23/УП.23 г. Резерфорд опять предложил мне ту же стипендию. Я сдался и подал заявление.
23/У111.23 г. Я получил стипендию им. Клерка Максвелла, а с ней и много поздравлений.
30/У111.23 г. Я затеваю еще новые опыты по весьма смелой схеме2. Вчера вечером я был у Резерфорда, обсуждал часть вопросов, остался обедать, много беседовали на разные темы. Он был очень мил и заинтересовался этими опытами. Пробыл я у
него часов пять. Он дал мне свой портрет. Я его пересниму и пошлю тебе».
Для определения магнитного момента а-частицы Капице нужны были очень сильные магнитные поля. Обычно поля получали с помощью электромагнитов, и рекордом была напряженность
• Дискуссионный кружок молодых физиков—«Клуб Капицы», куда входили Кокрофт, Олифант, Блэккет, Дирак и многие другие кембриджцы.
2 Речь идет о начале знаменитых опытов П. Л. Капицы по созданию сильных магнитных полей.
50' 103 Эо. Стремясь получить более сильное поле, французский физик Коттон построил электромагнит массой в 100 т, сумев увеличить напряженность поля всего на 25% (стоил же такой электромагнит несколько миллионов золотых франков). Таким образом, путь увеличения размеров электромагнитов для получения более сильных магнитных полей был несостоятелен. Причина его заключалась в явлении магнитного насыщения железа.
Капица пошел по другому пути. Он решил использовать соленоид—катушку без сердечника. Но, чтобы создать сильное поле внутри соленоида, по нему надо пропустить большой ток, что приводит к нагреву обмотки и ее сгоранию. Конечно, обмотку можно охлаждать, например, жидким воздухом (t= -190°С), как предложил Ж. Перрен. Но, по расчетам, для получения поля в 100-103 Э на охлаждение соленоида потребовалось бы 90 т жидкого воздуха в час. Это технически было неосуществимо.
Петр Леонидович выдвигает совершенно новую, оригинальную идею—отказаться от магнитных полей, существующих длительное время, а использовать импульсные (кратковременные) поля огромной силы. Первый соленоид Капицы выдерживал мощность в несколько десятков тысяч киловатт в течение сотой доли секунды, нагреваясь при этом до
100 °С. В качестве источника тока использовался аккумулятор небольшой емкости. При коротком замыкании сила тока в катушке достигала 7.103 А, что давало возможность получить поле в 100-103 Э. В дальнейшем вместо аккумулятора стал использоваться мощный генератор, построенный по проекту Капицы и М. Костенко английской фирмой Метрополитен-Виккерс. Ротор генератора имел массу 2,5 т и мог вращаться со скоростью 1500 об/мин. Генератор успешно выдержал испытания и превзошел расчетные данные. Теперь встала задача — создать автоматический замыкатель и размыкатель. «Эта часть оказалась очень трудной, и я сплошь проработал над ней три месяца. Она делается аэроплановой фабрикой, так как по конструкции очень похожа на клеточный распределительный механизм быстроходного аэропланового двигателя»,—писал Капица в июле 1925 г. М. Костенко.
С помощью этой установки П. Л. Капица получил поля напряженностью в 300-103 Э, а при продолжении этих опытов в Москве — 500-103 Э, т. е. в 10 раз больше рекорда, полученного с помощью электромагнитов. Кроме того, использование кратковременных полей хотя и потребовало более быстродействующей аппаратуры, позволяло избавиться от влияния ряда мешающих явлений. Сейчас этот метод является основным в области физики элементарных' частиц, время жизни многих из которых не превышает 10-6С.
Следует отметить, что П. Капица в 1925 г. положил начало технической революции в области физики. И установка Капицы, и принцип ее действия производили сильное впечатление на ученых Кембриджа и его гостей. Вот как об этом писал Н. Винер:
«В Кембридже все же была одна дорогостоящая лаборатория, оборудованная по последнему слову техники. Я имею в виду лабораторию русского физика Капицы... Капица был пионером в создании лабораторий-заводов с мощным оборудованием».
Научившись получать сильные магнитные поля, Капица приступил к исследованию в них свойств металлов. Вскоре им было открыто явление линейного возрастания сопротивления металлов с ростом напряженности поля (линейный закон Капицы). Теоретически закон был объяснен лишь в 60-е годы.
За 10 лет (1924—1933) Петр Леонидович опубликовал более 20 работ, связанных с исследованием металлов в сильных магнитных полях. В 1924 г. он становится помощником директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям. В 1930 и 1933 гг. Капица принимает участие вместе с большой Кавендишской группой, возглавляемой Резерфордом, в Сольве-евских конгрессах в Брюсселе. Конгресс 1930 г. был посвящен магнитным свойствам вещества. Капица и Коттон выступали с докладами. Оба доклада вызвали большой интерес.
Изучая свойства металлов в сильных магнитных полях, Капица приходит к заключению, что многие явления, в особенности гальваномагнитные, наиболее интересны при низких температурах. Чтобы их создать, надо было заняться получением газов в жидком состоянии и строить соответствующую аппаратуру.
В 1908 г. голландский физик Камерлинг-Оннес после многочисленных опытов сумел получить в жидком состоянии самый трудный в этом плане газ — гелий. (За эти работы в 1913 г. Камерлинг-Оннес стал Нобелевским лауреатом.) Однако даже в 1929 г. техника получения жидкого водорода была освоена слабо. «Первое, с чего я начал,— писал Капица,— это постройка водородного ожижителя». Первая установка Капицы давала 7 л жидкого водорода в час; пусковое время—20 мин. Это было очень хорошо. Но в связи с тем, что водород взрывоопасен, Петр Леонидович решил отказаться от него и предложил новый метод получения жидкого гелия: гелий будет охлаждаться за счет совершения им работы в адиабатном процессе (тепло к системе не подводится, а работу она совершает за счет убыли своей внутренней энергии и, следовательно, охлаждается). Сначала Капица предполагал применить для этой цели турбину. Но турбина выгодна тогда, когда через нее проходит значительная масса газа. Оказалось, что производительность ее, если учесть размеры существующих турбин, должна быть несколько тысяч литров жидкого гелия в час. Чтобы получить 1—2 л в час, как это было необходимо для лабораторного эксперимента, турбина должна была иметь 1—2 см в диаметре.
Поэтому было решено использовать поршневую машину. Но здесь встала очень трудная задача—найти материал для смазки работающей при столь низких температурах (до 10 К, или —263°С) машины. Эта задача была решена гениально просто: смазкой будет служить сам газообразный гелий, так как между поршнем и стенкой цилиндра был оставлен зазор 0,035 мм. Но чтобы через этот зазор не могло уходить много гелия, когда цилиндр будет им наполнен при высоком давлении, необходимо процесс расширения производить очень быстро. Расчеты показали, что такую скорость осуществить можно. Другая трудность состояла в подборе материала: ведь при температуре жидкого гелия все материалы становятся хрупкими. Поиски нужного материала вскоре увенчались успехом: аустенитовая сталь сохраняет свою пластичность даже при самых низких температурах. В 1934 г. в Кембридже П. Капица создает свой первый ожижитель гелия — поршневой детандер—производительностью 1,7 л жидкого гелия в час.
Завершающие работы по созданию этой установки проходили уже в новой лаборатории—лаборатории им. Людвига Монда, построенной по инициативе Лондонского Королевского общества специально для работ в области сильных магнитных полей и низких температур. Лаборатория торжественно была открыта в 1933 г., а Петр Леонидович Капица—помощник Резерфорда с 1924 г. по магнитным исследованиям, стал ее директором.
В конце лета 1934 г. П. Л. Капице было поручено возглавить строительство нового института—ведущего научно-исследовательского центра нашей страны, организуемого по постановлению Советского правительства. Строительство его началось в начале 1935 г. и завершилось в 1937 г. «Мне кажется, что эта цель достигнута, — писал Петр Леонидович, — и институт можно считать не только одним из самых передовых у нас в Союзе, но и в Европе». Институт по инициативе Капицы, хотя с этим многие и не соглашались, был назван Институтом физических проблем. <Это несколько необычное название,—объяснял Петр Леонидович,—должно отразить собой то, что институт не будет заниматься какой-либо определенной областью знания, а будет, вообще говоря, институтом, изучающим известные научные проблемы, круг которых определится тем персоналом, теми кадрами ученых, которые в нем будут работать».
Первыми направлениями в работе института стали сильные магнитные поля и низкие температуры. Основное оборудование для экспериментов было закуплено по решению Советского правительства у Лондонского Королевского общества. (Это оборудование находилось в лаборатории Монда.) Все три года, пока институт строился, Капица вел постоянную переписку с Резерфордом. Главное в письмах Резерфорда заключалось в том, что он настоятельно советовал Капице как можно быстрее создать свою лабораторию и научить своих помощников быть полезными. И когда Лондонское Королевское общество обратилось к Резерфорду с просьбой о продаже оборудования Мондской лаборатории для института П. Л. Капицы, то великий ученый, всего больше на свете ценивший хорошо оснащенные лаборатории для научных исследований, сказал: <Эти машины не могут работать без Капицы, а Капица—без них». Вскоре оборудование было доставлено в Москву. Таким образом, после трехлетнего перерыва Капица вновь приступил к работе в области сильных магнитных полей и низких температур, направляя теперь на решение этих проблем усилия возглавляемого им института. В конце 1937 г. под руководством Капицы был построен новый гелиевый ожижитель, более современный, производительностью 6—8 л в час.