Петр Леонидович Капица. Открытия. Идеи. Путешествия
страница №2
...их температурах представляет "чрезвычайно текучую, т.е. такую жидкость, которая не имеет вязкости".Тончайшие и остроумнейшие эксперименты Капицы, с помощью которых он измерял вязкость гелия-II, хорошо известны физикам. По осуществленным Капицей измерениям вязкость гелия-II оказалась почти в 10 тысяч раз меньше, чем вязкость наиболее подвижного из известных веществ - жидкого водорода. Вода же обладала в миллиард раз большей вязкостью, чем жидкий гелий.
Капица сделал весьма смелое заключение из своих опытов: гелий-II течет как жидкость, вообще не имеющая вязкости. Он предложил назвать открытое им свойство гелия-II сверхтекучестью. В последующие годы Капица продолжал изучать сверхтекучесть и открыл некоторые поразительные свойства гелия-II. Один из замечательных экспериментов Капицы заключался в том, что перед отверстием сосуда, наполненного жидким гелием (и погруженного в жидкий гелий), подвешивалось легкое крылышко. При нагревании гелия в сосуде крылышко отклонялось.
Тем самым было доказано, что процесс теплопередачи в гелии был связан с возникновением движения в нем. Но это движение носило поразительный и совершенно парадоксальный характер. Из отверстия вырывается струя жидкости, отклоняющая крылышко, но в то же время количество жидкости в сосуде не меняется; сосуд продолжает оставаться полным.
Изучая открытое им явление сверхтекучести, Капица весьма убедительно показал, что в области температур ниже 2,2° Кельвина жидкий гелий состоит из двух компонентов - сверхтекучего и нормального. Сверхтекучий компонент имеет нулевую энтропию, т.е. в определенном отношении представляет собой жидкость, находящуюся при абсолютном нуле.
Явление сверхтекучести привлекло внимание многих советских и иностранных физиков - теоретиков и экспериментаторов. Открытие Капицы стало фундаментом новых открытий.
Сотрудник Капицы выдающийся теоретик академик Л.Д.Ландау (1908...1968) теоретически объяснил сверхтекучесть на основе квантовых представлений и показал, что жидкий гелий - это первая из известных квантовых жидкостей.
Ландау изучал многие явления, связанные со сверхтекучестью, в результате чего он дал полную картину всех известных тогда свойств гелия-II и предсказал некоторые совершенно новые явления, позднее обнаруженные экспериментаторами и подтвердившие правильность идей Ландау. Приведем в качестве примера вывод, сделанный Ландау о существовании в гелии-II, помимо обычного звука, колебаний другого типа, названных им "вторым звуком". Ландау показал, что в противоположность обычному (первому) звуку, представляющему собой в основном колебания давления, во втором звуке основными являются колебания температуры. Ученик Капицы В.П.Пешков позднее экспериментально открыл второй звук в полном количественном согласии с теорией Ландау.
До сих пор явления, связанные со сверхтекучестью гелия, продолжают быть объектом исследования во многих странах. Некоторые наблюдавшиеся Капицей и его сотрудниками эффекты были объяснены лишь через много лет. Примером этому может служить получение новой квантовой жидкости - жидкого изотопа гелия 3He (природный гелий состоит из двух изотопов: 4He и 3He). С теоретической точки зрения квантовая жидкость 3He представляет большой интерес. Теория ее была разработана Л.Д.Ландау в 1956...1957 годах. Это и другие открытия, связанные с жидким гелием, рассматривались Нобелевским комитетом, и в результате Л.Д.Ландау была присуждена Нобелевская премия по физике 1962 года за его "исследования по теории конденсированных сред, особенно жидкого гелия".
В 1969 году по просьбе Королевского общества Капица написал биографический очерк о Ландау - своем близком сотруднике, с которым работал вместе с 1937 года. Он писал о Ландау: "Основная его сила как ученого была в четком и конкретно логическом мышлении, опирающемся на очень широкую эрудицию. Но такой строгий научный подход не мешал ему видеть в научной работе и эстетическую сторону, что приводило Ландау к эмоциональному подходу не только в оценках научных достижений, но и в оценке самих ученых. Рассказывая о научной работе или об ученых, Ландау всегда готов был дать свою оценку, которая обычно бывала остроумной и четко сформулированной. В особенности остроумным Ландау был в своих отрицательных оценках. Такие оценки быстро распространялись и, наконец, доходили до объекта оценки. Конечно, это усложняло для Ландау его взаимоотношения с людьми, в особенности, когда объект критики занимал ответственное положение в академической среде".
Изучение Капицей свойств сверхтекучести гелия-II было прервано войной. К осени 1941 года Институт физических проблем эвакуировался в Казань, куда направлялись и другие научно-исследовательские институты Академии наук СССР.
Институт разместили в старинных помещениях Казанского университета. Здесь по соседству были и другие академические институты. После приезда Капицы его вместе с семьей и тестем академиком А.Н.Крыловым поселили в домике, где в начале XIX века жил ректор Казанского университета знаменитый математик Н.И.Лобачевский.
В военное время задачи института изменились. На первое место выдвинулись работы научно-прикладного характера, представляющие особую ценность для промышленности и обороны. Сотрудники института под руководством Капицы занялись проектированием и постройкой ожижителей. Особенно важным считался тогда вопрос о производстве жидкого кислорода. Капице предложили заняться проблемой повышения производства кислорода. В связи с этим он продолжал в Казани совершенствовать турбодетандеры и изучать различные технические вопросы их эксплуатации. Исследования жидкого гелия из-за этого были прерваны.
Тем временем для развития в стране производства кислорода было решено создать в составе Министерства черной металлургии СССР Главное управление по кислороду - Главкислород. Правительство предложило академику Капице пост начальника этого главка и председателя технического совета. Это был редкий случай в практике, когда знаменитого ученого-физика пригласили занять ответственную должность в государственном аппарате. Капица согласился. Он представлял себе Главкислород как организацию особого рода, объединяющую науку и промышленное производство, основанное на научных достижениях.
В 1942 году произошло событие, о котором стало известно лишь много лет спустя. П.Л.Капицу, А.Ф.Иоффе и В.И.Вернадского срочно вызвали в Москву для участия в очень важном секретном совещании. Первый раз ученые и представители правительства обсуждали конкретно вопрос о создании советского атомного оружия. Участники совещания должны были решить, кого назначить руководителем "атомной проблемы". А.Ф.Иоффе сразу же предложил поручить это его ученику - И.В.Курчатову.
Как показало время, выбор был сделан правильно. Курчатов проявил себя выдающимся научным руководителем и организатором огромного коллектива ученых, конструкторов, инженеров и техников - участников работ по "атомной проблеме", завершившихся полным успехом.
Капица не участвовал в этой работе непосредственно. Но Курчатов обращался к нему за консультациями по отдельным вопросам.
Еще до окончания войны, летом 1943 года. Институт физических проблем возвратился из эвакуации в Москву. Переезд из Казани, как и отъезд туда, был неимоверно труден и потребовал больших усилий всего штата, которому пришлось вторично демонтировать оборудование, упаковывать его и грузить в эшелон.
Эта задача была успешно выполнена. Вновь, как и прежде, в корпусах на Воробьевском шоссе закипела работа. Капица и его сотрудники сумели быстро восстановить нормальный ход работы института и приступить к прерванным войной исследованиям. Конечно, одновременно институт продолжал заниматься промышленными и оборонными задачами - война еще продолжалась.
Капица вернулся к своим делам, в том числе и не связанным непосредственно с Институтом физических проблем. К ним относились различные совещания, консультации, экспертизы и т.д. Некоторые из этих мероприятий имели большое государственное значение. Другие затрагивали отдельные важные и интересные вопросы, главным образом относящиеся к изобретениям, технологии, учебной работе.
В сентябре 1943 года Комитет по делам кинематографии обратился в Институт физических проблем с просьбой дать заключение на новое изобретение "интегрального экрана". Изобретателями этого важного устройства для стереоскопического кино были два талантливых инженера С.П.Иванов и А.Н.Андриевский.
Просьба была выполнена, и Капица направил в Комитет по делам кинематографии два заключения - свое и Л.Д.Ландау.
Вот что он писал по поводу интегрального экрана: "Я сам также ознакомился с этим делом (официальным экспертом был Ландау. - Ф.К.) и нахожу, что пионеры нашего стереоскопического кино Иванов и Андриевский добились результатов, превосходящих результаты, известные нам заграницей. Хочу отметить, что с моей точки зрения, работы тов. Иванова и тов. Андриевского необходимо всячески поддерживать и предоставить им все материально-технические средства для наиболее успешного их развития, а также, если есть возможность, зафиксировать наш приоритет в этой области".
Этот отзыв приведен в виде примера той работы Капицы, которая в значительной мере способствовала признанию некоторых важных результатов науки и техники. Таких примеров множество, и все они свидетельствуют о прогрессивности Капицы, его постоянной заинтересованности в нашем научном и техническом развитии.
Вскоре после окончания войны в силу сложившихся обстоятельств П.Л.Капица был вынужден оставить работу в созданном им институте. Хотя ученый тяжело переживал это, он ни на мгновение не изменил своим научным и человеческим принципам.
Капица приступает к оборудованию личной лаборатории на своей даче на Николиной горе под Москвой.
Несколько лет он ведет замкнутую жизнь на даче, редко выезжая в Москву. Постепенно его "частная" лаборатория благоустраивается, становясь в некотором роде "чудом" нашего времени.
На даче Капица начинает свои работы по электронике больших мощностей. В его распоряжении имеются уже необходимые приборы, станки - все это оборудование смонтировано в тесном помещении, но вполне устраивает ученого.
В 1954 году личная лаборатория Капицы переводится в Институт физических проблем и под загадочным названием "Физическая лаборатория" включается в официальный перечень научных академических учреждений. В 1955 году Капицу вновь назначают директором Института физических проблем и заведующим "Физической лабораторией".
Работая еще у себя на даче, Капица предложил новую идею применения электроники для решения некоторых энергетических задач. В наше время электроника широко применяется, например, в кибернетических устройствах, радиотехнике, измерительных приборах и т.д. Электронные устройства действуют на токах высокой частоты. По мнению Капицы, использование сверхвысокочастотной электроники в большой энергетике - одно из наиболее обещающих направлений в развитии современной электротехники. Она позволяет сосредоточить в малых объемах большую электромагнитную энергию, а также добиться "большой гибкости в трансформации высокочастотной энергии в другие виды энергии, необходимой для концентрированного подвода тепла, ускорения элементарных частиц, нагревания и удержания плазмы".
В качестве примера укажем на одно из важных, по мнению Капицы, применений электроники больших мощностей. Речь идет о передаче электрического тока по волноводам, т.е. внутри труб, а не по проводам. Передача по волноводам, проложенным под землей, делает ненужными сложные и дорогие линии высоковольтных передач, при этом отпадает вопрос об изоляции линий высокого напряжения.
Постоянный ток с помощью особого прибора - магнетрона трансформируется в высокочастотный ток, который "нагнетается" в волновод. Другой магнетрон в конце волновода производит обратный процесс - высокочастотный ток трансформируется в постоянный. Высокочастотный ток годен и непосредственно для нагревания, например, его можно направлять в доменную печь, и процесс плавки руды может идти при очень высоких температурах. Другое применение: направлять высокочастотный ток по волноводам в буровые скважины для обогрева грунта.
Электроника больших мощностей, возможно, открывает путь к передаче электротока направленным пучком в пространство без волноводов (такие методы описывались в фантастических романах). Таким образом, можно было бы снабжать электроэнергией спутники или орбитальные космические станции.
Конечно, все это не так просто, и Капица предупреждает о существовании затруднений принципиального характера, препятствующих решению задачи. Он пишет, что рассмотренные им электронные процессы еще мало изучены, "но, по мере их освоения, в электронике больших мощностей откроются перспективы, которые сейчас еще нельзя предвидеть".
Предполагаемая возможность применения электроники больших мощностей для удержания плазмы побудила, вероятно, Капицу заняться изучением плазмы.
В декабре 1970 года в Вестнике Академии наук СССР появилась хроникальная заметка о том, что Комитет по делам изобретений и открытий зарегистрировал открытие Капицы, сформулировав его как "Образование высокотемпературной плазмы в шнуровом высокочастотном разряде при высоком давлении". В том же году была опубликована работа Капицы под названием "Термоядерный реактор со свободно парящим в высокочастотном поле плазменным шнуром". Статья сопровождалась чертежом конструкции термоядерного реактора. Означало ли это, что термоядерная энергия вступила на порог практического использования? Наверно, нет, если судить по словам Л.А.Арцимовича: "Я надеюсь, что в будущем столетии будет решена проблема, над которой я работаю - получение термоядерной энергии. Как это произойдет, какой путь приведет нас к этому - сейчас трудно предугадать".
Исследования плазмы в "шнуровом высокочастотном разряде" более десяти лет велись Капицей с небольшим количеством сотрудников "Физической лаборатории", В опытах тонкий плазменный шнур парил посредине резонатора в атмосфере дейтерия при давлении в несколько атмосфер. Капица разработал и построил мощный генератор высокой частоты (ниготрон), который позволил получить устойчивый шнуровой разряд. Спектрометрические измерения и теоретические подсчеты привели исследователей к заключению, что в опытах образуется цилиндрическая область радиусом в несколько миллиметров, заполненная горячей плазмой с очень высокой температурой.
Капица оптимистически оценивает исследования плазменного шнура. Он думает, что они могут иметь большое значение для ядерной энергетики. Кроме того, изучение шнурового разряда, в котором непрерывно существует горячая плазма при исключительно высоких температурах и больших давлениях, по мнению Капицы, будет способствовать более глубокому научному пониманию некоторых плазменных процессов.
Капица считает необходимым дальнейшее углубление наших познаний в области поведения плазмы. После этого можно будет продвинуть решение чисто прикладных задач. Капица убежден, что исследования термоядерной энергии, ведущиеся во всем мире, перспективны, и они, как и любые фундаментальные научные исследования в области физики, непременно должны привести к выдающимся техническим достижениям.
Исследования Капицы в области плазмы получат объективную оценку, вероятно, позднее, когда здесь будут достигнуты радикальные успехи. Теперь же эти исследования вызывают далеко не единодушную оценку специалистов. Некоторые ученые считают, что температура плазменного шнура не превышает температуру порядка миллиона, а этого слишком мало для возникновения термоядерного процесса. При более высоких температурах начнутся те же явления, что и в других опытах, приводящих к их неуспеху.
Термоядерные исследования в таком виде, в каком они ведутся сейчас, конечно, представляют известную опасность для персонала; но тем не менее они, видимо, будут вестись до победного конца пока термоядерная энергия не окажется во власти человека. Капица глубоко убежден, что термоядерный синтез сыграет важную роль в энергетике довольно близкого будущего.
Крупные и сложные установки для изучения плазмы, созданные во многих институтах мира, способны поразить воображение современников - людей второй половины XX века. Эти установки имеют имена как кинозвезды, и сообщения о них мелькают на страницах газет и журналов, издаваемых не только для ученых, но и для самого широкого круга читателей.
Термоядерные реакции, или, как у нас их сокращенно называют, "термояд", временами вырываются в лидирующее направление физики, а временами, особенно после долгих исследований, не завершающихся сенсационными результатами, отходят на некоторое время в тень.
Работы Капицы в области плазмы продолжаются. Может быть, они, наконец, помогут создать отсутствующий сейчас (1975 год) термоядерный реактор, о котором все мечтают. Выступая в Институте физических проблем, один из специалистов по термояду профессор И.Н.Головин (автор книги об академике И.В.Курчатове) пытался показать, "какие знания позволяют нам построить термоядерный реактор, и какие незнания препятствуют этому". За этими словами шел длинный очень специальный доклад со множеством формул и выкладок. Может быть, слушателям И.Н.Головина, имеющим соответствующую подготовку, стало ясно, какие незнания нужно побороть, чтобы построить эту пока еще фантастическую машину. Но вполне вероятно, что существуют и незнания, о которых физики сейчас не подозревают. Другими словами, дело затягивается. Но Капица твердо верит в успех - и не только верит, но, засучив рукава, работает для достижения этого успеха.
Институт физических проблем - одно из наиболее известных в Москве и во всем Союзе научных учреждений Академии наук СССР. Он теперь очень разросся, и парк на его территории уже не кажется таким густым и обширным, как раньше, С годами здесь строились новые лабораторные корпуса, мастерские, гаражи, вспомогательные службы. В институте сейчас работает много специалистов - физиков-исследователей, но еще больше инженеров, техников, лаборантов, высококвалифицированных рабочих. Здесь могут построить любой необходимый исследователям прибор и аппарат. Во многих экспериментах требуются уникальные установки.
Возглавляя на протяжении нескольких десятилетий крупный научно-исследовательский институт, Капица постоянно сталкивался с вопросами организации научно-исследовательской работы большого коллектива.
Как должна быть организована научная работа, проводимая сейчас в таких масштабах большим количеством экспериментаторов, конструкторов, теоретиков - крупным творческим коллективом, выполняющим одну сложную задачу? Как руководить такой работой и координировать ее?
Капица считает, что в этих условиях должны существовать специалисты - руководители крупных научных проблем, сочетающие в себе творческий талант с талантом организатора. Такими людьми он считает Резерфорда и Ферми. По своему обыкновению Капица для пояснения роли ученого-администратора приводит аналогию из другой области. В данном случае это драматическое искусство.
"Некогда театр состоял только из труппы актеров, и режиссер был незаметной фигурой, - пишет Капица. - Теперь же, особенно с развитием кино, в котором участвуют тысячи и десятки тысяч актеров, главная роль, определяющая успех постановки, перешла к режиссерам. При большой коллективной работе режиссер стал теперь необходим также и в науке. Какие требования мы ставим перед ним?
Главное требование - то, что его роль должна быть творческой, а не чисто административной. Он должен понимать смысл и цель решения научной работы и должен правильно оценивать творческие возможности исполнителей, распределять роли по талантливости и так целесообразно расставить силы, чтобы все стороны решаемой проблемы развивались гармонично... Мы знаем случаи, когда большой актер вместе с тем является и большим режиссером, например, Чарли Чаплин... Несомненно, что сейчас наступает такой период, когда организаторам науки будет отводиться все более и более крупная роль".
Этот отрывок взят из речи Капицы на Международном симпозиуме по планированию науки, состоявшемся в Праге в сентябре 1959 года.
Будучи исключительно эрудированным человеком, Капица сознает, что век энциклопедически развитых ученых (как и других творческих деятелей) прошел. Наступил век узкоцеленаправленных дарований, среди которых есть и гении, играющие огромную роль в прогрессе человечества. Он видит талант современного физика-исследователя не столько в эрудиции, сколько в богатстве творческого воображения, в смелости построения научных гипотез, в интуитивном чутье. К таким ученым Капица относит Резерфорда.
Чтобы научиться оценивать творческие способности молодежи, нужно, по мнению Капицы, изучать оригинальные работы больших ученых. "Меня лично, - говорит Капица, - знакомство с работами таких ученых, как Максвелл, Релей, Кюри, Лебедев, научило многому, и, кроме того, это доставляет еще эстетическое наслаждение".
Вот, оказывается, почему Капица написал очерки о жизни и творчестве великих ученых - Ломоносова, Резерфорда, Ньютона, Франклина, Ланжевена, Фридмана, Павлова. Он считал своим долгом помочь тем, кому предстоит давать оценку способностям молодых исследователей. Но и самим молодым людям не мешает познакомиться с жизнью выдающихся ученых, ибо это помогает им увлечься делом и одновременно оценить свои силы.
В биографиях ученых, главным образом физиков, написанных Капицей, всегда проходит идея необходимости воспитания молодых поколений ученых, способных развивать науку, постоянного отбора одаренных и талантливых людей, без которых невозможен научный прогресс.
Высокая оценка деятельности ученого складывается, по мнению Капицы, из его научных трудов и созданной им школы. "Хорошо известно, - говорил Капица в своих "Воспоминаниях о Резерфорде", - что Резерфорд был не только большой ученый, но и большой учитель. Я не могу вспомнить другого ученого, современника Резерфорда, в лаборатории которого воспитывалось бы столько крупных физиков".
Есть ли ученики у Капицы? На этот вопрос один из сотрудников его института ответил: все, кто давно с Капицей работает, могут считать себя его учениками. Но оттого, что Капица, несмотря на пожилой возраст, продолжает с неослабевающим увлечением и с полной отдачей свои собственные исследования, он не имеет возможности посвящать много времени молодым. В этом отношении Капица не похож на тех ученых, которые на определенном этапе жизни свертывают собственные работы и почти все свое время отдают ученикам.
В те годы, когда он мог работать еще более напряженно, он вкладывал много энергии в преподавание. В течение двух лет (1944...1946) он совмещал должности заведующего кафедрой низких температур Московского университета и заведующего кафедрой турбокислородных машин Московского института химического машиностроения. После того, как один из факультетов Московского университета по инициативе Капицы и нескольких других профессоров был выделен в Московский физико-технический институт - первое из известных учебных заведений, специально готовящих физиков-исследователей, Капица был назначен заведующим кафедрой общей физики (1947...1950). В 1956 году Капица вернулся в этот институт уже в качестве заведующего кафедрой физики и техники низких температур.
Трудно подсчитать, сколько ученых может воспитать выдающийся преподаватель, невозможно определить, скольким молодым людям такой преподаватель может внушить тягу и привязанность к научным исследованиям.
Отношения Капицы со студентами и аспирантами не укладываются в традиционные рамки. Капица в роли профессора - это не только лектор, но воспитатель, зорко следящий за успехами своих питомцев, принимающий участие в их общественной жизни. Начать с самого построения лекций. Капица стремится вызвать интерес у слушателей, а не просто подчинить их необходимости присутствовать в аудитории. Для этого он демонстрирует различные, порой сложные опыты, показывает схемы, фотоснимки, слайды, он составляет особые необычные задачи, чтобы развить у студентов способности к самостоятельному аналитическому и творческому мышлению.
Капица предоставил свой институт для практики студентов. Во время практических занятий он со многими встречается и беседует, стараясь выявить наиболее способных, талантливых. Если он находит среди студентов одаренных молодых людей, то открывает им путь в аспирантуру, предоставляет возможности для работы в Институте физических проблем.
Капица всегда содействует приобщению студентов к научной и творческой работе. Для этого он организует практикумы, семинары, привлекает к участию в деятельности ученого совета института, в работе научных конференций. Ученый прежде всего старается выявить склонности молодого человека и в зависимости от этого предлагает ему работу.
Талант и одаренность должны непременно сочетаться с такими чертами, как независимость мышления, нетривиальность подхода к наблюдаемому явлению, творческая инициатива. Все это Капица всегда стремится найти и развить в молодом ученом, которому предстоит брать новые научные рубежи.
В январе 1965 года Датский инженерный союз присудил Капице медаль Нильса Бора.
Поездка в Данию была первой поездкой в капиталистическую страну после перерыва, длившегося более 30 лет. Но на Западе его хорошо помнили и знали. Многие из нынешних Нобелевских лауреатов, заслуженных университетских профессоров делали первые шаги в науке вместе с Капицей или под его руководством.
В поездке в Данию, как и в последующих за ней поездках во многие страны, Капица неутомимо посещал научно-исследовательские институты, академии, университеты. Он выступал с лекциями и докладами, участвовал в научных дискуссиях, используя любую возможность для утверждения успехов советской физики в мировом общественном мнении.
После каждой поездки Капица, как и все сотрудники, выступает с отчетом на заседании Ученого совета Института физических проблем. На таких заседаниях присутствуют все научные сотрудники института, аспи