物理群星
彼得·卡皮察 肖像

图:佚名,1930 年代(公有领域)

彼得·卡皮察

Pyotr Kapitsa

1894–1984 · 生于俄罗斯喀琅施塔得 · 俄国 → 苏联

凝聚态电磁学

在剑桥与莫斯科之间被扣留、仍发现超流的低温魔术师

诺贝尔物理学奖 1978 低温物理学领域的基础性发明与发现

「理论是好东西,但一项好的实验是永恒的。」

—— 《实验、理论与实践》文集,据英文版意译

彼得·卡皮察的一生,像一场被国界线切成两半的低温实验。前半生在剑桥,他是卢瑟福口中「那条从不回头、只往前冲的鳄鱼」身边最耀眼的年轻人;后半生被扣在莫斯科,他却在一间几乎从零重建的实验室里,做出了让全世界低温物理学家追着看的发现。

剑桥的鳄鱼与蒙德实验室

1921 年,卡皮察随苏联学术代表团来到剑桥。卢瑟福起初担心实验室已满,卡皮察反问:您实验室里通常容许百分之几的误差?一句话让卢瑟福笑了,也把他留下了。卡皮察的手艺是造机器:他用脉冲电流在极短时间内产生几十万高斯的强磁场,研究金属在强磁场中的电阻。1930 年,剑桥专门为他建了蒙德实验室,外墙刻着一条鳄鱼——那是他给卢瑟福起的绰号。卢瑟福只在前方开路,从不回头;卡皮察学到的,是盯住一个别人做不出的测量,然后亲自把它做出来。

被扣在祖国

1934 年,卡皮察回苏联探亲,随后被告知不能离境。他的实验设备、助手、乃至正在写的论文都留在剑桥。对一位实验物理学家来说,这几乎是判了缓刑。但他在莫斯科重新建实验室,卢瑟福最终同意把蒙德实验室的设备卖给他。数年后,他再次拥有了足以挑战绝对零度的机器。苏联当局的粗暴给他的人生加了一道锁,却没能锁住他的实验——1937 年,他做出了那项定义他后半生的发现。

会爬出容器的液体

把液氦冷却到 2.17 K 以下,卡皮察看到一种近乎荒诞的现象:液体粘滞几乎完全消失。它能流过只有头发丝千分之一宽的缝隙,甚至沿容器内壁向上爬,翻过边缘,自己「逃」出去。1938 年,他和剑桥的艾伦、迈斯纳几乎同时发表结果,超流由此命名。卡皮察的贡献不在概念,而在把「零粘滞」量成无可争辩的数据。稍后,朗道用「元激发」解释了这一现象——而朗道能从卢比扬卡监狱活着出来研究超流,很大程度正是因为卡皮察以自己的名誉上书斯大林,把他保了出来。

1978 年,卡皮察因低温物理学的基础性发现获诺贝尔奖。这时距离他发现超流已经四十一年。人们记得他固执、脾气大,也记得他的信条:理论可以很漂亮,但最后说话的是实验。他的液氦设备、他的强磁场、他的那句「好实验是永恒的」,都像他亲手造出的低温一样,长久地保持在那里。

代表方程

超流的零粘滞现象

η→0(T<Tλ=2.17 K)\eta \to 0 \quad (T < T_\lambda = 2.17\,\mathrm{K})

液氦降到 2.17 K 以下,粘滞突然趋向于零:它能钻过比头发丝还细得多的缝隙,甚至沿杯壁自己爬出去。卡皮察用一系列巧妙的实验把这一条写成了铁一般的事实。

伟大发现