Капица был одним из активных участников семинара Иоффе. В 1919 году он уже зачислен преподавателем физики и механики Политехнического института. Позже семинар начал посещать физик-теоретик Яков Ильич Френкель. Он познакомил коллег с сенсационными открытиями Резерфорда в области атомной и ядерной физики. Участники семинара узнали от Френкеля о событиях, происходящих в далеком Кембридже: Резерфорд закончил опыты по расщеплению ядер легких элементов. Несколько позже Резерфорд предсказал возможность существования в ядре незаряженных частиц — нейтронов, открытых экспериментально гораздо позже.
В 1921 году Советское правительство приняло решение направить за границу несколько петроградских ученых. В эту группу входил А.Ф. Иоффе, который предложил командировать и П.Л. Капицу.
В.И. Ленин распорядился выдать крупную сумму в иностранной валюте для закупок за границей необходимого оборудования и литературы. Однако получить эти деньги и иностранные паспорта оказалось в той обстановке делом нелегким.
Но как бы то ни было, в мае 1921 года Капица приехал в Англию и был принят в Кембридж к Резерфорду в качестве студента-исследователя. Первое время он слушал лекции и работал в лаборатории, а через несколько лет уже сам читал лекции студентам Кембриджа.
Работа Капицы в Кевендишской лаборатории, руководимой Резерфордом, проходила успешно. Он быстро завоевывал доверие и дружеское расположение со стороны своего знаменитого учителя.
В Кевендишской лаборатории многие молодые исследователи изучали альфа-частицы, открытые в начале века Резерфордом. Капица по рекомендации Резерфорда занялся измерением импульса альфа-частицы. Для успешного выполнения задачи Капице потребовалось значительно искривить путь альфа-частиц. Это можно было сделать, только пропуская частицы через очень сильное магнитное поле, более сильное, чем применявшееся самим Резерфордом при исследованиях радиоактивности.
В те годы сравнительно сильное магнитное поле — до 25 тысяч эрстед — можно было получить с помощью электромагнита. Но эта величина была наивысшей в связи с существующим пределом насыщения железного сердечника. После насыщения напряженность магнитного поля практически перестает расти, как бы ни увеличивалась сила тока, питающего электромагнит.
Может быть, необходимо увеличить размеры установки? Так думал французский физик Клод. Он построил гигантский электромагнит весом в 100 тонн, израсходовав на него несколько миллионов золотых франков. Но установка Клода оказалась всего на 25 процентов эффективнее обыкновенного лабораторного электромагнита.
С помощью соленоида — катушки без железного сердечника — можно было получать гораздо более слабые магнитные поля — до 2 тысяч эрстед. Для питания соленоида, однако, требовался гораздо более сильный ток, чем для электромагнита. Предел роста напряженности магнитного поля наступал очень быстро, когда возрастало тепловое действие тока и соленоид просто расплавлялся. Жан Перрен во Франции предложил охлаждать соленоид жидким воздухом (t° = –190°). Расчеты показали, что при таком способе для получения магнитного поля в 100 тысяч эрстед понадобилось бы расходовать 25 килограммов жидкого воздуха в секунду, или 90 тонн в час. Проблема казалось неразрешимой.
Все же Капица выбрал именно соленоид и оригинально и просто решил проблему получения нужных ему мощных полей. Он применил катушку-соленоид с малым количеством витков. Через нее пропускался сильный электрический ток, но в очень короткий промежуток времени — всего в одну сотую секунды. Идея ученого состояла в том, чтобы пропускать ток через соленоид в течение столь короткого мгновения, за которое он не успеет расплавиться, но которое было бы достаточным для выполнения опыта (измерения). Иначе говоря, Капица избрал метод мощных импульсных полей.
В качестве источника тока в первых опытах Капица применил построенный им аккумулятор малой емкости. Его можно было заряжать в течение нескольких минут, а затем замкнуть накоротко через соленоид. В момент замыкания сила тока достигала 7 тысяч ампер, а напряженность магнитного поля составляла 100 тысяч эрстед в объеме около 2 сантиметров.
Позже Капица заменил аккумулятор мощным генератором переменного тока, построенным по особому проекту фирмой «Метрополитен-Виккерс» в Манчестере. В конструировании этого уникального генератора Капица участвовал как конструктор. Над проектом работал также советский инженер, позднее академик В.П. Костенко.
Построенный по специальному проекту генератор отличался от обычных генераторов подобного рода тем, что имел массивный ротор весом в 2,5 тонны, вращающийся со скоростью 2 тысячи оборотов в секунду. При коротком замыкании количество оборотов в сотую долю секунды резко снижалось. Происходил мощный удар, стремящийся разнести генератор. Гигантские силы возникали при этом и в соленоиде. В первых опытах соленоид разрывало на куски. Наконец, Капице удалось создать надежную конструкцию соленоида. Он оставался целым, даже когда радиальные силы, стремящиеся его разорвать, достигали 150 тонн (при магнитном поле около 300 килоэрстед), а давление на медную обмотку соленоида составляло 5...6 тысяч атмосфер.
Эта установка, которая сейчас молодым физикам кажется чуть ли не доисторической, находится в просторном зале первого этажа Института физических проблем. Генератор и соленоид отнесены на 20 метров друг от друга, потому что при коротком замыкании происходят колебания фундамента — небольшое землетрясение, которое во время опыта может нарушить работу чувствительных приборов. Когда генератор находится далеко от соленоида, такой опасности нет. Опыт длится всего сотую долю секунды; волна «землетрясения» дойдет до соленоида, когда опыт уже будет окончен.
С помощью своей установки Капица получал магнитные поля напряженностью до 320 тысяч эрстед. Это на порядок (т.е. в 10 раз) больше того, что достижимо при применении электромагнита.
В те годы установка Капицы в Кевендишской лаборатории как бы переводила на новую ступень экспериментальные исследования. До нее там не было таких сложных установок. Опыты Резерфорда и его учеников проводились с помощью примитивных средств — «сургуча и веревочки». И вот на глазах у Резерфорда Капица создавал новый научно-технический фундамент физических исследований с применением сложной техники, мощного электрического тока, сверхсильных магнитных полей. Это было знамением времени. Для Кевендишской лаборатории установки Капицы были как бы переломным моментом, новой страницей в ее истории.
На известного американского математика, создателя кибернетики Норберта Винера лаборатория Капицы произвела сильное впечатление. В своих мемуарах он писал: «...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, пропускавшиеся 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 1926 году Капица приехал из Кембриджа в Ленинград и в большой физической аудитории Политехнического института сделал доклад о своих работах по созданию сверхсильных магнитных полей. Его ленинградские коллеги проявили большой интерес к этим достижениям.
Тем временем в Кевендишской лаборатории уже регулярно действовал семинар «Клуб Капицы», где физики знакомились с наиболее интересными научными проблемами и обсуждали результаты своих исследований. Ю.Б. Харитон, работавший в 1926 году у Резерфорда, впоследствии говорил: «Петр Леонидович перенес на английскую почву русские традиции. У него устраивались еженедельные сборища, которые объединяли компактную группу наиболее активных людей в лаборатории Резерфорда, и именно у него, у Капицы, этот семинар проводился. Вы видите, было не только что-то, чему мы учились за границей, но уже и в то время кое-что новое было привнесено в Кембридж Петром Леонидовичем, кое в чем за границей учились у нас».
Позже Капица перешел от сильных магнитных полей к низким температурам, и в этом была своя логика.
Имея в своем распоряжении мощные магнитные поля, Капица выполнил не только измерения импульса альфа-частиц, но и исследования поведения металлов и полупроводников в магнитном поле. В частности, он установил, что электрическое сопротивление большинства металлов растет линейно с увеличением магнитного поля. Это явление, известное как «линейный закон Капицы», было объяснено теоретически лишь в 1957 году. Низкие температуры, получаемые с помощью жидкого водорода и гелия, понадобились Капице как раз для изучения магнитных свойств металлов (позднее эта область дала ряд выдающихся открытий). Но перед тем, как приступить к решению этой новой задачи, Петр Леонидович защитил докторскую диссертацию «Прохождение альфа-частиц через материальную среду и методы получения сильных магнитных полей».
