Турбодетандер, шустрый гелий и спасенный Ландау. Чем запомнился нобелевский лауреат Капица
Петр Капица
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.
Читайте также
За что получали Нобелевскую премию наши соотечественники
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.
Читайте также
Летающие поезда, квантовые компьютеры и другие чудеса на сверхпроводниках
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.
Читайте также
Что на самом деле придумал "разработчик советского интернета" Глушков
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.
Читайте также
Как на Урале строили первый в СССР промышленный ядерный реактор
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.
Алексей Тимошенко, научно-популярный сайт "Чердак"