаменитый Резерфорд отказал ему даже в ставке. По воспоминаниям Капицы, он спросил Резерфорда:
— 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
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 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 вернутся 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 к 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 вперед 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.
"Сделал и забыл"
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 листовки, где он сравнивал Сталина с Гитлером и Муссолини, Капица добился освобождения ученого под свою ответственность. В разгар репрессий это был крайне рискованный шаг, но ни Капицу, ни большинство его сотрудников НКВД не трогал.
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 достоинств выделяло его даже среди нобелевских лауреатов. В конце концов, Нобелевскую премию дают за отдельный научный результат, а не по совокупности заслуг. Капица же был своего рода идеальным ученым едва ли не со всеми необходимыми исследователю мирового уровня качествами.
