Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

ПРЕДИСЛОВИЕ

Петр Леонидович — ученый очень широкого профиля. Крупнейший физик-экспериментатор, он внес значительный вклад в развитие физики магнитных явлений, физики и техники низких температур, квантовой физики конденсированного состояния, электроники и физики плазмы.

Петр Леонидович родился 9 июля 1894 г. в семье военного инженера. Свою научную деятельность он начал на кафедре А. Ф. Иоффе на электро-механическом факультете Петроградского политехнического института, который он окончил в 1918 г.

В своей первой оригинальной научной работе Петр Леонидович разработал новый метод приготовления волластоновских нитей — тонких (толщиной менее одного микрона) платиновых или золотых проволок, получаемых протяжкой в серебряной оболочке и последующим ее растворением. П. Л. Капица применил электролитический способ растворения серебра и этим уменьшил опасность обрыва тонких нитей. В следующей своей работе П. Л. Капица предложил оригинальную модель рентгеновского спектрометра, в котором интенсивность отраженных от кристалла рентгеновских лучей повышалась во много раз благодаря использованию эффекта фокусировки от кристалла с изогнутой цилиндрической поверхностью.

Третья опубликованная работа Петра Леонидовича была выполнена совместно с Н. Н. Семёновым. В этой работе был предложен метод определения магнитного момента атома, основанный на взаимодействии атомного пучка с неоднородным магнитным полем. Этот метод был затем осуществлен в известных опытах Штерна и Герлаха.

В 1921 г. П. Л. Капица был командирован для научной работы в Англию, где он долгое время работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, директором которой был Э. Резерфорд. В /923 г. Петр Леонидович впервые поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле и наблюдал искривления траекторий α-частиц. В этих исследованиях он столкнулся с необходимостью создания сверхсильных магнитных полей. Он показал, что применение электромагнитов с железными сердечниками для этой цели бессмысленно и нужно переходить к катушкам, пропуская через них очень большой ток. Основная трудность, возникающая при этом, состоит в перегреве таких катушек. П. Л. Капица предложил оригинальный метод для преодоления этой трудности — создавать кратковременные магнитные поля пропусканием очень большого тока через катушки: за короткое время катушка не успевает нагреться. Испробовав различные источники тока, он остановился на специальной конструкции мотор-генератора. В этом генераторе энергия, необходимая для создания магнитного поля, накапливалась в виде кинетической энергии ротора. На своей установке Петру Леонидовичу удалось получить магнитное поле напряженностью 320 килоэрстед при длительности импульса порядка 10 миллисекунд. Принцип создания импульсных полей теперь широко используется во многих лабораториях. С развитием техники стало возможным использовать конденсаторы в качестве накопителей энергии, однако по величине магнитной энергии, полученной в катушке, результат П. Л. Капицы до сих пор является рекордным. Им были также разработаны оригинальные методы измерений различных физических параметров в импульсных полях.

Одним из основных результатов проведенных П. Л. Капицей исследований изменений физических свойств вещества в сильных магнитных полях явилось открытие им линейного закона для зависимости от магнитного поля электрического сопротивления ряда металлов в очень сильных магнитных полях. Этот закон, открытый им в 1928 г., нашел теоретическое объяснение лишь спустя 30 лет, когда была обнаружена сложная топологическая структура поверхностей Ферми в металлах.

Петром Леонидовичем была исследована магнитострикция пара- и диамагнитных веществ в сильных магнитных полях и открыта аномально большая магнитострикция монокристаллов висмута. Он обнаружил очень сильную анизотропию этой магнитострикции: при наложении магнитного поля вдоль тригональной оси висмут растягивался в направлении поля, а в поле, приложенном перпендикулярно оси — сжимался. П. Л. Капица исследовал также эффект Зеемана в сильных магнитных полях и наблюдал эффект Пашена — Бака.

Дальнейшая научная деятельность П. Л. Капицы связана с физикой низких температур. И здесь он начал с критического рассмотрения существовавших тогда методов получения низких температур и разработал новую оригинальную установку для ожижения гелия. В этой установке П. Л. Капице удалось избавиться от необходимости предварительно охлаждать гелий жидким водородом. Вместо этого гелий в его установке охлаждался, совершая работу в специальном расширительном детандере. Особенность этого поршневого детандера состояла в том, что смазку в нем осуществлял сам газообразный гелий.

Практически все изготовляемые в последнее время ожижители гелия строятся по принципу, предложенному П. Л. Капицей. Для проведения исследований в сильных магнитных полях и при низких температурах в Кембридже была построена специальная лаборатория им. Монда Лондонского Королевского общества, директором которой был назначен П. Л. Капица.

В 1934 г. П. Л. Капица возвращается в Москву и организует здесь Институт физических проблем, в котором продолжает исследования в сильных магнитных полях и по физике и технике низких температур.

В области техники низких температур Петр Леонидович разрабатывает новый метод ожижения воздуха с циклом низкого давления, в котором используется специальный турбодетандер, обладающий высоким коэффициентом полезного действия.

Разработанный П. Л. Капицей высокоэффективный радиальный турбодетандер с к.п.д. в 80-85% предопределил развитие во всем мире современных крупных установок разделения воздуха для получения кислорода, использующих только низкое давление.

В Советском Союзе работают и строятся мощные воздухоразделительные аппараты с использованием низкого давления, производительностью от 10 000 до 65 000 кубических метров кислорода в час. В промышленно развитых странах Запада на воздухоразделительных установках низкого давления, т. е. с использованием турбодетандеров типа, предложенного П. Л. Капицей, в 1970 г. было добыто около 53 млрд. кубических метров кислорода. Около половины получаемого кислорода используется в черной и цветной металлургии. Помимо металлургии кислород широко используется в химической промышленности и ракетной технике.

Здесь уместно отметить, что работы П. Л. Капицы по сверхсильным полям и ожижителям, демонстрируют редкое сочетание в одном человеке крупного ученого и инженера.

Петр Леонидович — одним из первых использовал в лаборатории крупные современные технические агрегаты и в то же время переносил последние достижения физики непосредственно в практику. Это было начало того процесса, который теперь развился в полной мере и является характерной чертой современной научно-технической революции.

В области физики низких температур П. Л. Капица начинает серию чрезвычайно изящных экспериментов по изучению свойств жидкого гелия. Результатом этих экспериментов было открытие Петром Леонидовичем в 1937 г. сверхтекучести гелия. Им было показано, что вязкость жидкого гелия при температуре ниже 2,19° К при его протекании через тонкие щели во столько раз меньше вязкости любой самой маловязкой жидкости, что она, по-видимому, равна нулю, и поэтому он назвал такое состояние гелия сверхтекучим. В ходе исследований аномальных свойств жидкого гелия П. Л. Капица поставил ряд необычайно тонких и наглядных экспериментов, доказывающих совершенно необычные свойства жидкого гелия при температуре ниже 2,19° К.

Работы П. Л. Капицы по изучению свойств жидкого гелия — блестящий образец подхода настоящего физика-экспериментатора к разрешению сложной проблемы. Когда читаешь его статьи, получаешь эстетическое удовольствие, следя за тем, как шаг за шагом, ставя все новые эксперименты, Петр Леонидович приходит к фундаментальному открытию сосуществования в гелии двух жидкостей с совершенно различными свойствами, которые могут двигаться навстречу друг другу.

Это открытие положило начало развитию совершенно нового направления в физике, а именно квантовой физике конденсированного состояния. Для его объяснения пришлось ввести новые квантовые представления — так называемые элементарные возбуждения, или квазичастицы.

В процессе исследований теплопередачи в жидком гелии Петр Леонидович установил также следующий важный факт: при передаче тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе раздела возникает скачок температуры, величина которого сильно растет с понижением температуры — так называемый скачок Капицы. Это также показало необходимость квантового подхода к описанию, казалось бы, столь классического явления, как явление переноса.

В конце 40-х годов П. Л. Капица обращается к совершенно иному кругу физических задач — к вопросу о создании мощных генераторов СВЧ колебаний непрерывного действия. Петру Леонидовичу удалось решить сложную математическую задачу о движении электронов в СВЧ генераторах магнетронного типа.

На базе этих расчетов он конструирует СВЧ генераторы нового типа — планотрон и ниготрон. Мощность ниготрона составляет рекордную величину — 175 квт в непрерывном режиме. В процессе изучения этих мощных генераторов П. Л. Капица столкнулся с неожиданным явлением — при помещении колбы, наполненной гелием, в пучок излучаемых генератором электромагнитных волн в гелии возникал разряд с очень ярким свечением, а стенки кварцевой колбы плавились. Это навело Петра Леонидовича на мысль, что применяя мощные СВЧ электромагнитные колебания, можно нагреть плазму до очень высоких температур.

Он присоединяет к ниготрону камеру, представляющую собой резонатор для СВЧ колебаний. Наполняя эту камеру различными газами (гелий, водород, дейтерий) под давлением в 1—2 атмосферы, Петр Леонидович обнаружил, что в центре камеры (где интенсивность СВЧ колебаний максимальная) в газе возникает шнуровой разряд.

Применяя различные методы диагностики плазмы, П. Л. Капица показал, что температура электронов плазмы в этом разряде составляет около 1 миллиона градусов. Эти исследования П. Л. Капицы, которые он интенсивно продолжает, открыли новый путь в решении задачи о создании термоядерного реактора, позволили ему произвести полный расчет такого реактора.

В первом разделе настоящей книги собраны доклады и лекции, в которых Петр Леонидович рассказывает о работах по сверхсильным магнитным полям, о знаменитых опытах, приведших к открытию сверхтекучести гелия, и о проблемах получения и использования кислорода. В этом разделе публикуется также статья П. Л. Капицы «О природе шаровой молнии». Толчком к написанию этой работы послужил описанный выше эксперимент с возникновением разряда в поле излучения мощных генераторов. Петр Леонидович Капица является не только выдающимся ученым, но и крупным организатором науки. Будучи директором Института физических проблем, членом Президиума Академии наук СССР и главным редактором ведущего физического журнала страны, он отдает много сил конкретной научно-организационной деятельности.

Как и в своей научной работе, он и здесь выступает новатором, борющимся против бюрократических методов руководства и ищущим наиболее прогрессивные методы в организации управления таким тонким механизмом, каким является коллектив творческих научных работников. Второй раздел настоящей книги содержит выступления Петра Леонидовича, посвященные этой теме.

В этом разделе публикуется доклад об организации научной работы в Институте физических проблем АН СССР. Читатели старшего поколения вспомнят, что многое, о чем говорил Петр Леонидович в начале 40-х годов, в то время звучало очень необычно, а сейчас стало нормой работы в большинстве институтов. В этом разделе собраны также выступления П. Л. Капицы по более общим вопросам организации и планирования науки и ее связи с производством.

Петр Леонидович Капица всегда уделяет большое внимание проблемам воспитания и отбора молодежи, способной к творческой научной работе. Он был одним из инициаторов создания Московского физико-технического института и является председателем Координационного совета этого института.

Петр Леонидович всегда сам проводит заседания Государственной экзаменационной комиссии по защите дипломов студентами МФТИ, выполнявшими свои дипломные работы в Институте физических проблем. Он также всегда сам принимает вступительные экзамены в аспирантуру и к каждому экзамену составляет набор задач для экзаменующихся. Особенность этих задач состоит в том, что они не имеют стандартного решения. В задачах всегда рассматривается конкретный физический опыт или явление. В процессе их решения экзаменующийся должен сам проанализировать, какие взаимодействия и эффекты в рассматриваемом явлении являются существенными, а какими можно пренебречь.

В третьем разделе книги приведены некоторые из задач такого типа. В этом же разделе приведены выступления Петра Леонидовича, посвященные проблемам творческого воспитания молодежи.

В четвертом разделе книги собраны статьи П. Л. Капицы, посвященные ряду выдающихся ученых. Многие из этих статей возникли в результате обработки его выступлений на юбилейных заседаниях, посвященных памяти этих ученых.

Благодаря тому, что Петр Леонидович ко всякому своему выступлению относится весьма серьезно, он внес большой оригинальный вклад и в область истории науки, проводя глубокий анализ научного творчества ряда ученых, стремясь вскрыть объективные причины и индивидуальные черты, способствовавшие успеху их научной деятельности.

В статьях о людях, с которыми Петр Леонидович был близок (Э. Резерфорд, И. П. Павлов, П. Ланжевен, Л. Д. Ландау), он рисует их яркие живые портреты. В этом разделе публикуется также доклад П. Л. Капицы «О некоторых этапах развития исследований в области магнетизма», с которым он выступил на открытии Международной конференции по магнетизму в /973 г.

Петр Леонидович Капица не только большой ученый и выдающийся организатор науки — он крупный общественный деятель. Его волнуют все аспекты развития человеческого общества. Он — член Советского национального комитета Пагоушского движения ученых за мир и разоружение и активно участвует в этом движении. Он неоднократно выступал по вопросам будущего развития человеческого общества, особенно в связи с такими актуальными проблемами, как борьба за разоружение, проблема загрязнения окружающей среды, экологический кризис. Часть таких выступлений собрана в пятом разделе книги.

Петру Леонидовичу Капице исполняется восемьдесят лет. Он полон сил и творческих планов. Несмотря на большую занятость научно-организационными и общественными делами, он ежедневно работает в своей лаборатории. Его энергии и увлеченности работой могут позавидовать многие молодые научные работники.