作为苏联物理学界导师的实验物理学家，曾经盛名远扬的卡皮察（P. Kapitza，1894 ~ ）荣获了1978年度诺贝尔物理学奖，这位八十四岁的老学者是由于他四十多年前的业绩而受奖的，所以，除了说为时过迟而外无法进行评价了。如果说，形成其业绩中心的超流性的发现乃是与奥内斯（Kammerlingh Onnes）超导的发现（1911年）相媲美，并使量子论物性物理进一步完善的一颗沧海遗珠的话，那么，这种感触就更深了。

同样曾是苏联物理学界导师的理论物理学家兰道（Landau）曾获得1962年度诺贝尔物理学奖。虽然他是活跃在物理学所有领域的巨头，但直接受奖的学科则是液体、固体的理论研究，其核心即是超流动性的理论解明，因此当时即使连卡皮察在内也大概不会觉得不恰当的，但是那时兰道由于车祸而倒卧病榻，生命垂危，授奖也许是匆匆忙忙进行的。不管怎样，兰道 - 卡皮察是象征着苏联物理学的一个黄金时代的名字。然而，第二次世界大战后的国际紧张局势妨碍了西方国家对他们的正确评价，这也是无可否认的事实，责任的另一方面在于苏联的封锁政策。

不过，现在这些也已是旧话了，兰道姑且不论，卡皮察的名字甚至对于物理学家（低温物理学家和老一辈物理学家除外）来说也正在逐渐变得生疏起来。可是另一方面，超流性的研究却更加活跃起来。因此，回顾一下作为超流性研究的创始人的卡皮察的业绩也将是有意义的。加之，对于卡皮察来说，似乎不可能在当前刻板的教育系统中培育出来，总好像有那么一股强大的魅力似的，但它是教育系统所产生的呢？还是上升时期社会力量的产物呢？我们还很难说。

卡皮察毕业于列宁格勒工业大学后，二十五岁就成为该校的讲师，不久便去英国留学，在当时作为原子物理的圣地剑桥深造，受业于卢瑟福门下。关于这次留学，还有下面这样一段小插曲呢（据Collected Papers of P，L. Kapitza，Pergamon Press 1965，以下有关科学史的资料均取自该书）。据说，研究室一经满员，卢瑟福就截止了接纳，但卡皮察对卢瑟福问道：“老师您的实验误差通常有百分之几？”当得到大约是百分之十的回答时，他就提出意见说，那么，接纳我的余地也应该是有的。结果，卡皮察就得以顺利地在剑桥留学。

卢瑟福给予这位来自俄国的青年科学家的横溢的才华以很高的评价，卡皮察取得了哲学博士学位，成为特里尼迪学会的会员，并担任了卢瑟福为他新设的蒙特（Mond）研究所所长。卡皮察又被推举为皇家学会会员，在英国物理学界占有了牢固的地位。可是1934年卡皮察突然离开剑桥而回到莫斯科，此事的详细情况不清楚，但据说是在暂时的回家乡探亲过程中，被说服而留在祖国。苏联政府为卡皮察新设了研究所，这就是著名的物理学问题研究所。正如这一名称所示的那样，研究所的研究方针和人员组成都取决于卡皮察，卡皮察留在剑桥的实验装置由苏联政府买了回来，卢瑟福乐意地答应了这笔交易，为了自己的得意门生而将刚刚设置的新装置送给了莫斯科。1937年，卡皮察以研究所理论部长的身份迎接兰道，从此，开始了物理学问题研究所的黄金时代。

当时的苏联不是如今的超级大国，而是处于肃反运动的疾风骤雨之中，并已事先意识到一场对德战争的时代，抛弃了在英国的卓越的名誉地位而回到祖国，对卡皮察来说，可以想象是相当了不起的决断。而且实际上，1038年兰道因间谍嫌疑而被关了一年监狱。为了兰道的释放，卡皮察不得不冒着自身的危险同克里姆林当局进行交涉。

把话题回到剑桥时代吧，起初，当然不用说是在卢瑟福手下做原子核实验，但在研究强磁场中的α粒子径迹时，卡皮察把注意力转移到了强磁场的产生（以10^-3秒级的脉冲形式产生10⁵高斯级的磁场），而后进一步转移便开始了强磁场中的物性测定（特别是金属的磁阻测定），强磁场、极低温、高压等极端条件下的物性用现代术语来说就是极限物性，当时（1930年）似乎就已经明确地意识到了极限物性研究的意义。事实上，金属的磁阻测定要在使强磁场和极低温配合起来的条件下才能进行，这一点就成为卡皮察把注意力转到极低温，首先是极低温的产生方法上去的动机，首先，卡皮察提出了两个系统的具有循环回路的氢液化机的方案，并在蒙特研究所开始制造，接着，1934年又制造了有名的卡皮察氦液化机。

卡皮察在他的论文的开头，真实地明快地阐述了新的液化机所具有的目的和意义。从奥内斯以来，氨液化机一直是利用焦耳 - 汤姆逊效应的装置，但由于氦接近于理想气体，这种效应不显著，因而必须用液氮及液氢进行预冷。系统复杂而效率又低，液化机成了少数人的专有物，鉴于极低温下的物性研究的重要性，有必要使液化机成为易于制造使用的装置。因此，考虑依靠绝热膨胀实现气体冷却。

作为膨胀的具体方法，卡皮察研究分析了涡轮机和活塞机两种方式，避开极低温状态下的润滑这一难题是前者所具有的优点，但通过试算显见，如果不是大量生产的话则是不实际的（但是，后来1939年这种方式作为液氧的大量生产方法由卡皮察完成实用化，现在这种方式也用于液氦的大量生产），为了满足小规模的物性研究的需要，只有采用活塞式。

在这种场合发生的润滑问题，卡皮察根据在活塞与汽缸之间留下微小间隙，并在活塞上刻上沟槽这样一种简单的（技术未必简单）设想而轻易地解决了。在活塞高速运动的膨胀冲程中间，流进间隙的氦气会出现涡流，从而起到润滑剂的作用。

由于用这种活塞机的绝热膨胀代替了液氢预冷，制成了每小时生成2升液氦（每小时消耗3升液氮）的在当时要算是最高效率的小型液化机，以此为武器，卡皮察转向液氦本身所显示出的超流动性像的研究。

读过卡皮察有关该液化机的论文，首先感到的是其预见的准确和深远，再就是他处理技术课题的巧妙的能力。卡皮察之所以有这种能力，是因为他善于应用有关非线性力学和涡流的知识。

就是卡皮察所希望的氦液化机的“大众化”，假设他如果依然留在英国的话，也一定会在他的指导下借英国低温产业之手实现了。实际上，第二次世界大战后的1947年，柯林斯（Collins）将卡皮察液化机改进为双汽缸机，并且省去了由液氮进行的预冷，于是美国的A. D. Little公司将液化机作为商品生产了。只要预算许可的话，谁都能够利用液氦的时代已经到来了，同情这种思想的“大众”，只把A. D. L. 制造的液化机叫做柯林斯液化机，而不再想到作为这一机器的创始人卡皮察的名字及其远见卓识，也许是无可非难的。但是，只限于用金钱买取他人的技术进行研究，就不会有真芷新的实验，因而也就没有新的物理的研究，这一点也是很明确的吧！

把话题回到超流性方面来吧！氦，正确地说应该是⁴He（在1个大气压下的沸点为4.2 K），奥内斯曾成功地液化了⁴He，因而发现液态⁴He在饱和蒸汽下2.17 K时会突然停止沸腾并转移到新的状态，这就是后来称作λ转移的相转移。转移温度（λ点）的高温一侧的液相叫做HeⅠ，低温一侧的液相叫做HeⅡ，这两个相在He原子的空间分布方面几乎没有什么不同，本质的差异就在于动量分布，也就是HeⅡ能够无摩擦地流过细狭的微缝或毛细管，发现这种超流性的正是卡皮察。

起初1936年，奥内斯的后继者基索姆（Kcesom）发现HeⅡ的热传导度是HeⅠ的数百万倍（在λ点以下停止沸腾即是其原因），并称之为超热传导度。卡皮察对这一报告的设想是，认为并不是通常意义上的热传导度特别大，或许是由于HeⅡ的粘性小因而产生异常大的对流。当时HeⅡ的粘性已由加拿大的极低温研究组进行测定，并报告说略小于HeⅠ的粘性。卡皮察对于这一粘性测定也抱有怀疑，他认为，如果粘性小的话，雷诺数就容易超出临界值，粘性测定无疑是在涡流状态下进行的，因而测定值就会大于实际的粘性值。加拿大的研究组是使圆筒在HeⅡ中扭转振动，而卡皮察为了尽可能地易于实现层流条件，在两块光学平准的玻璃圆板的微缝中，测定流过做缝的HeⅡ的压力梯度从而求出粘性。

这实在是幸运的，正如后来兰道在理论上所明确的那样，HeⅡ像粘性为零的超流体部分与粘性有限的正常流体部分的混合物那样地运动（二流体性），在圆筒扭转振动时，被拖曳而运动的是正常流体部分，以此测定的粘性当然与HeⅠ没有什么不同了。但事实上，流过细狭微缝或毛细管的主要是超流体部分，因而卡皮察得到了10^-9级（厘米、克、秒制）的粘性值，使用这一粘性值推定的雷诺数是很大的，因而不能否定在微缝中也会发生涡流的可能性，所以10^-9的值只不过是粘性值的上限，完全可以认为He是处于与金属的超导态相对应的“超流”态。这是1938年Nature杂志上发表的论文中所作出的结论，这也就是之所以把超流性的发现归功于卡皮察的根据。不过，对于卡皮察来说，超流性是他预料中的结果，他只是想用实验证明他原来的设想——由于超流性因而发生异常大的对流，所以他并没有在此基础上通过流体力学实验继续追究。这一点从以后的结果来看也是幸运的选择，这是因为在流体力学实验的场合，流速容易超出临界速度（容器尺寸越大就越小），从而出现所谓的“量子化涡流线”，产生逸散过程。而另一方面，在热流实验的场合，只要热流足够小，流速就在临界速度以下，能够产生在热力学意义上的可逆的超流态。

1941年，《苏联物理学报》发表了两篇有关热流的论文。第一篇是卡皮察在科学院的讲演，文中通俗易懂地说明了如何将HeⅡ注入用微缝或毛细管联结的两个容器来测定温度差和热流的详细情况。正如他预料的那样，由巧妙的实验表明存在着通过毛细管由高温侧向低温侧流动的射流。在这种场合，高温侧容器的液体量是不变的，所以照理应该有补偿射流的逆流存在，可是未能检测出来，然而，如果假定逆流的热容量极小的话，就能够说明所观测到的异常大的热流。文中推测逆流是沿着毛细管管壁成薄膜状发生的（第二篇中订正了这一推测的错误）。

再者，在第一篇中还报道了著名的卡皮察界面热阻的发现。在很大的HeⅡ的容器中，悬挂一具细长的加热器，测定温度分布，这样就可以知道温度差（因而也就是热阻）仅仅存在于加热器表面附近极薄的一层（厚度为0.1μm级）。现在，在研究超低温（10^-3 k以下）方面最重要的问题就是这一卡皮察热阻的存在。

在第二篇论文中，解决了第一篇中残留的逆流问题，明确了超流的热力学的本质，即超流现象不发生熵的可逆流动。对于这一明快的物理假说的确立，兰道的超流理论乃是不可缺少的（1944年在科学院所作的讲演中，卡皮察指出，明确逆流本质的乃是兰道理论）。虽然到处都强调实验家与理论家合作的重要性，但是，像卡皮察 - 兰道那样协力合作的理想的例子也许不是怎么多的。

正如前述，HeⅡ表现出具有二流体性，超流成分与正常流动成分不过是HeⅡ所可能的两种量子力学的运动，不同于通常混合液中不同成分液体的运动，超流就是量子力学特有的零点运动作为宏观的流体运动出现的运动，根据热力学第三定理，超流不产生熵，另一方面，正常流动是非受激气体的流体运动，具有熵及粘性，卡皮察所观测到的射流就是正常流，补偿射流的逆流则是超流，两者虽然发生在同一空间，但根据定理，理想流体对流体中的物体没有作用力，所以，用流体力学的方法当然是不能测出超流性的。

在第二篇论文中，卡皮察根据实验确认，流过细缝的超流在热力学意义上是可逆的，因而不产生熵。他最终作出结论说，兰道理论给出的假说是基本正确的，所以，他自己当初的假说——超热传导实际上是伴随着流动而发生的对流——也是正确的，卡皮察本身的超流研究就至此结束。

卡皮察以后，超流的研究进一步向前发展，现在液体³He的超流态的研究为超流研究的中心，预料将微溶于⁴He的³He的超流将成为研究的课题。在余下的篇幅中，简单地叙述一下卡皮察的直接的后继者在物理学问题研究中所取得的成果。

正如前述，因为正常流动与HeⅡ的扭转振动有关系，所以能够通过测定其周期来求得正常流动的惯性质量。这是有关超流的最基本的实验之一，由Andronikashvili首次实现了，而且，由于二流体性，HeⅡ中的温度起伏是作为波动（第二声波）传播的。Peshkov给出了其实验证明。

兰道的超流理论有着一个重大的缺陷，即理论给出的临界速度比实验值大100倍到1000倍，这是因为认为决定临界速度的是非受激生成，但实际上，正如后来美国的费曼（Feynmen）所指出的那样，决定临界速度的是量子化涡流线的产生，关于这一点，兰道自己存在着判断错误。量子化涡流线的概念，是兰道的学生Abrikosov发现的/实际上是对于超导的场合而定的，由此成功地说明了物理学问题研究所的实验家所观测到的超导合金（第二种超导体）的磁性。Abrikosov理论尽管是兰道自己与Ginzburg一起建立的超导现象理论的应用，但据说直到费曼理论出现，兰道一直没有对这一理论的意义作出评价。

四十年代末期，同位素³He已经合成，并成为低温物理的研究对象。⁴He原子是零自旋的玻色子，相反地，³He原子则是核自旋为1/2的费米子。1950年、兰道的学生Pomenanchuk断言，将液体³He绝热压缩并使之固体化，能够实现10^-6K的超低温，这是因为液体³He的熵，根据费米统计，并不是在1 K以下就急速变小，相反，由于原子在局部存在的团体中，其核自旋是不规则的，所以熵直到超低温还残留着。但是实际的压缩必然会伴随着产生摩擦热，所以要实现并不像理论家头脑中所想象的那么简单。1965年，物理学研究所的年轻的实验家Anufriev表示Pomeranchuk冷却法是有可能实现的，于是，对这个问题的注意力迅速提高。1972年，美国的Lee，Osheroff和Richardson依靠Pomeranchuk冷却法实现了2×10^-3 K左右的极低温，并发现在那个温度上³He自己向超流态转移。

1957年，著名的BCS理论作为超导的微观理论建立起来以后不久，包括兰道的学生在内的好多理论家就预言，与金属内电子流体同样是费米流体的液体³He在低温下也将向超流态转移。但是，尽管此后低温研究不断前进发展，这一转移并不容易观测到。有一时期，Pechkov发现激体³He的比热异常，从而引起了轰动，但是，被美国Wheatley的追究试验所否定，Wheatley成功地实现了Pomeranchuk冷却，却也错过了超流转移，最终发现这一转移的倒是在低温研究方面全系新手的Lee研究小组。

这一发现成为强烈的刺激，因而各国都在进行Submilli Kelvin（0.001 K以下）的超低温研究，奥内斯、卡皮察的开拓者的精神如今已在发扬光大。

[自然（日），1979年1月号]