Текст уведомления здесь

Турбодетандер, шустрый гелий и спасенный Ландау

Что еще мы знаем о Петре Капице

17 октября 1978 года советский ученый Петр Капица получил Нобелевскую премию за работы по физике низких температур. А чем еще он нам запомнился?
Добавить в закладки
Комментарии

Магнитные поля и Капица в рамках погрешности

Капица — ученик сразу двух ученых, почитаемых за «отцов физики». Первым был Абрам Иоффе, воспитавший первое поколение советских физиков: кроме Капицы у него, например, учились Курчатов, Семенов, Александров. Вторым — Эрнест Резерфорд, среди воспитанников которого 12 (!) нобелевских лауреатов по физике и химии, включая и самого Капицу. К Резерфорду Капица отправился в 1921-м, по рекомендации Иоффе.

На этом фото 1916 года — участники семинара Иоффе в Политехническом институте; двое из них станут нобелевскими лауреатами: сначала Николай Семенов (справа, в первом ряду), потом Капица (тоже справа, во втором ряду)
На этом фото 1916 года — участники семинара Иоффе в Политехническом институте; двое из них станут нобелевскими лауреатами: сначала Николай Семенов (справа, в первом ряду), потом Капица (тоже справа, во втором ряду)

Впрочем, для того чтобы таки стать сотрудником легендарной Кавендишской лаборатории, Капице пришлось Резерфорда убеждать — лорд ссылался на то, что ставок у него для нового сотрудника нет. Как вспоминал потом Капица, диалог их выглядел следующим образом:

— 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.

С этим Резерфорд не смог не согласиться, и молодой физик стал заниматься исследованиями под его началом.

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.

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, еще недавно чуть было не «завернутый» Резерфордом, получил уже свою собственную лабораторию.

Портрет Капицы и Николая Семенова кисти Бориса Кустодиева, 1921 год. Будущие нобелевские лауреаты заявили художнику, что они только «пока» не знамениты — и оказались правы
Портрет Капицы и Николая Семенова кисти Бориса Кустодиева, 1921 год. Будущие нобелевские лауреаты заявили художнику, что они только «пока» не знамениты — и оказались правы

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.

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 в 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 вернуться 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 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 до 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.

Высокие температуры

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.

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 составление листовок, где Сталин сравнивался с Гитлером (!), Капица добился освобождения ученого под свою ответственность. В разгар репрессий это был крайне рискованный шаг, но ни Капицу, ни большинство его сотрудников НКВД не трогало.

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 качеств выделяло его даже среди нобелевских лауреатов.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Синтез белков для безопасной медицины

Как уменьшить побочные эффекты лекарств

Почему у лекарств возникают побочные эффекты? Потому что они могут взаимодействовать как с целевыми рецепторами, отвечающими, например, за воспаление, так и с различными другими. Как можно сделать лекарства более специфичными, направленными на борьбу только с врагом? Рассказывает Анастасия Гусач, сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ.
Добавить в закладки
Комментарии

Анастасия ГУСАЧ, сотрудник лаборатории структурной биологии рецепторов, сопряженных с G-белком, МФТИ:

— Сейчас мы находимся в лаборатории структурных исследований рецепторов, сопряженных с G-белком, в МФТИ. Наша лаборатория является достаточно молодой. Она появилась всего пять лет назад, но за это короткое время мы успели довести почти до конца уже много важных и значимых на мировом уровне проектов. Сейчас я расскажу немного о том проекте, которым занимаюсь лично.

Этот проект связан со структурными исследованиями рецепторов, связанных с воспалением. Для чего это нужно? Структуры высокого разрешения GPCR позволяют создавать высокоспецифичные лекарства, которые будут иметь минимум побочных эффектов. Побочные эффекты у лекарств возникают из-за того, что эти лекарства недостаточно специфичны. Т.е. они могут взаимодействовать как с целевым белком, так и с различными другими белками. Если мы, например, хотим создать лекарство для блокировки, блокады боли, а наше лекарство будет еще взаимодействовать с рецепторами, отвечающими за воспаление, то мы можем получить не только блокаду боли, но и воспаление, что является побочным эффектом. Мы этого не хотим. Поэтому мы желаем знать структуру нашего целевого рецептора с максимальным (т.е. атомным) разрешением. И после этого мы посмотрим на него, посмотрим на все остальные рецепторы и решим, чем же он такой особенный и как нам сделать лекарство, которое будет ориентировано только на него. Это задача медицины нового поколения. Сейчас она является очень актуальной. [ ... ]

Читать полностью

Наука спасать озера

Репортаж Егора Задереева с конференции лимнологов в китайском Нанкине

В конце августа в городе Нанкин прошел 34-й конгресс Международной ассоциации лимнологии. Своими впечатления об одном из самых значимых событий для водных экологов всего мира поделился участник конгресса, ведущий научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН, доцент Сибирского федерального университета и популяризатор науки Егор Задереев.
Добавить в закладки
Комментарии

Лимнология давно переросла терминологически предписанный ей объект исследования — озера («лимне» с греч. «озеро») — и занимается всеми внутренними водоемами. Каждые три года Международное общество лимнологии собирает своих членов в разных странах мира, чтобы обсудить прогресс в изучении озер, рек и водохранилищ. Для меня съезд лимнологов в Китае стал уже пятым.

Изначально лимнология во многом сугубо практическая наука: нужно уметь предсказывать наводнения или засухи, контролировать качество воды для различных нужд, знать где, когда и в каком количестве ловить рыбу. Со временем лимнология обогатила свой арсенал средств и методов. Информация со спутников помогает оценить распределение и биомассу фотосинтезирующих организмов. Автономные погружные датчики позволяют в непрерывном режиме получать информацию о физических и химических характеристиках. Масс-спектрометры, хроматографы, секвенаторы дают невиданную ранее точность в измерении биохимических и генетических параметров. Однако задачи лимнологии как науки остались прежними. Для каждого конкретного водоема нужно уметь предсказывать его реакцию на различные внешние воздействия. Понимаем, как будет изменяться озеро при увеличении загрязняющих стоков или изменившемся климате? Значит, знаем управляющие факторы и при необходимости можем контролировать состояние водоема.

Подготовка и участие в научной конференции идут по стандартной схеме. Пишешь тезисы, оплачиваешь оргвзнос, бронируешь гостиницу и авиабилеты, при необходимости оформляешь визу. Начиная с какого-то времени почти все делается на автомате. В этот раз система почти дала сбой. Подвела логистика.

«Скоростные поезда из Пекина в Нанкин ходят каждые полчаса — не будем бронировать, на месте возьмем», — так я за пару недель до конгресса обнадежил коллегу, с которым мы вместе летим из Красноярска в Китай. [ ... ]

Читать полностью

Беломорье

Как живет самая знаменитая биологическая станция Северного полушария

Для проведения научных экспериментов, а особенно натурных наблюдений, недостаточно городских помещений — зоологи, ихтилоги, ботаники должны выезжать в «поле» и там работать. В России далеко за полярным кругом есть только одно такое место — Беломорская биологическая станция МГУ.
Добавить в закладки
Комментарии
Фото: Александр Семенов / Chrdk.
Фото: Александр Семенов / Chrdk.

Беломорская биологическая станция была основана еще в 1938 году. Она была создана как научно-исследовательский центр для проведения морских научных исследований в северном регионе, подготовки специалистов и организации полевых студенческих практик.

Фото: Александр Семенов / Chrdk.

Фото: Александр Семенов / Chrdk.

Круглый год на станции морские биологи исследуют многообразие подводного мира. Для этого водолазы во время погружений используют большое количество съемочного оборудования. На фотографии сотрудник станции Федор Большаков с подводной камерой, установленной на самодельной системе подводной стабилизации. [ ... ]

Читать полностью