Цикл работ по исследованию сверхсильных магнитных полей Капица окончил работами по наблюдению траекторий альфа-частиц. При использовании импульсных полей ученый получил результаты, которые не отличались от его первых исследований.
В ту пору Капицу заинтересовали исследования эффекта Зеемана, но времени на эти работы не было, и ученый возобновил их только в Москве через 10 лет.
Эрнесту Резерфорду нравились работы и оригинальный стиль Капицы. После непродолжительных споров ему удалось убедить Лондонское королевское общество выделить часть денег, завещанных известным химиком Людвигом Мондом, на строительство новой лаборатории.
И хотя официальное открытие лаборатории состоялось только в 1933 году, Капица намного ранее начал проводить в ней исследования. Что интересно, ключ от лаборатории был сделан в форме золотого крокодила, что явно намекало на Резерфорда.
Среди достижений Капицы в то время можно выделить исследование магнитострикции пара– и диамагнитных веществ в сильных магнитных полях, открытие аномально большой магнитострикции монокристаллов висмута, изучение гальваномагнитных свойств металлов в сильных полях.
После серии опытов по конструированию приборов для измерения температурных эффектов, связанных с влиянием сильных магнитных полей на свойства вещества, Капица решил исследовать область физики низких температур. Эти работы на долгое время определили научную деятельность великого ученого.
В то время наиболее низкие температуры получали с помощью жидкого гелия. В Кавендишской лаборатории уже были проведены работы по охлаждению азота. Капицу же заинтересовало ожижение водорода и гелия. Еще до открытия Мондовской лаборатории Петр Леонидович совместно с Кокрофтом сконструировал оригинальный ожижитель водорода. Новая лаборатория давала широкие возможности для углубления исследований.
Ученый начал работу над созданием установки, в которой охлаждение гелия проводилось бы не с помощью метода, базирующегося на основе известного эффекта Джоуля – Томсона, а с помощью внешней работы при адиабатическом расширении газа в специальном детандере – поршневой машине. Гениальный метод, придуманный Капицей, был намного выгоднее всех известных тогда методов, поскольку процедура не требовала предварительного охлаждения жидким водородом. В качестве смазки между поршнем и цилиндром ученый решил использовать газообразный гелий. Кроме того, Капица поскольку всевозможные проблемы, связанные с перекашиванием поршня.
Наконец, в 1934 году первая модель ожижителя была готова. Однако Капице не удалось стать первым исследователем в Англии, получившим жидкий гелий. Ученые из Оксфорда объявили раньше о первом ожижении газа.
Правда, установка Капицы имела ряд преимуществ. Во-первых, она была способна производить 2 л жидкого гелия в час, тогда как установке конкурентов для получения небольшого его количества с примесями требовалось несколько дней. Во-вторых, после того как в апреле 1934 года установка была запущена, жидкий гелий был перелит в дьюар, что позволило ученому заявить, что он первым получил жидкий гелий, который можно было увидеть.
Поистине революционная работа Капицы принесла ряд дивидендов и Кавендишской лаборатории. Она стала одним из криогенных центров мировой физики. На основе ожижителя Капицы американский ученый Коллинз построил первую промышленную установку, в результате чего жидкий гелий стал широко доступным. Кроме того, установка Капицы стала прародителем практически всех современных ожижителей и сделала революцию в области физики жидких температур.
В своей лаборатории Капица чувствовал себя как рыба в воде. Он принимал различные делегации, группы ученых, молодых и талантливых физиков. Однако долго пробыть директором лаборатории ему не удалось.
В 1928 году Академия наук СССР присвоила Петру Капице ученую степень доктора физико-математических наук. В 1929 году он был избран членом-корреспондентом АН СССР. К тому времени в течение 13 последних лет ученый непременно приезжал в СССР, где навещал мать, отдыхал на курортах и читал лекции. Во время последних поездок ученого его сопровождала вторая жена Анна Алексеевна Капица (урожденная Крылова).
На предложения официальных лиц СССР о работе в стране Капица отвечал положительно, лишь ставил несколько условий, в числе которых была свобода поездок на Запад.
Летом 1934 года Капица с женой приехал в Советский Союз, чтобы проведать мать и принять участие в научной конференции, но вернуться в Англию ему не разрешили. После многочисленных стычек с "официальной Москвой" жене ученого дали разрешение на возвращение в Англию к детям, а ученого обязали работать на Советский Союз. Различные обращения Резерфорда и других заграничных друзей Капицы к советскому правительству с просьбами разрешить ему выезд для продолжения работы в Англии были проигнорированы.
Многие знакомые боялись общаться с Капицей, поскольку не знали, что ему уготовано. Капица заявил, что не будет больше заниматься физикой, и, если ему не дадут уехать, он начнет заниматься биологией. В частности, он встречался с И. П. Павловым и просил знаменитого ученого посодействовать его карьере в области биофизики.
Несмотря на постоянное давление НКВД и ужасные бытовые условия в комнатушке коммунальной квартиры в Ленинграде, ученого не удалось сломить. В одном из писем жене в Англию ученый писал: "…Жизнь у меня сейчас пустая. С моими приборами, на моих идеях в моей лаборатории другие живут и работают, а я здесь сижу один, и для чего это нужно, я не понимаю. Мне кажется, что я схожу с ума".
Научная элита Советского Союза, в частности Семенов, Павлов, Иоффе и Вернадский, высказывались в поддержку Капицы, но после "рекомендации" сверху оставить Капицу в покое как-то стихли.
Все же полной капитуляции Капицы власти не дождались, и они решили пойти на незначительный компромисс. 31 октября ученый получил письмо В. И. Межлаука, заместителя председателя Совнаркома СССР и председателя Госплана, в котором ему предлагали к 3 ноября представить свои предложения о научной работе в СССР. В ответном письме Капица повторил свои объяснения, которые уже давал в личном разговоре с Межлауком, после того как ему отказали в выезде из СССР. В частности, ученый акцентировал внимание на том, что его лаборатория в Кембридже была оборудована дорогостоящими, единственными, точными и оригинальными приборами, изготовленными по специальному заказу, и он не видит возможности изготовить такую технику в СССР.
В то время Капицей заинтересовался Сталин. В итоге 22 декабря этого же года на Политбюро ЦК ВКП(б) решался вопрос, как поступить с ученым. На следующий день, 23 декабря 1934 года было подписано постановление правительства о строительстве в Москве Института физических проблем (ИФП). После бесед с руководителями АН СССР, а затем и Совнаркома Капица согласился работать в новом институте. В этот же день, 23 декабря 1934 года, Капица был немедленно переведен в престижный "Метрополь", где ему был предоставлен шикарный номер люкс. 1 января 1935 года Капица был назначен директором ИФП. О своем назначении ученый узнал из газет.
Для продолжения его работы было закуплено оборудование из Мондовской лаборатории, директором которой он был в Англии. Резерфорд понял, что талантливого сотрудника ему уже не вернут, и всячески старался облегчить жизнь Капицы в Союзе. Он использовал все свое влияние на Сенат Кембриджского университета, в результате чего англичане, хоть и неохотно, согласились продать важные установки. Сам процесс переговоров, доставки, монтажа приборов в ИФП занял несколько лет.
Жизнь Капицы изменилась коренным образом. Власти верили в гений ученого и всячески удовлетворяли его пожелания. К концу 1935 года ИФП был оснащен новейшим оборудованием, при этом Капица имел право самостоятельно формировать институтский штат и распоряжаться финансовыми средствами. Ученый получил многокомнатную квартиру в центре Москвы, дачу в Крыму и персональный автомобиль.
В конце 1936 года из Великобритании возвратилась жена ученого с детьми. В 1937 году Петр Капица основал знаменитый "физический семинар П. Л. Капицы", который в дальнейшем стали звать "Капичником". На "Капичники" приезжали физики со всего Союза.
В своем институте Капица продолжил активные научные исследования в области физики низких температур. Он разработал новый метод ожижения воздуха с помощью цикла низкого давления и высокоэффективного турбодетандера с к. п. д. 80–85 %. Метод Капицы стал определяющим во всемирном развитии современных крупных установок разделения воздуха для получения кислорода, азота и инертных газов. С помощью сконструированного Капицей турбодетандера можно было ежегодно добывать более 50 млрд кубических метров кислорода.
В результате исследований свойств жидкого гелия Петру Леонидовичу удалось открыть необычайное уменьшение вязкости жидкого гелия при охлаждении его до температуры ниже 2,19К, при которой он переходит в форму, называемую гелием-2. Знаменитый ученый показал, что при температуре ниже 2,19К жидкий гелий может вытекать через любые тонкие щели и даже взбираться по стенкам контейнера, как бы "не ощущая" действия силы тяжести. Открытое явление Капица назвал сверхтекучестью.
Гениальный ученый сделал вывод о существовании в гелии двух жидкостей с совершенно различными свойствами, которые могли двигаться навстречу друг другу. Его исследования положили начало развитию новой области физики – квантовой физики конденсированного состояния.
Кроме Капицы аналогичные исследования проводили его бывшие сотрудники Кавендишской лаборатории Дж. Ф. Аллен и А. Д. Мизенер.
Результаты работ ученых были опубликованы в одном и том же выпуске британского журнала "Природа".
В 1940 году Капица установил, что при передаче тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе раздела возникал скачок температуры, значение которого увеличивалось с понижением температуры. Этот факт получил название "скачок Капицы".
13 марта 1941 года Капице была присуждена Сталинская премия 1-й степени за работу "Турбодетандер для получения низких температур и его применение для ожижения воздуха". Ученый пользовался уважением и авторитетом даже среди недоброжелателей.
В то время активизировались сталинские чистки, и многие ученые были арестованы. Капица не побоялся вызвать на себя гнев властей и открыто выступил в защиту физика-теоретика Владимира Фока и своего близкого друга, заведующего теоретическим отделением ИФП Льва Ландау. В последнем случае Капица побывал в Кремле и обещал подать в отставку с поста директора ИФП, если не отпустят Ландау.
Во время Второй мировой войны ученый был членом научно-технического совета при Государственном комитете обороны и начальником главного управления кислородной промышленности при Совнаркоме СССР. 22 марта 1943 года ему была присуждена Сталинская премия 1-й степени за открытие и исследования явления сверхтекучести жидкого гелия, а 30 апреля 1945 года – присвоено звание Героя Социалистического Труда "за успешную научную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбокислородной установки для производства жидкого кислорода".
Еще в начале войны Капица предупредил руководство страны о возможном создании одной из воюющих сторон атомной бомбы. После того как американские ученые сконструировали атомную бомбу и сбросили ее на Хиросиму, советские власти начали активные действия по разработке атомного оружия в СССР.
20 августа 1945 года был образован специальный комитет для руководства "всеми работами по использованию внутриатомной энергии урана", председателем которого стал Л. П. Берия; из ученых-физиков в комитет были включены только И. В. Курчатов и П. Л. Капица.
Почти с первых же дней работы начались столкновения Капицы с Берией. Ученый дважды обращался к Сталину, указывая, что некомпетентные действия Берии только мешают научным работам, но на сей раз Сталин не принял доводов Капицы. 21 декабря 1945 года Капица был выведен из состава комитета. В августе 1946 года его сняли со всех должностей и отправили под домашний арест.
Под домашним арестом Капица находился в течение восьми лет. Он жил на своей даче под Москвой, на Николиной Горе, где самостоятельно сделал домашнюю лабораторию, которую шутя называл "избой физических проблем", с намеком на ИФП. Даже в таких условиях ученый провел важные исследования в областях механики и гидродинамики, а позже электроники больших мощностей и физики плазмы. Капица разработал новый тип СВЧ-генераторов – планотрон и ниготрон (названный так в честь Николиной Горы) мощностью 300 кВт (в непрерывном режиме) и осуществил открытие плазменного шнура в плотных газах при высокочастотном разряде.
Проигнорировав юбилейные празднования 70-летия Сталина, Капица попал в еще большую опалу. Через некоторое время его изгнали с профессорской должности и освободили от работы в МГУ "за отсутствием педагогической нагрузки".
К нормальной жизни Капица вернулся только после смерти Сталина и ареста Берии. 28 января 1955 года после встречи с Хрущевым он был восстановлен на посту директора Института физических проблем. Эту должность ученый занимал до конца жизни. С 3 июня этого же года ученый стал главным редактором "Журнала экспериментальной и теоретической физики".
В послеопальные годы Капица продолжал работы по электронике больших мощностей и физике плазмы, начатые на Николиной Горе. Исследования Капицы легли в основу проекта термоядерного реактора с непрерывным подогревом плазмы.
Под руководством ученого ИФП стал одним из наиболее престижных институтов АН СССР.
В 1965 году ученому после 31-летнего перерыва было дано разрешение на временный выезд из Советского Союза в Данию для получения Международной золотой медали Нильса Бора, присуждаемой Датским обществом инженеров-строителей, электриков и механиков.
В мае следующего года Капица посетил Англию, побывал в своей лаборатории, прочитал в Лондоне лекцию "Мои воспоминания о Резерфорде". В Кембридже он всегда считался своим человеком. Там же Петр Леонидович получил медаль Резерфорда Физического общества Англии.
В 1978 году "за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур" Капица был удостоен Нобелевской премии по физике.
Награду он разделил с Арно Алланом Пензиасом и Робертом Вудро Вильсоном, причем Капица получил половину премии, а Пензиас и Вильсон по ее четверти.
В своей презентационной речи Ламек Хультен, профессор Шведской королевской академии наук, представил достижения всех лауреатов и отдельно заметил, что Капица является одним из величайших экспериментаторов нашего времени, неоспоримым пионером, лидером и мастером.
Еще за 10 лет до трагедии на Чернобыльской АЭС Капица предупреждал об опасности. Его статью о возможных проблемах журнал "Наука и жизнь" отверг с формулировкой "нечего пугать людей", подобные заявления сделали и другие известные научные журналы. Все материалы, которые Капица получил об аварии на американской АЭС "Брауне-Ферри", он передал президенту АН СССР и директору Института атомной энергии А. П. Александрову, но никаких выводов Александров из этого не сделал.
Несмотря на нажим со стороны властей, Капица так никогда и не вступил в коммунистическую партию СССР. Он не боялся открыто критиковать неудачные действия и решения партийных лидеров. Например, ученый выступил против строительства целлюлозно-бумажного комбината, который мог загрязнить своими сточными водами озеро Байкал, открыто осуждал предпринятую КПСС в середине 1960-х годов попытку реабилитировать Сталина.
Знаменитый ученый был активным членом Советского национального комитета Пагуошского движения ученых за мир и разоружение и активно участвовал в этом движении.
Вместе с другими представителями интеллигенции Капица подписался под письмом с протестом против принудительного заключения в психиатрическую больницу знаменитого биолога Жореса Медведева. Несмотря на давление президента АН СССР М. В. Келдыша, гениальный ученый отказался подписать письмо, клеймящее позором Андрея Сахарова. 29 августа 1973 года это письмо, подписанное 40 академиками, напечатала "Правда". Капица же написал свое письмо Брежневу, в котором просил: "Спасите Сахарова. Он великий ученый нашей страны". В 1981 году Капица также поддержал диссидента Вадима Делоне.
Еще во время своего пребывания в Великобритании ученый женился во второй раз. В 1927 году его избранницей стала Анна Алексеевна Крылова, дочь знаменитого кораблестроителя, механика и математика Алексея Николаевича Крылова.
У супругов родились двое сыновей. Старший сын Сергей родился 14 февраля 1928 года. Он стал известным физиком, открывшим закон линейного, по величине магнитного поля, возрастания электросопротивления металлов (закон Капицы) и одним из основателей Международной серии монографий по физике. Младший сын Андрей, родившийся 9 июля 1931 года, стал известным ученым-географом, публицистом, телеведущим. Из-под его пера вышли знаменитые работы по динамике и морфологии ледникового покрова Восточной Антарктиды.
В Англии ученый любил водить мотоцикл и увлекся курением трубки. Свои английские привычки он сохранил на всю жизнь. Рядом с ИФП в Москве для него построили коттедж в английском стиле. Твидовую одежду и отличный табак Капица выписывал прямо из Англии. На досуге Капица очень любил играть в шахматы и чинить старинные часы.
Несмотря на тяжелую жизнь, ученый обладал веселым нравом и любил пошутить. Он любил поговаривать: "Руководить – это значит не мешать хорошим людям работать".
Однажды гениальный ученый задал гореизвестному громителю советской генетики академику Лысенко коварный вопрос: "Если вы утверждаете, что гена наследственности не существует и все зависит от внешнего воздействия, которое и закрепляется как наследственный признак, то почему тогда, несмотря на тысячелетние воздействия, женщины рождаются девственницами, а евреи необрезанными?"
Из-под пера ученого вышли замечательные научные статьи и книги, которые стали своего рода бестселлерами в научном мире и были переведены на многие иностранные языки.
Кроме Нобелевской премии гениальный ученый был удостоен многих престижных наград и премий как в СССР, так и во всем мире. Среди его наград можно выделить медали М. Фарадея (1942), Б. Франклина (1944), М. В. Ломоносова (1959), Н. Бора (1964), Э. Резерфорда (1966).
В 1939 году ученый был избран действительным членом Академии наук СССР. В 1941 и 1943 годах Капица стал лауреатом Сталинских премий по физике. Кроме того, гениальный ученый был кавалером множества советских и иностранных орденов, в том числе шести орденов Ленина.
Капица состоял членом около 30 различных зарубежных академий наук и научных обществ России, Великобритании, Швеции, Индии, Польши, Германии, Америки, Нидерландов и др.
Он был одной из самых гениальнейших личностей в истории физики.
Петр Леонидович Капица скончался в 1984 году, не дожив всего трех месяцев до девяностолетия, и был похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.