一、早年生涯
1894年7月9日，彼得•利奥尼多维奇•卡皮查（Piotr Leonidovich Kapitza)出生在俄国圣彼得堡附近科特林岛上的喀琅施塔得。卡皮查继承了波兰贵族的血统，也继承了俄国知识分子的优秀素质。他的父亲利奥尼德•彼德罗维奇（Leonid Petrovich)是一位才华出众的军事工程师，曾为发展俄罗斯的武装力量作出过重要贡献。他的外祖父伊罗尼姆•伊万诺维奇•斯特布尼兹斯基(Ieronim Ivanovich Stebnitsky)是位杰出的数学家、天文学家和享有国际声誉的地理学家，帝国科学院的通信院士。卡皮查的母亲奥尔加•伊罗尼莫芙娜是一位儿童文学和民间文学方面的专家，在俄罗斯文化史上也占有一席之地。但在对卡皮查的培养中，学习数学和科学的姨母亚历山德拉(Alexandra)所起的作用似乎大一些。正是她首先发现卡皮查很快就掌握了几何学的知识。从中学时代起，卡皮查就养成了一种爱好，喜欢修理钟表，将它们拆开，再自己组装上。这种工艺方面的技能在他以后的科学生涯发挥了很大的作用。在其它方面，特别是语言方面，卡皮查却并不出众，甚至有些迟钝，他曾进入喀琅施塔得一所注重人文学科教育的文科中学学习，但一年之后就不得不离开那里，转入另一所理科中学。具有讽刺意味的是，在70年后，当他第二次获得苏联社会主义劳动英雄的称号时，他的半身塑像在喀琅施塔得市公共广场落成，却正好面对着当年他被赶出来的那所文科中学。
由于理科中学并不开设拉丁语和希腊语的课程，卡皮查中学毕业无法进入当时最有名望的圣彼得堡大学，因此，1912年他只好选择了圣彼得堡工学院。两年后，第一次世界战爆发，学业暂时被打断，他应征入伍，成了波兰前线一支医疗队的司机。1916年退役后，才又回到学校继续学习。他在圣彼得堡工学院很幸运地遇到了苏联著名物理学家约飞(A. F. Joffe)。当时，约飞是彼得格勒（甚至俄国）物理学界的带头人物，正致力于发展有别于俄国传统的现代物理学派，他将卡皮查吸收到自己领导的物理实验室中。
1916年，卡皮查一篇题为“渥拉斯顿纤维的制备”的论文发表在《俄国物理和化学学会会刊》（物理卷）上。一反传统，他采用电解的方法，对制备工艺进行了改进。这项工作首次展示了卡皮查在工艺方面的出众才华。除此之外，他还采用了一种异常简单的方法来制造很细的石英纤维：仅仅是用一张弓把蘸了熔化了的石英的箭射到一块天鹅绒上，拉出来石英纤维就随之在空气中凝固。对此技艺，他自己非常得意，在后来经常对学生们津津乐道。
1918年，卡皮查大学毕业，留在彼得堡工学院物理和力学系任讲师，同时也成了约飞在彼得格勒建立的物理技术研究所中的研究人员。他与约飞的关系也愈发密切了。此时，国内的经济日益困难，到秋天时，每日配给的面包只有50克，根本填不饱肚子，冬季几乎没有燃料取暖，一部分教授和讲师纷纷移居国外。就是在这样的情况下，约飞仍设法留住了包括皮查在内的一批优秀弟子，并组织和主持了一个研讨班。在研讨班上，他们讨论了各种物理问题，大家毫无拘束地交流各种观点，经常持续到深夜。其中，弗伦克耳曾详尽地介绍了英国物理学家卢瑟福(E. Rutherford)在原子核研究方面的惊人发现。但此时卡皮查却绝没有想到未来自己会与这个伟人结下不解之缘。
1919年，卡皮查提出了一个设想，可以用弯曲的晶体来使Ｘ光光束聚焦。直到10多年后，才又有人在似乎不知道卡皮查（以俄文发表的）论文的情况下，描述了同样的想法，并使之实现。1920年，卡皮查和他的同事谢苗诺夫(N.N. Semenov,1956年诺贝尔化学奖获得者）一道又提出了一个用实验方法来测量原子磁矩的设想：在原子束通过一个很强的非均匀磁场时，观察原子束的离散。这篇文章直到1922年才发表，但在从文章送交到发表之间的这段时间里，德国物理学家斯特恩(O. Stern)和格拉赫(W. Gerlach)也提出了本质基本相同的方法，并付诸实验。由于这一实验为空间的量子化提供了证明，1943年，斯特恩获得了诺贝尔物理学奖。尽管卡皮查的这些想法是领先和独创性的，但由于当时俄国国内物资极度缺乏，不仅没有必要的工具和仪器，甚至连普通的裸线都很难弄到，因此，卡皮查未能及时地把这些想法变成现实也就不足为怪了。当然，这是很令人遗憾的。
就在此时，一场灾难落到了卡皮查头上。在内战的动乱中，传染病流行，先是他的儿子患猩红热去世，紧接着，他的妻子和女儿又双双死于正在彼得格勒肆虐的西班牙流感。大约与此同时，他的父亲也死于流感。这一串的打击使卡皮查悲痛得不知所措，无法再继续他的研究工作，也彻底地改变了他后来生活的道路。
1920年11月，约飞成为俄国科学院院士。在他的努力下，一个名为“苏联科学院恢复与其它国家联系委员会”的机构成立了。委员会的另一位重要员是著名的航海工程师和应用数学家克里洛夫(A.N. Krylov)院士，他后来成了卡皮查的第二个岳父。这个机构可以自由地用外币在国外购买科学仪器，并得到了据列宁专门指示而拨出的一笔专款。不过，此机构另一项不公开的任务要向国外的学者们解释在新制度下苏联的科学政策。约飞和克里洛夫都相当了解和珍惜卡皮查的科学天赋，所以他们让卡皮查也加入进来，希望到海外旅行或许能帮助他摆脱痛苦。但是，当时德国、法国和荷兰等国都不愿冒险接受一个或许是共产主义鼓动者的年轻人，所以，1921年3月，约飞只好先行到了柏林。在那里，经过一番疏通，约飞为卡皮查搞到了去英国的签证。同年5月，卡皮查终于乘船到达了他的第二故乡英国。
二、剑桥岁月
1921年6月初，卡皮查等到了从汉堡乘船前来伦敦的约飞，他们一同开始了在英国的科学访问。6月12日，他们访问在剑桥工作的物理学家卢瑟福时，受到了热烈的欢迎。卢瑟福是一个名望卓著的物理学家。在他所取得的成就中，三项最重要是：提出放射性元素衰变理论、提出原子有核结构模型，以及用(粒子轰击某些元素而实现人工核嬗变。当时，在卢瑟福领导下的剑桥开文迪许实验室也成为世界上实验放射性研究、原子物理学和原子核物理学研究的中心。卡皮查自然希望能有机会在此继续深造，并一展身手。约飞对此也没有意见。关于卡皮查向卢瑟福提出这一申请，有一段广泛流传、脍炙人口的故事。因为当时卢瑟福说，实验室已经过分拥挤，无法再接受卡皮查的申请了。让卢瑟福惊讶的是，卡皮查机智地问了一个似乎不相干的问题：“在您的实验中误差通常是多少？”卢瑟福回答说：“大约百分之二到百分之三”。卡皮查马上指出，开文迪许现有大约30个研究人员，再多一个人也不会被注意到，因为这是在误差范围之内！就这样，卡皮查终于说服卢瑟福将自己留了下来。一年后，当卡皮查再次问卢瑟福为什么接纳他时，卢瑟福爽朗地在笑道：“我也不知道当时为什么同意，但我很高兴这样做了”。
新来开文迪许实验室工作的人，通常要在查德威克(J. Chadwich)的指导下进行一两个月的工作实践，以熟悉各种有关的技能，但由于卡皮查的刻苦勤奋和技能超群，只用了两个星期，查德威克就很满意地让他通过了课程。当然，在开文迪许实验室，对卡皮查影响最大的，还是卢瑟福本人。这一点在他从剑桥寄给母亲的信中清楚地表达了出来。1921年8月，他写道：
……昨天我初次就一个科学研究课题和卢瑟福教授谈了话。他很和霭，把我带到了他的房间，并给我看他的仪器。尽管他有时暴躁，但他肯定有某种引人之处。 在10月份，卡皮查写到：
……卢瑟福对我越来越亲切。他见到我时，便向我点头致意，并询问我的生活情况，但我有点害怕他。我正好在他的书房隔壁工作。这很不妙，因为我吸烟必须要小心，如果他看到我嘴里叼着烟斗，那可就糟了。不过感谢上帝，他走路脚步很重，我可以从脚步中区分是他还是别人。
卡皮查在听卢瑟福和查德威克等人讲课的同时，在卢瑟福的建议下，于8月初就开始了对α粒子能量变化的研究。这典型地属于卢瑟本人感兴趣的研究课题。以前人们通过对α粒子穿过磁场时的偏转来进行测量，但无法测量低能粒子。卡皮查的办法是：采用灵敏的博伊斯(Boys)辐射微热计，通过测量α粒子穿越物质时产生的热效应来研究其能量损耗。这个方案惊人迅速地获得了成功的结果。在实验室中，由于辐射微热计极其灵敏，甚至可以探测到大约二公里外一只蜡烛的火焰，对百万分之一度的升温就有反应，所以它要求使用者有超乎寻常的技能。而卡皮查却巧妙地避免了任何会淹没实验结果的偏离效应。9个月后，他就已完成了一篇论文，经卢瑟福审阅，很快就发表在《皇家学会会刊》上，此时，卡皮查可以说真正地成了卢瑟福的学派中的一员。这篇论文的开头标明为：第一部分。然而，再没有什么第二部分问世。因为卡皮查的头脑已完全为另一个新想法所占据了。这就是，通过测量α粒子在磁场中轨迹曲率的变化来研究α粒子速度沿轨道各点的变化。问题在于，α粒子质量较大，现有的磁场不足以使其轨道充分弯曲。在用螺线管产生强磁场时，由于电磁产生的热效应，当电流超过一定强度，就会将螺线管烧毁，即使采用冷却的方法，技术上也有无法克服的困难。卡皮查对解决这一困难的新奇想法是，在百之几秒时间内给螺线管通很大的电流，产生强脉冲磁场，由于通电时间短，电流所生的热不会破坏线圈。卢瑟福当即对此想法产生了兴趣，并认为它会成功。于是，卡皮查用一个低容量的蓄电池作为电源，通过让其和一个螺线管短路来获得脉冲磁场。在花去了卢瑟福150磅的费用后，仅仅在1922年11月，他就已取得了满意的成果。一张有三条曲线的照片摆在面前，这三条曲线就是α粒子在磁场中的轨迹。卢瑟福对这三条曲线异常欣喜，实验室的许多其他人也来参观照片，并赞不绝口。由于这项出色的工作，卡皮查在剑桥的地位得到巩固。1923年1月，他被正式认可为攻读博士的研究生，时间从1921年10月算起，考虑到他在俄国的工作，又减免了一年的学习期限。这样，在1923年6月14日，卡皮查以题为《α粒子在物质中的穿越和产生磁场的方法》的论文获得博士学位。不过，这也是他最后一项在卢瑟福个人专长的原子核物理学领域中的研究工作了。他在写给母亲的信中讲：遇到卢瑟福时，我问道“卢瑟福教授，你不认为我看上去更聪明些了吗？”这一有些不同寻常的问话引起了卢瑟福的兴趣：“为什么你应该看上去更聪明些了呢？”我回答道：“我刚刚变成了博士。”卢瑟福立即向我祝贺，并说“是的，你的确显得更聪明了，加上你又理了发”，随即大笑起来。在开文迪许实验室，敢于对卢瑟福如此放肆的也许只有卡皮查一个人。但卢瑟福非但毫不介意，反而接着又推荐他，使他获得了为期三年的麦克斯韦奖学金，尽管他已取得了博士学位。
接下来，卡皮查又对他的装置作了进一步的改进，用一台特殊设计的发电机代替了蓄电池。用此装置，可以在2立方厘米的体积中获得高达32万奥斯特脉冲强磁场，这磁场强度远远高于普通磁体所能达到的场强。后来，回到莫斯科后，他又用这台设备将记录提高到50万奥斯特。虽然脉冲磁场只持续大约百分之一秒，但这段时间对于研究α粒子已绰绰有余了。卡皮查自己喜欢讲两个与此有关的小笑话。一个笑话是说，如果知道怎样利用，百分之一秒就是很长的时间。另一个笑话是说，他是科学界被付给最高薪水的人，因为他一年总共只工作几秒钟。
致力于产生强磁场装置的工作标志着卡皮查科学学生涯中的一个重要转折点。同时也是剑桥的物理学研究从设备简单的实验走向利用大型、复杂的现代设备的一个重要转折点。卡皮查随后将他的研究方向转向了固体物理。利用这套装置，他测量了各种金属在磁场中电阻的变化。他发现，金属的电阻率随磁场的增大是线性增加的。这一现象被称为“卡皮查线性定律”，直到60年代，随着金属理论的发展，才对此现象有了较好的理论解释。
照理说，用此装置可以用替换材料的方法把实验无限地做下去，不断地出成果。但卡皮查却不是这样的人。他后来在给卢瑟福的一封信中，在评价苏联物理学家瓦维洛夫(S.I. Vavilov)时，就曾这样批评瓦维洛夫，说瓦维洛夫一生就靠一套装置，只变换实验材料和实验条件，却满足于自己在做科学工作。卡皮查为了进一步研究金属在低温下的性质，在30年代初，他已把注意力转向了另一个极端的领域－－低温技术。
第一步是建造氢液化器。为了克服在不纯的氢气中，冷却时杂质会堵塞管道的困难，他聪明地采取了这样一种措施：只在一封闭的循环系统中使用少量极纯的氢气，用它来冷却大量的商品氢，并让杂质沉淀到热交换器底部，以避免堵塞。这台氢液化器只要20分钟就可以启动。
接下来，是建造氦液化器。当时，在世界上别处不多几家能液化氦的实验室中，在液化氦的过程中都是采用液氢进行预冷。但氢气易于爆炸，很不安全，而且用这种方法液化氦程序复杂，很费时间。人们虽然早就知道，可以利用焦耳－汤姆逊效应，采用绝热膨胀的办法直接液化氦，但因为在很低的温度下，所有的润滑剂都将凝固，活塞的润滑问题一直地无法解决。面对这一难题，卡皮查又一次独出心栽地从没有办法的地方想出了办法：既然润滑刘不行，干脆就不用润滑剂！他只是简单地让活塞周围留下面分之几毫米的缝隙，当压缩活塞时，从缝隙中逸出的氦气自身便起了润滑作用。在卡皮查的努力下，1934年，第一台依据这种想法制造的氦液化器终于在剑桥诞生了。这台液化器一直使用了十多年。后来，人们称这种类型的液化器为卡皮查液化器。它为美国人柯林斯(S.C. Collins)在1947年设计商用氦液化器奠定了重要的基础。从此，膨胀机在氦液化器中的应用得以开始。
多年后，卡皮查在一篇纪念爱因斯坦的文章中说，对于爱因斯坦，他最为赞赏的是有关光电效应的工作，因为它给出了在射出的电子的能量与普朗克常数之间极其简单的关系。卡皮查也喜欢乌克兰哲学家斯考沃罗达(G. Skovoroda)的一句名言：“我们必须感谢上帝，因为他以这样的方式 创造世界，使每一件简章事物都是真的，而每一件复杂的事物都是假的。”在卡皮查自己的工作中，不论是在工程工艺方面，还是在纯科学方面 ，也同样体现了这种对简单性的追求。当然，在他每一项简单而又有独创性的想法中，都闪耀着智慧的火花。
由于在科研方面硕果累累，卡皮查在剑桥的地位也越来越高。1924年，他成为开文迪许实验室的磁学研究助理主任，1925年成为剑桥大学三一学院的研究员。1929年，卡皮查当选为英国皇家学会的会员，这在当时对一个外国人来说，是很少能获得的殊荣。1930年，卢瑟福说服皇家学会，从蒙德(L. Mond)的遗赠中拿取了15000英磅，专门为卡皮查建造一所从事高场和低温研究的实验室，取名为蒙德实验室，由卡皮查担任实验室主任。实际上，早在1922年，卢瑟福就对卡皮查讲过：“如果我有可能为你建立一个专门的实验室，让你可以和你自己的学生在里面工作的话，我将非常高兴。”当蒙德实验室 在1932年正式落成时，人们看到，门口的墙上有一幅鳄鱼的浮雕，实验室里面又有一幅卢瑟福的浮雕。这是卡皮查在以他独特的方式向卢瑟福表示敬意。其实，卡皮查早就在他给母亲的信中把卢瑟福称为“鳄鱼”了。至于为什么起了这样一个绰号，有过种种不同的说法，其中最有道理的也许还是卡皮查自己的解释：“在俄国，鳄鱼是一家之父的象征，令人赞赏和敬畏，因为它有直挺挺的脖子，无法回头。它只是张着嘴，一往直前－－就象科学、就象卢瑟福一样。”
在剑桥，卡皮查经常在一些讲座中介绍自己的研究工作。这些讲座也是独具特色的。例如，他在黑板上写的内容往往与口中讲的不一样。有一次，休恩伯格(D. Shoenberg)在课后请他澄清一下自己听与笔记中的矛盾之处，卡皮查却说：“如果我把一切都讲清楚，没有任何矛盾，那就没有留给你去思考的东西了”。在一次关通俗性的演讲中，他曾这样讲：“我将试图这样来表述，让95％的人听懂5％的内容，让5％的人听懂95％的内容！”卡皮查还把俄国的传统带到了剑桥，成功地组织了一个讨论班，人称“卡皮查俱乐部”。卡皮查自然是永久的主席 。他对自己在剑桥留下的这个印迹十分自豪。讨论班从1922年10月17日开始第一次会议，参加者缺席两次便被除名，而且只有在参加者自己作了报告之后，才能成为永久成员。“卡皮查俱乐部”对推动剑桥物理学的发展起了不小的作用。象玻尔、埃伦菲斯特、弗兰克、海森伯、考克罗夫特等人，更是讨论班中作报告的主角。有时讨论的内容也会超出于物理学之外。1934年8月21日，举行了卡皮查在任的最后一次会议－－第377次会议！随着卡皮查的离去，讨论班由考克罗夫特继续负责主持，又坚持了许多年。
也是在剑桥期间，卡皮查可以经常去法国、德国、比利时与荷兰等国参加各种物理学会议，其中包括两次出席在布鲁塞尔召开的索尔未会议。1927年4月，他在巴黎结识了克里洛夫（前面提到的与约飞一同帮助卡皮查出国的那位院士）的女儿安娜•阿列克谢耶芙娜(Anna Alexeevna)，两人当即坠入情网，很快就回剑桥结了婚。1929年，第一个儿子谢尔盖(Sergei)出生了，他后来成了一个出色的物理学家和苏联电视台通俗科学节目的主持人；1931年，小儿子安德烈出生，他后来成为一个地理学家，曾数次参加南极考察工作，并当选为苏联科学院通讯院士，成了这个家族中的第四代院士。这是一个幸福的家庭，尤其是安娜，一位友人曾评价说：“有些女人生来是妻子，有些女人生来是母亲，而安娜既是母亲，更是妻子”。
这一切似乎还不够，卡皮查追求的还要更多。1931年卢瑟福被封以贵族爵位，这件事给卡皮查留下了很深的印象。他甚至曾向一位朋友询问：“一个外国人可以成为上议院的议员吗？”
卡皮查正值春风得意之时，他多么希望这种一帆风顺的生活永远继续下去！但就在这时，命运突然和他开了一个不小玩笑。
