Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

В мае 1921 года Капица приезжает в Англию и вскоре приступает к практическим занятиям в Кавендишской лаборатории в Кембридже.

В то время эта лаборатория, возглавляемая «отцом» ядерной физики Эрнестом Резерфордом, считалась одним из мировых научных центров. Ученые из многих стран стремились сюда попасть для приобретения опыта в казавшейся тогда фантастической области ядерной физики.

Каким образом Капица оказался в этом «храме науки»?

Вот что писал Петр Леонидович в июле 1922 года, вскоре после поступления в Кавендишскую лабораторию, своей матери Ольге Иеронимовне:

«Представь себе молодого человека, приезжающего во всемирно известную лабораторию, находящуюся при университете, самом аристократическом, консервативном в Англии, где обучаются королевские дети. И вот в этот университет принимается этот молодой человек, никому не известный, плохо говорящий по — английски и имеющий советский паспорт. Почему его приняли? Я до сих пор этого не знаю. Я как‑то спросил об этом Резерфорда. Он расхохотался и сказал: «Я сам был удивлен, когда согласился вас принять, но, во всяком случае, я очень рад, что сделал это…»

Знаменитый ученый не ошибся в своем выборе.

Каждый поступающий в Кавендишскую лабораторию должен был пройти физический практикум, рассчитанный на два года. Капица, ко всеобщему удивлению, сдал зачеты за две недели.

Резерфорд довольно скоро оценил достоинства своего русского ученика и стал поручать ему ответственные задания.

Разумеется, главным направлением работы лаборатории были атомные исследования.

Уже немало было известно о «невидимках» — обитателях этого удивительного микромира.

Но существует ли невидимка на самом деле? До поры до времени скептики говорили: «Да, все ваши расчеты правильны. Но мы привыкли доверять лишь собственным глазам. И мы поверим только после того, как вы покажете нам самого невидимку».

Напомним, что герой научно — фантастического романа Г. Уэллса «Человек — невидимка» был обнаружен по следам, которые он оставлял на влажной почве.

Мы не знаем, как все обстояло в действительности, но вполне возможно, что молодой английский физик Г. Вильсон, прочитав упомянутый роман, воскликнул: — И наш невидимка может оставлять «мокрые следы»!

В 1912 году Г. Вильсон сконструировал свою знаменитую камеру, которую его восторженные современники назвали «окном в атомный мир». Принцип действия камеры Вильсона заключается вкратце в следующем.

Заряженная частица (например, электрон), попадая в герметичную камеру, заполненную газом (гелием, азотом или аргоном) и насыщенным паром воды или этилового спирта, сталкиваясь с молекулами газа, ионизирует их, образуя таким образом вдоль своего пути цепочку ионов.

Если в этот момент резко понизить температуру внутри камеры путем расширения газа (для чего одна из стенок камеры делается подвижной), то пар становится перенасыщенным и происходит конденсация пара на ионах как центрах конденсации. При этом вокруг ионов образуются капельки тумана видимых размеров, которые можно наблюдать и фотографировать, обнаруживая тем самым следы частиц.

Но одно дело регистрировать путь движения микрочастиц, другое дело уметь управлять ими. И Капица приступает к решению следующей по своей сложности задачи. Ему предстояло измерить импульс альфа — частиц, выделяющихся при радиоактивном распаде. Для этого надо было значительно искривить траекторию альфа — частицы, поместив камеру Вильсона в сильное магнитное поле. Но техника тех дней не знала способов создания магнитных полей, достаточно мощных для такой цели.

Тогда исследователи получали сильные магнитные поля с помощью электромагнита, состоящего из катушки с проводом и железного сердечника.

Пределом было поле 5 тесла. Превысить эту величину не удавалось.

Пытались увеличить размеры установки.

Парижский физик Коттон построил гигантский электромагнит весом 100 тонн, израсходовав при этом несколько миллионов золотых франков.

Эффект был мизерный.

Напряженность поля удалось повысить лишь на 25 % по сравнению с обычным лабораторным магнитом.

Капица избрал другой путь. Он использовал соленоид — катушку без сердечника. В соленоиде нет предела, обусловленного магнитным насыщением железа. Беда заключается в том, что для соленоида требуется гораздо более сильный ток, чем для электромагнита, и тут вступает в действие тепловой эффект тока. Предел роста напряженности магнитного поля наступает быстро. При дальнейшем увеличении силы тока соленоид расплавляется.

Известно, что тепловое действие тока зависит от времени. И Капица использует фактор времени.

Он пропускает через соленоид очень сильный электрический ток почти мгновенно, импульсно — в течение сотой доли секунды. За столь короткий промежуток времени катушка не успевает расплавиться, но его достаточно для проведения измерений.

Так в экспериментальную технику вошел метод мощных импульсных полей.

О результате эксперимента Капица рассказал в письме к матери от 29 ноября 1922 года:

«…Вот лежит фотография — на ней только три искривленных линии — полет альфа — частицы в магнитном поле страшной силы… Странно: всего три искривленные линии! Крокодил очень доволен этими тремя искривленными линиями. Правда, это только начало работы, но уже из этого первого снимка можно вывести целый ряд заключений, о которых прежде или совсем не подозревали, или же догадывались по косвенным фактам… Ко мне в комнату — в лабораторию — приходило много народу смотреть три искривленные линии, люди восхищались ими…»

В этом письме Крокодилом Капица называет Резерфорда.

Дело в том, что Резерфорд обладал громким голосом и не умел им управлять. Рокотание могучего баса шефа, встретившего кого‑либо в коридоре, предупреждало сотрудников лаборатории о его приближении.

Это дало Капице основание прозвать Резерфорда «Крокодилом», очевидно, по аналогии с героем популярной английской детской книжки — Крокодилом, проглотившим будильник. Тикание этого будильника предупреждало детей о приближении страшного зверя.

Примечательно, что Резерфорд знал об этом прозвище и не обижался. Большой ученый понимал чувство юмора.

Сначала Капица в качестве источника тока использовал аккумулятор малой емкости.

Затем этот аккумулятор был заменен построенным по специальному проекту синхронным генератором.

В конструировании этой уникальной машины, содержащей массивный ротор весом в две с половиной тонны, вращающийся со скоростью полторы тысячи оборотов в минуту, принимал участие сам Капица. С помощью такой установки он получал импульсные поля величиной свыше 30 тесла, превысив в шесть раз предел, достигнутый техникой того времени. Впоследствии, продолжая опыты в Москве, он добился еще более высокого поля — 50 тесла.

Появление установок Капицы явилось переломным моментом в истории Кавендишской лаборатории. В период основания этот старинный научный центр расценивался современниками как некое «чудо техники». Но проходили годы, и в практике проведения физических исследований здесь существенных усовершенствований не наблюдалось. Они осуществлялись с помощью достаточно простых средств.

Капица создавал новый научно — технический фундамент физических исследований с применением достижений техники, сильного электрического тока, мощных магнитных полей.

О том, какое впечатление произвела лаборатория Капицы на «отца» кибернетики, известного американского математика Норберта Винера, свидетельствуют следующие строки из его воспоминаний: «…В Кембридже была все же одна дорогостоящая лаборатория, оборудованная по последнему слову техники. Я имею в виду лабораторию русского физика Капицы, создавшего специальные мощные генераторы, которые замыкались накоротко, создавая токи огромной силы, пропускающиеся по массивным проводам; провода шипели и трещали, как рассерженные змеи, а в окружающем пространстве возникало магнитное поле колоссальной силы… Капица был пионером в создании лабораторий — заводов с мощным оборудованием…»

В 1924 году П. Л. Капица вступил в должность помощника директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям. Овладев техникой возбуждения мощных магнитных полей, он приступает к решению еще одной задачи: изучению поведения металлов и полупроводников в магнитном поле.

Такого рода исследования обычно проводятся при низких температурах, и Капице понадобились жидкие водород и гелий.

Читатель помнит, сколько усилий пришлось затратить Камерлинг — Оннесу и его сотрудникам для того, чтобы получить лишь несколько десятков кубических сантиметров жидкого гелия. В то время техника сжижения газов недалеко шагнула вперед.