|
Нобелевская премия по физике
Нобелевская премия 1978 года по физике присуждена крупнейшему физику-экспериментатору академику П. Л. Капице за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур.
Характерная черта научной деятельности П. Л. Капицы как физика-экспериментатора — тесная связь исследовательской работы с изобретательской. Работу над каждой новой научной проблемой он обычно начинает с разработки оригинальных экспериментальных установок, поскольку такая аппаратура позволяет наблюдать исследуемое явление в наиболее благоприятных условиях. Многие из них — поистине фундаментальные изобретения — прочно вошли в практику научного эксперимента, в технику, производство. Эта черта нашла отражение в формулировке Нобелевского комитета.
Начальный этап научной деятельности П. Л. Капицы связан с исследованием явлений в сильных магнитных полях. В 20-х — начале 30-х годов он работал в Кембриджском университете (Англия) в лаборатории Э. Резерфорда, которая в те годы была одним из основных центров по изучению атомного ядра. Для исследования процессов радиоактивного распада и превращения ядер требовались сильные магнитные поля. П. Л. Капица выдвинул идею проводить исследования в импульсных магнитных полях, разработал оригинальные методы и установки для получения таких полей. На своей установке П. Л. Капица получил рекордные по тому времени магнитные поля — до 320 тыс. Э в течение 0,01 с. В физических исследованиях с такими магнитными полями он открыл у ряда металлов линейное возрастание электрического сопротивления с ростом напряженности магнитного поля. Изучая свойства металлов в сильных магнитных полях, П. Л. Капица пришел к необходимости проведения исследований в условиях возможно более низких (гелиевых) температур.
Именно с физикой и техникой низких температур связаны наиболее яркие достижения ученого. Этот важнейший этап своей научной деятельности П. Л. Капица начал с создания более эффективных методов получения низких температур — ожижения гелия. Использовавшиеся тогда ожижители гелия, действовавшие на основе эффекта Джоуля — Томсона, требовали предварительного охлаждения газообразного гелия жидким водородом до температуры ниже так называемой температуры инверсии. В созданной П. Л. Капицей оригинальной установке не требуется предварительное охлаждение гелия: газообразный гелий охлаждается, адиабатически расширяясь в специальном детандере (цилиндре с поршнем). Теперь в разных странах создаются практически только такие гелиевые ожижители.
Еще одним важным изобретением П. Л. Капицы в области криогенной техники явилось создание высокоэффективных крупных установок для ожижения воздуха с целью промышленного получения кислорода. В этой установке применен предложенный им новый метод ожижения воздуха с использованием только цикла низкого давления и специального турбодетандера (вместо поршневого механизма ученый применил турбину). Разработанный П. Л. Капицей турбодетандер, обладающий высоким КПД (80—85%), предопределил последующее развитие крупных установок для ожижения воздуха с целью получения кислорода. Мощные установки такого типа были созданы в нашей стране, а затем и в других промышленно развитых странах мира.
Экспериментальные научные исследования П. Л. Капицы в области физики низких температур ознаменовались фундаментальным открытием. В процессе изучения свойств жидкого гелия в 1937 г. им было открыто явление сверхтекучести. Ранее было известно уникальное свойство гелия, который переходит в жидкое состояние при температуре 4,2 К, оставаться жидким при более низких температурах вплоть до абсолютного нуля. Было также известно, что при температуре 2,19 К скачкообразно меняется теплоемкость жидкого гелия (точнее, изотопа гелия с атомным весом 4). В чрезвычайно изящных экспериментах, наблюдая протекание жидкого гелия через капилляры и узкие щели (шириной до полумикрона), П. Л. Капица показал, что у этой жидкости при температурах ниже 2,19 К полностью отсутствует вязкость. В работах 1937—1941 гг. были обнаружены и изучены другие аномальные явления в жидком гелии, в частности распространение тепла в нем. Было показано, что в интервале температур от 4,2 до 2,19 К гелий ведет себя как обычная жидкость, а при температуре ниже 2,19 К в его поведении проявляются аномалии. П. Л. Капица приходит к выводу о сосуществовании в таком гелии двух жидкостей — нормальной и аномальной (сверхтекучей), которые могут двигаться как бы сквозь друг друга.
Эти и другие совершенно необычные свойства жидкого гелия оказалось возможным объяснить только в рамках квантовотеоретических представлений. Экспериментальные работы П. Л. Капицы стали основой развития нового направления в физике — физики квантовых жидкостей. В 1941 г. академик Л. Д. Ландау разработал феноменологическую теорию жидкого гелия, объяснившую явление сверхтекучести и другие свойства жидкого гелия. В 1946 г. академик Н. Н. Боголюбов создал микроскопическую теорию сверхтекучести, в которой получил обоснование постулированный в теории Ландау энергетический спектр элементарных возбуждений. Теория сверхтекучести — макроскопического квантового явления — содействовала теоретическому объяснению другого явления аналогичной природы — сверхпроводимости, открытого еще в 1911 г. голландским физиком Камерлинг- Оннесом. Открытие и теоретическое объяснение явления сверхтекучести оказали влияние и на развитие других областей физики, в частности физики атомного ядра и физики твердого тела.
С конца 40-х годов П. Л. Капица работает над актуальными проблемами электроники и физики плазмы. Им разработана теория движения электронов в СВЧ-генераторах магнетронного типа и созданы мощные генераторы электромагнитных волн, работающие в непрерывном режиме. Создание таких генераторов открыло новое направление в электронике, позволило П. Л. Капице выдвинуть идею о передаче электроэнергии на расстояние с помощью электромагнитных волн.
Изучая свечение различных газов под действием СВЧ-колебаний, создаваемых мощным генератором, П. Л. Капица обнаружил возникновение шнурового разряда. Исследование разряда показало, что температура электронов плазмы в этом шнуре достигает миллиона градусов. Эти работы П. Л. Капицы наметили новый подход к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза.
Академик П. Л. Капица — крупный организатор науки. Он — основатель и директор Института физических проблем им. С. И. Вавилова АН СССР, член Президиума АН СССР, редактор ведущего советского физического журнала («Журнал экспериментальной теоретической физики»). Наряду с большой научной и научно-организационной деятельностью он всегда удивлял много внимания проблемам подготовки и отбора кадров.
Источник. Наука и человечество. 1980. Международный ежегодник. - М.: Знание. c. 333.