Династия гениев

КТО «ВИНОВАТ» В ГЕНИАЛЬНОСТИ? 

Сложно сказать, кто из предков Петра Леонидовича запустил цепочку самородков, но исторические данные первым упоминают деда Капицы по матери, Иеронима Ивановича Стебницкого. За 64 года своей жизни он прошел путь от мелкого чиновника до начальника Военно-топографического отдела Главного управления Генерального штаба. Также Стебницкий был членом Русского астрономического и географического обществ и руководил Корпусом военных топографов. За время службы он составил множество карт России и охарактеризовал рельефы Кавказа. Более 40 научных работ Стебницкого помогли улучшить триангуляцию – метод создания сети опорных геодезических пунктов по всей России. За особые заслуги его фамилию выгравировали на медали «В память 50-летия Корпуса военных топографов». 

Отличился и Леонид Петрович Капица, отец физика. Представитель дворянского рода Капиц-Милевских выбрал для себя стезю военного инженера. Окончив 2-е военное Константиновское училище и Николаевскую инженерную академию по 1-му разряду, он был направлен в Кронштадт, где работал в Управлении строительства кронштадтских укреплений. Леонид Петрович показал себя ценным специалистом и после восьми лет работы начальником хозяйственного отдела стал помощником строителя Кронштадтской крепости. Спустя три года его повысили до старшего инженерного приемщика Главного военно-технического управления. В Кронштадте у него и жены Ольги и родился сын Петр, заметнее всех прославивший семью. 

Отец Петра Капицы был генералом, а мать – дочерью генерала, профессором Педагогического института им. А. И. Герцена, крупнейшим специалистом по детской литературе и фольклору. Ольга Иеронимовна участвовала в издании журналов «Еж» и «Чиж», а в 1922 году совместно с С. Я. Маршаком организовала при библиотеке студию детских писателей. Она оказала большое влияние на поколение молодых авторов, куда входили Маршак, Бианки, Житков, – они создали то, что сегодня называется советской детской литературой.

ИЗ УЧЕНИКОВ В УЧИТЕЛЯ

В 1905 году 11-летний Капица поступил в гимназию, но учеба далась ему не сразу. Через год его отчислили из-за слабой успеваемости по латыни, но юный Петр перешел в Кронштадтское реальное училище, которое успешно окончил. 

Дальнейшее обучение пошло как по нотам. Выбрав Петербургский политехнический институт, Капица подал документы на факультет электромеханики. Там смышленого студента заметил «отец советской физики», академик Иоффе, и пригласил парня на совместную работу в лаборатории и на семинарах. 

Кронштадтские укрепления – памятник фортификационного искусства мирового значения, который в течение 200 лет, почти беспрерывно, модернизировался и служил для отражения атак с моря. Благодаря внедрению новейших технологий того времени оборона Петербурга ни разу не была прорвана.  В связи с начавшейся Первой мировой войной учебу пришлось отложить. В ноябре 1914 года Петр Леонидович добровольцем отправился на польский фронт, где служил водителем санитарного автомобиля. Через два года он вернулся в Санкт-Петербург и окончил институт. Иоффе пригласил Капицу работать в новоиспеченный Рентгенологический и радиологический институт, в физико-технический отдел, где Капица начал преподавать. 

«ЗЕБРА ЖИЗНИ» ГЕНИЯ

Возвращение с войны ознаменовалось ярким событием – женитьбой в 1916 году на Надежде Черносвитовой, дочери депутата Государственной Думы. Но за белой полосой последовала черная. В 1919-м умер от «испанки» отец Капицы, затем жена, сын Иероним и новорожденная дочь Надежда. По признанию ученого, это был один из тяжелейших периодов, из которого его чудом вытянула мать. 

Собравшись с силами, Капица продолжил свою деятельность. После нескольких неудачных попыток выехать на стажировку за границу он в 1921 году отправился в Англию, где по рекомендации Иоффе трудился под началом Эрнеста Резерфорда в Кавендишской лаборатории.

Работы Капицы в области сверхсильных магнитных полей привлекли внимание видных ученых: ему удалось создать импульсный магнит с максимальной индукцией около 30 тесла (сегодняшний рекорд – 100 тесла), катушка которого преобразовывала механическую энергию в магнитную. Несмотря на русский паспорт, Петра Леонидовича воспринимали наравне с английскими учеными, что было весьма почетно в то время. Капица защитил докторскую диссертацию на тему «Прохождение альфа-частиц через вещество и методы получения сильных магнитных полей», а в 1925 году получил должность заместителя директора Кавендишской лаборатории. Спустя четыре года Капица стал членом Лондонского Королевского общества. 

Его работы ценились так высоко, что в 1930 году Советом Королевского общества было выделено 15 тыс. фунтов стерлингов на строительство Мондовской лаборатории (в честь промышленника и филантропа Людвига Монда, завещавшего часть денег), где ученый проводил свои опыты. В 1933-м она была торжественно открыта. В апреле 1934 года Капица впервые в мире получил жидкий гелий на созданной им установке для ожижения. 

В Кавендишской лаборатории синтезировали более 200 изотопов, что является рекордом среди аналогичных лабораторий мира. С момента основания в лаборатории работали 30 нобелевских лауреатов. 
Но в СССР были свои планы на ученого. Зная, что Капица сотрудничает со многими английскими промышленниками, его во что бы то ни стало решили вернуть домой. 

ПЛЕН СОВЕТОВ

В свой отпуск Петр Леонидович 12 лет подряд ездил в Россию навещать родных. Но в 13-й раз остался там навсегда. 

В 1934 году Капица приехал повидать мать и поучаствовать в международном конгрессе, посвященном 100-летию со дня рождения Менделеева. «Наверху» было принято решение не выпускать ученого из СССР. Сначала Петра Леонидовича попросили остаться дома с предоставлением лучших условий и рабочих инструментов. Но физик, как и в прошлые 12 раз, отказался. Тогда с Капицей встретился советский государственный и партийный деятель Валерий Межлаук, которого инструктировал сам Сталин. Межлаук сказал, что виза ученого аннулирована и из страны его не выпустят. 

Под руководством П. Л. Капицы Институт физических проблем стал одним из наиболее продуктивных учреждений Академии наук СССР

Капица писал зарубежным друзьям и коллегам с просьбой помочь ему выехать из страны. За возвращение Капицы в Англию выступали Альберт Эйнштейн, Поль Ланжевен и Эрнест Резерфорд, но их старания не увенчались успехом. 

В первые месяцы Капица забросил свои труды и жил у матери. Он не интересовался наукой и даже подумывал сменить сферу деятельности. Последствия оказались катастрофическими и для Кавендишской лаборатории. Через 25 лет после запрета на выезд Петра Леонидовича Роберт Юнг написал: «Уход Капицы не только глубоко повлиял на Резерфорда. Он оказал разрушительное влияние на Кавендишскую лабораторию в целом…». Ее сотрудники перешли в другие лаборатории, что на некоторое время приостановило работу нескольких важных проектов. 

СПУСТЯ ВРЕМЯ Капица согласился продолжить работу, но при условии, что вся аппаратура Мондовской лаборатории будет перевезена в СССР. После сложных переговоров с Резерфордом и директором лаборатории Кокрофтом вопрос удалось решить, но и сумма оказалась немалой – 30 тыс. фунтов стерлингов. Переместив лабораторию в СССР, в марте 1937 года построили Институт физических проблем, директором которого и стал Петр Леонидович. Здесь же берут начало так называемые «капичники» – семинары Капицы, которые со временем стали известны на весь Союз. 

Через 10 месяцев Капица опубликовал в журнале Nature статью о фундаментальном открытии – явлении сверхтекучести жидкого гелия. 

ЧТО ТАКОЕ СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ И ПОЧЕМУ ОНА ВАЖНА

При помощи ряда опытов Капица обнаружил, что квантовые жидкости, которые возникают при температурах, близких к абсолютному нулю (–273 °C), способны протекать через капилляры и узкие щели без трения. Так, например, сверхтекучий гелий может «выбраться» из емкости в виде тонкой жидкой пленки, которая образуется на стенках. 

Капица был не единственным исследователем в этой области. На его место в Мондовскую лабораторию взяли двух канадских ученых – Джона Аллена и Остина Майзнера. Они опоздали с открытием на пару месяцев, но внесли существенные дополнения в исследование. Из-за этого Нобелевская премия Капице была вручена лишь в 1978 году, хотя его трижды номинировал Нильс Бор – в 1948, 1956 и 1960 годах. 

Петр Леонидович прислал материалы в Nature раньше своих коллег (3 декабря 1937 года), а так как тексты требовали проверки, гранки Капицы изучал Джон Кокрофт, директор Мондовской лаборатории. Последний дал прочесть статью Аллену и Майзнеру и поторопил их с публикацией своего исследования. Неудивительно, что в одном номере Nature от 8 января 1938 года появились две статьи, посвященные сверхтекучести, – Капицы и Аллена–Майзнера. 

В материалах говорилось о скачкообразном изменении вязкости гелия при достижении температуры ниже 2,17К (–271 °C). Но Аллен и Майзнер изучали гелий-II в тонких капиллярах, а Капица рассматривал поведение жидкости между двумя отшлифованными дисками, оценив полученное значение вязкости ниже величины 10−9. Это фазовое состояние и было названо сверхтекучестью гелия. А теоретическое обоснование сверхтекучести дали Ласло Тисса, Лев Ландау и Фриц Лондон, предложив так называемую двухжидкостную модель. 

Эффект сверхтекучести пока не имеет какого-либо популярного применения. Сверхтекучий гелий используется для охлаждения нагревающих систем благодаря свойству проникать в мельчайшие щели и двигаться в сторону источника тепла. Исследования в этом направлении ведутся до сих пор. 

НАУЧНОЕ НАСЛЕДИЕ КАПИЦЫ

Изучение сверхтекучести – лишь малая доля всех достижений «маэстро», поэтому стоит вспомнить и о других его открытиях. 

Еще не имея достаточного веса и опыта, Петр Капица вместе с Николаем Семеновым опубликовали научную работу по измерению магнитного момента (величины, характеризующей магнитные свойства объекта) атома в неоднородном магнитном поле. Этот принцип в 1922 году был доработан в опыте Штерна–Герлаха, подтвердившем существование собственного магнитного момента у электронов. 

Работая в Кембридже, Петр Леонидович исследовал сверхсильные магнитные поля, а также их влияние на траекторию элементарных частиц. После восьми лет опытов он вывел закон Капицы, согласно которому электрическое сопротивление ряда металлов в сильном магнитном поле растет пропорционально напряженности этого поля.  

П. Л. Капица и его ассистент С. И. Филимонов во время лабораторного эксперимента по сверхтекучести гелия, 1939 г.

Разбираясь с эффектами, связанными с влиянием сильных магнитных полей на свойства вещества, Капица столкнулся с одной из проблем физики низких температур – недостаточным количеством сжиженных газов. На тот момент не было эффективных методик по их созданию, поэтому физик сам руководил строительством высокопроизводительной установки по сжижению воздуха, которая повысила КПД детандера – устройства, преобразующего потенциальную энергию газов в механическую (с 0,65 до 0,85). Кроме того, в новой установке не требовалась фаза сжатия воздуха до 100 атмосфер – было достаточно всего шести.  

Нельзя пройти и мимо открытого в 1933 году квантовомеханического эффекта Капицы–Дирака. Он показывает отражение электронов от стоячей волны электромагнитного излучения (ртутной лампы): пучок частиц можно расщепить стоячей волной света и получить дифракцию. Экспериментально подтвердить предсказанный Капицей и Дираком эффект ученым удалось только в 2001 году. Эффект применяется при создании сверхточных интерферометров – приборов для измерения длины волны. 

Именем Петра Леонидовича также назван маятник Капицы – механический феномен, который демонстрирует устойчивость вне положения равновесия. Это система, состоящая из грузика на легкой нерастяжимой спице, которая крепится к вибрирующему подвесу. При неподвижном подвесе аппарат похож на обычный маятник с двумя положениями равновесия: внизу и вверху (причем вверху положение весьма неустойчивое, и минимальное воздействие нарушает равновесие). Вертикальное положение может быть устойчивым лишь в случае быстрых вибраций подвеса, а при медленных равновесие все равно нарушается. Это позволило развить теорию динамической стабилизации, разделить движения на «быстрые» и «медленные» переменные, ввести понятие «эффективный потенциал». Исследования в этой области дали толчок к развитию нового направления в физике – вибрационной механики, а метод Капицы использовали для описания колебательных процессов в атомной и кибернетической физике, физике плазмы. 

И, конечно же, стоит упомянуть о скачке Капицы – явлении в жидком гелии, когда при передаче тепла от твердого тела к жидкому гелию (или обратно) на границе раздела происходит скачок температур. Он возникает на границе раздела любых разнородных сред (из которых одна – диэлектрик) при наличии теплового потока через границу (из одной среды в другую). 

РАБОТА ПРИ ЛЮБЫХ УСЛОВИЯХ

В военные годы Капица сосредоточился на производстве жидкого кислорода из воздуха для промышленности и изготовления взрывчатки, создав и запустив в эксплуатацию турбокислородные установки ТК-200 (200 кг/ч жидкого кислорода) и ТК-2000 (2000 кг/ч), а также стал начальником Главного управления по кислороду при СНК СССР. 

После испытания американцами ядерной бомбы в Хиросиме и Нагасаки стартовал советский атомный проект по созданию отечественной атомной бомбы. К работе привлекли лишь двух ученых – Курчатова и Капицу. Из-за разногласий с руководителем проекта – Лаврентием Берией – физик просит «самоотвод» у Сталина. Капицу снимают с должности и отправляют «под домашний арест» на дачу. Но и здесь академик продолжает исследования в области физики низких температур, разделения изотопов урана и водорода, гидродинамики (волновое течение тонких слоев жидкости). Отсутствие нужных приборов не останавливает Капицу, и он проводит эксперименты в кустарных условиях. Лишь через год «заточения» ему удалось получить необходимое для работы оборудование. 

После Второй мировой войны Капица переключился на электронику больших мощностей. В своих опытах он выдвинул гипотезу о резонансной природе шаровой молнии – в резонаторе, наполненном гелием, ему удалось получить парящий сферический газовый разряд и с помощью органических добавок менять его яркость и цвет. Также он развил общую теорию электронных приборов магнетронного типа. Петр Леонидович создал магнетронные генераторы непрерывного действия, которые применяли для создания наиболее коротких радиоволн. 

После смерти Сталина Капица вернулся на пост директора Института физических проблем, где проработал до конца жизни. Петр Леонидович изучал свойства плазмы, а в последние годы жизни заинтересовался управляемой термоядерной реакцией. 

В 1978 году Капица получил Нобелевскую премию по физике «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». Но свою нобелевскую речь он посвятил теме «Плазма и управляемая термоядерная реакция», сославшись на то, что физикой низких температур он не занимался более 30 лет. Премию Капица положил на свой зарубежный счет и не отдал государству ни копейки. 

Вручение Нобелевской премии по физике Петру Капице в декабре 1978 г.

Возобновились «капичники», выступить на которых стремились многие деятели науки, искусства и культуры. Петр Леонидович до последних дней сохранял активность, отдавая все силы не только новым исследованиям, но и взращиванию «научной элиты». Он принимал активное участие в создании Академгородка под Новосибирском и Московского физико-технического института. 

8 апреля 1984 года, не дожив три месяца до своего 90-летия, Капица скончался в результате инсульта. 

ДРУГОЕ ПОКОЛЕНИЕ

Двое сыновей Петра Леонидовича также стали видными учеными. Сергей Петрович Капица – один из создателей феноменологической математической модели гиперболического роста численности населения Земли. Также он считается основоположником клиодинамики – междисциплинарной области исследований, цель которой – математическое моделирование социально-исторических проектов. Кроме научной деятельности, Сергей Капица в течение 39 лет был бессменным ведущим телепрограммы «Очевидное-невероятное», а 29 лет – редактором журнала «В мире науки».
Второй сын, Андрей Петрович Капица, участвовал в четырех антарктических экспедициях и сделал одно из последних географических открытий XX века – обнаружил подледное озеро под российской антарктической станцией «Восток». 

Внуки Петра Капицы, Федор, Мария и Варвара, не пошли по стопам отцов, деда и прадеда. Федор был филологом и писателем, Мария – психолог, а Варвара – врач. 

За три поколения род Стебницких-Капиц подарил миру великих людей, которые своими исследованиями раскрыли несколько тайн планеты. И пусть следующее поколение не снискало мировой известности, зато они по праву могут гордиться своей фамилией, увековеченной в истории.