Петр Леонидович Капица родился 25 июня (8 июля) 1894 г. в Кронштадте Санкт-Петербургской губернии в семье военного инженера. Отец – Леонид Петрович Капица (1864–1919), генерал-майор инженерного корпуса; из польского шляхетского рода Капиц-Милевских. Окончил Николаевскую инженерную академию в Санкт-Петербурге и являлся одним из создателей фортификационных флотских сооружений в Кронштадте. Мать – Ольга Иеронимовна Капица (1866–1937), урождённая Стебницкая, педагог, специалист по детской литературе и фольклору. Окончила Бестужевские курсы в Петербурге. Преподавала на дошкольном отделении Педагогического института им. Герцена. Её отец, Иероним Иванович Стебницкий (Hieronim Stebnicki – поляк по происхождению), геодезист, член-корреспондент Императорской Академии наук (1878), был главным картографом и геодезистом Кавказа.

В семье было двое сыновей – старший брат Петра Леонидовича – Леонид Леонидович Капица (1892–?) окончил Петербургский Университет со специализацией в области антропологии и этнографии. С 1916 г. работал в Этнографическом отделе Русского Музея. В 1924 г. Л.Л. Капица в течение пяти месяцев проходил стажировку в музеях Англии, Швеции, Дании и Франции, где изучал постановку музейного дела. Репрессирован в начале 1930-х гг.

Петр Капица сначала учился в гимназии, а затем с 1907 г. в Кронштадтском реальном училище, которое окончил в 1912 г. и поступил на электромеханический факультет Петербургского Политехнического института. Уже на первых курсах на него обратил внимание Абрам Федорович Иоффе (1880–1960, физик, организатор науки, академик с 1920 г.), который преподавал в Политехническом институте физику. Он привлекает Капицу к исследованиям в своей лаборатории.

В 1914 г. Капица отправляется на летние каникулы в Шотландию для изучения английского языка. Здесь его застигает Первая мировая война. Вернуться в Петроград ему удается лишь в ноябре 1914 года. В январе 1915 г. он был мобилизован в армию на Западный фронт водителем санитарного автомобиля в составе санитарного отряда Союза городов.

После демобилизации из армии Капица вернулся в институт. Иоффе привлек его к экспериментальной работе в физической лаборатории, руководимой им, а также к участию в своем семинаре. В том же году в «Журнале русского физико-химического общества» появились первые научные статьи Капицы – «Инерция электронов в амперовых молекулярных токах» и «Приготовление волластоновских нитей».

В 1916 г. П.Л. Капица женился на Надежде Кирилловне Черносвитовой. Ее отец, К.К. Черносвитов, член ЦК партии кадетов, депутат Государственной Думы четырёх созывов, был арестован ЧК и расстрелян в 1919 году.

После окончания Политехнического института (защита дипломной работы состоялась в сентябре 1919 г.) Капица был оставлен в нем в должности преподавателя физико-механического факультета. Но еще осенью 1918 г., по приглашению А.Ф. Иоффе, становится сотрудником Физико-технического отдела Государственного рентгенологического и радиологического института (преобразованного в 1922 г. в Физико-технический институт).

Зимой 1919–1920 гг. во время эпидемии гриппа («испанка») Капица в течение месяца потерял отца Леонида Петровича, жену Надежду Кирилловну, сына Иеронима (22 июня 1917 – 13 декабря 1919) в возрасте 1,5 года и новорожденную дочь Надежду (6 января 1920 – 8 января 1920) трёх дней от роду.

В 1920 г. П.Л. Капица и Николай Николаевич Семенов (1896–1986, физико-химик, один из основоположников химической физики, академик АН СССР с 1932 г.; единственный советский лауреат Нобелевской премии по химии – 1956 г. совместно с Сирилом Хиншелвудом) предлагают метод определения магнитного момента атома, основанный на взаимодействии атомного пучка с неоднородным магнитным полем. Это первая крупная работа Капицы в области атомной физики.

В мае 1921 г. П.Л. Капица едет в научную командировку в Англию в качестве члена комиссии Российской академии наук, направленной в страны Западной Европы для восстановления научных связей, нарушенных войной и революцией. В июле 1921 г. (находясь в командировке) он вместе с Иоффе едет в Кембридж, и Абрам Федорович представляет своего ученика Резерфорду и просит принять его на стажировку в Кавендишскую лабораторию. А с 22 июля 1921 г. Капица начинает работать в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, руководитель которой, Эрнест Резерфорд (1871–1937, британский физик, известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома; лауреат Нобелевской премии по химии 1908 г.), согласился принять его на краткосрочную стажировку. Экспериментальное мастерство и инженерная хватка молодого русского физика производят на Резерфорда столь сильное впечатление, что он добивается специальной субсидии для его работ. Произведенные в этой лаборатории исследования в области магнитных полей принесли П.Л. Капице мировую славу.

В Кембридже научный авторитет Капицы быстро рос. Он успешно продвигался по ступеням академической иерархии. В 1923 г. он получил престижную стипендию Джеймса Клерка Максвелла и защитил диссертацию на степень доктора философии Кембриджского университета. В 1924 г. – был назначен заместителем директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям, а в 1925 г. был избран членом Тринити-колледжа (Кембридж). В марте 1926 г. состоялось открытие Магнитной лаборатории П.Л. Капицы при Кавендишской лаборатории. В церемонии принял участие канцлер Кембриджского университета бывший премьер-министр Великобритании лорд Бальфур. В 1928 г. Капица открыл закон линейного, по величине магнитного поля, возрастания электросопротивления металлов (закон Капицы).

В 1926 г. Капица познакомился с дочерью российского математика и кораблестроителя академика Алексея Николаевича Крылова от первого брака – Анной Алексеевной, которая жила тогда с матерью в Париже (Франция). В 1927 г. Анна Алексеевна (урожденная Крылова) стала женой Капицы. После женитьбы Капица купил небольшой участок земли на Хантингтон Роуд, где построил дом по своему плану. Здесь родились его сыновья Сергей и Андрей. Оба они впоследствии стали учеными.

В 1928 г. Академия наук СССР присвоила Капице ученую степень доктора физико-математических наук. 31 января 1929 г. П.Л. Капицу избирают членом-корреспондентом Академии наук СССР по Отделению физико-технических наук. И в том же году (1929) Капица был избран действительным членом Лондонского Королевского общества (Британская академия наук).

В ноябре 1930 г. по просьбе и рекомендации Резерфорда Совет Королевского общества из средств, завещанных Обществу химиком и промышленником Людвигом Мондом (1839–1909), выделяет 15 000 фунтов стерлингов на строительство в Кембридже лаборатории. Она создавалась специально для работ П.Л. Капицы в области сильных магнитных полей и низких температур. Мондовская лаборатория Королевского общества была торжественно официально открыта 3 февраля 1933 г. ректором Кембриджского университета Стенли Болдуином.

В апреле 1934 г. П.Л. Капица впервые в мире получил жидкий гелий на созданной им же установке. Это открытие дало мощный толчок исследованиям в физике низких температур.

В течение 13 лет успешной работы в Англии Капица оставался лояльным гражданином СССР и делал все возможное, чтобы помочь развитию науки в своей стране. Благодаря его содействию и влиянию многие молодые советские физики получили возможность поработать в течение продолжительного времени в Кавендишской лаборатории. В «Международной серии монографий по физике» издательства Оксфордского университета, одним из основателей и главных редакторов которой был Капица, выходят в свет монографии Г.А. Гамова, Я.И. Френкеля и Н.Н. Семенова. Но все это не помешало властям СССР осенью 1934 г., когда Капица приехал на родину повидать близких и прочитать ряд лекций о своих работах, аннулировать его обратную визу. Его вызвали в Кремль и сообщили, что отныне он должен будет работать в СССР.

В декабре 1934 г. Постановлением Совета народных комиссаров СССР был создан Институт физических проблем (ИФП) АН СССР и Капица временно был назначен его первым директором (в 1935 г. утвержден в этой должности на сессии АН СССР). Ему было предложено самому создать мощный научный центр в СССР, а также при содействии Советского правительства доставлено всё оборудование его лаборатории из Кавендиша. В 1937 г. в ИФП начинает работать физический семинар Капицы – «капичник», как стали называть его физики, когда из институтского он превращается в московский и даже всесоюзный.

С 1936 по 1938 гг. Капицей был разработан метод ожижения воздуха с помощью цикла низкого давления и высокоэффективного турбодетандера, который предопределил развитие во всем мире современных крупных установок разделения воздуха для получения кислорода, азота и инертных газов.

29 января 1939 г. П.Л. Капицу избирают действительным членом (академиком) Академии наук СССР по Отделению математических и естественных наук, специальность – «физика».

В 1940 г. П.Л. Капица совершает новое фундаментальное открытие – сверхтекучесть жидкого гелия (при переходе тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе раздела возникает скачок температуры, получивший название скачка Капицы; величина этого скачка очень резко растет с понижением температуры).

В период Великой Отечественной войны П.Л. Капица вместе с Институтом физических проблем был эвакуирован в Казань (вернулся в Москву в августе 1943 года). В 1941–1945 гг. был членом Научно-технического совета при Уполномоченном Государственного комитета обороны СССР. В 1942 г. разработал установку для производства жидкого кислорода, на базе которой в 1943 году в Институте физических проблем пущен в строй Опытный завод.

В мае 1943 г. постановлением Государственного Комитета Обороны СССР академик П.Л. Капица назначен начальником Главного управления кислородной промышленности при СНК СССР (Главкислород), которое было создано по инициативе ученого.

В январе 1945 г. принята в эксплуатацию установка по производству жидкого кислорода ТК-2000 в Балашихе мощностью 40 тонн жидкого кислорода в сутки (почти 20% всего производства жидкого кислорода в СССР). За успешную научную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбокислородной установки для производства жидкого кислорода Указом Президиума Верховного Совета СССР от 30 апреля 1945 г. П.Л. Капице присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот».

20 августа 1945 г. был создан Специальный комитет № 1 при СНК СССР, которому поручалось руководство работами над созданием советской атомной бомбы. Капица был включен в его состав. Однако работа в Спецкомитете тяготит его. В частности, потому, что речь идет о создании «оружия разрушения и убийства» (слова из его письма Н.С. Хрущеву). Воспользовавшись конфликтом с Л.П. Берией, который возглавлял атомный проект, Капица просит освободить его от этой работы. В конце 1945 г. И.В. Сталин принял решение об выводе Капицы из состава комитета. Этот конфликт дорого обошёлся учёному: в 1946 г. он был снят с должности руководителя Главкислорода при СМ СССР и с должности директора Института физических проблем АН СССР. Единственным утешением стало то, что он не был арестован.

У себя на даче, на Николиной Горе, Капица оборудует в сторожке маленькую домашнюю лабораторию, где Капица ведет исследования по механике и гидродинамике, а затем обращается к электронике больших мощностей и физике плазмы.

Когда в 1947 г. в МГУ был создан физико-технический факультет (ФТФ), одним из основателей и организаторов которого был Капица, он становится заведующим кафедрой общей физики ФТФ (в 1951 г. на базе этого факультета был создан Московский физико-технический институт – МФТИ) и в сентябре 1947 г. приступает к чтению курса лекций.

В декабре 1949 г. Капица уклоняется от участия в мероприятиях, посвященных 70-летию Сталина, что было воспринято властями как шаг демонстративный, и его немедленно освобождают от работы в МГУ.

В 1953 г. после смерти Сталина и ареста Берии, Капица доложил о своих личных разработках и полученных результатах в Академию наук СССР и Президиум АН СССР принял постановление «О мерах помощи академику П.Л. Капице в проводимых им работах». На базе домашней лаборатории (на Николиной Горе) в августе 1953 г. создается Физическая лаборатория АН СССР, и Капица назначается ее заведующим.

28 января 1955 г. Капица вновь становится директором Института физических проблем (с 1990 г. этот институт носит его имя), где работал до конца жизни. 3 июня 1955 г. он назначен главным редактором «Журнала экспериментальной и теоретической физики».

Одновременно с 1956 г. Капица заведовал кафедрой физики и техники низких температур и являлся председателем Координационного совета Московского физико-технического института.

В 1957–1984 гг. П.Л. Капица – член Президиума Академии наук СССР. Руководил фундаментальными работами в области физики низких температур, сильных магнитных полей, электроники больших мощностей, физике плазмы.

За выдающиеся достижения в области физики, многолетнюю научную и преподавательскую деятельность Указом Президиума Верховного Совета СССР от 8 июля 1974 г. Капица награждён второй золотой медалью «Серп и Молот» с вручением ордена Ленина.

За фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур в 1978 г. Петру Леонидовичу Капице присуждена Нобелевская премия по физике.

П.Л. Капица внес значительный вклад в развитие физики магнитных явлений, физики и техники низких температур, квантовой физики конденсированного состояния, электроники и физики плазмы. В 1922 г. он впервые поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле и наблюдал искривление траекторий альфа-частиц. Эта работа предшествовала обширному циклу исследований Капицы по методам создания сверхсильных магнитных полей и исследованиям поведения металлов в них. В этих работах был впервые разработан импульсный метод создания магнитного поля путем замыкания мощного альтернатора и получен ряд фундаментальных результатов в области физики металлов (линейный рост сопротивления в больших полях, насыщение сопротивления). Поля, полученные Капицей, по величине и длительности в течение десятилетий были рекордными.

Потребность в проведении исследований по физике металлов при низких температурах привела Капицу к созданию новых методов получения низких температур. В 1934 г. он изобрел ожижительную машину для адиабатического охлаждения гелия. Этот способ охлаждения гелия теперь лежит в основе всей современной техники получения низких температур вблизи абсолютного нуля – гелиевых температур. Вместе с тем, применение метода адиабатического охлаждения к воздуху привело к разработке Капицей в 1936–1938 гг. нового метода ожижения воздуха с помощью цикла низкого давления и изобретенного им высокоэффективного турбодетандера. Воздухоразделительные установки низкого давления работают сейчас во всем мире, производя более 150 млн. тонн кислорода в год. Турбодетандер Капицы (с КПД 86–92 %) используется не только в них, но и во многих других криогенных системах.

В 1937 г. после серии тонких экспериментов Капица открывает сверхтекучесть гелия. Он показал, что вязкость жидкого гелия, протекающего через тонкие щели, при температуре ниже 2,19 К во столько раз меньше вязкости любой самой маловязкой жидкости, что она, по-видимому, равна нулю. Поэтому Капица назвал такое состояние гелия сверхтекучим. Это открытие положило начало развитию совершенно нового в физике направления – физики конденсированного состояния. Для его объяснения пришлось ввести новые квантовые представления – так называемые элементарные возбуждения, или квазичастицы.

Исследования Капицы по прикладной электродинамике, которые он начал в конце 1940-х гг. на Николиной Горе, привели к изобретению новых устройств для генерации сверхвысокочастотных колебаний большой постоянной мощности. Эти генераторы – ниготроны – были затем использованы для создания высокотемпературной плазмы высокого давления. П.Л. Капица — автор научного открытия «Образование высокотемпературной плазмы в высокочастотном разряде», которое занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 87 с приоритетом от 1959 года.

В трудные периоды истории Родины П.Л. Капица всегда проявлял гражданское мужество и принципиальность. Так, в период массовых репрессий конца 1930-х годов, он добился освобождения под личное поручительство будущих академиков и всемирно известных ученых В.А. Фока и Л.Д. Ландау. В 1950-х годах он активно выступал против антинаучной политики Т.Д. Лысенко, вступив в конфликт с поддерживавшим последнего Н.С. Хрущёвым. В 1970-х годах отказался подписать письмо с осуждением академика А.Д. Сахарова, тогда же выступал и призывами принять меры к повышению безопасности атомных электростанций (за 10 лет до Чернобыльской аварии).

Великий ученый получил мировое признание при жизни, будучи избран членом многих академий и научных обществ. В частности, избран членом Международной академии астронавтики (1964), Международной академии истории науки (1971), иностранным членом Национальной академии наук США (1946), Польской академии наук (1962), Шведской королевской академии наук (1966), Нидерландской королевской академии наук (1969), Сербской академии наук и искусств (Югославия, 1971), Чехословацкой академии наук (1980), действительным членом Германской академии естествоиспытателей «Леопольдина» (ГДР, 1958), Физического общества Великобритании (1932), членом Американской академии искусств и наук в Бостоне (США, 1968), почетным членом Королевской академии наук Дании (1946), Нью-йоркской академии наук (США, 1946), Ирландской королевской академии наук (1948), Академии наук в Аллахабаде, Индия (1948), членом Кембриджского философского общества (Великобритания, 1923), Лондонского королевского общества (Великобритания, 1929), Физического общества Франции (1935), Физического общества США (1937).

Почетный доктор наук Алжирского университета (1944), Парижского университета (Франция, Сорбонна, 1945), Университета в Осло (Норвегия, 1946), Карлова (Пражского) университета (Чехословакия, 1964), Ягеллонского университета в Кракове (Польша, 1964), Дрезденского технического университета (ГДР, 1964), Делийского университета (Индия, 1966), Колумбийского университета (США, 1969), Вроцлавского университета им. Б. Берута (Польша, 1972), Университета в Турку (Финляндия, 1977).

Действительный член Тринити Колледжа Кембриджского университета (Великобритания, 1925), Института физики Великобритании (1934), член Института фундаментальных исследований им. Д. Тата (Индия, 1977). Почетный член Института металлов Великобритании (1943), Института имени Б. Франклина (США, 1944), Национального института наук Индии (1957).

П.Л. Капица – лауреат Нобелевской премии по физике (1978), дважды Герой Социалистического Труда (1945, 1974), лауреат двух Сталинских премий I степени (1941 год – за разработку турбодетандера для получения низких температур и его применение для ожижения воздуха, 1943 год – за открытие и исследования явления сверхтекучести жидкого гелия). Большая золотая медаль АН СССР имени М.В. Ломоносова (1959).

Награжден шестью орденами Ленина (1943, 1944, 1945, 1964, 1971, 1974 годы), орденом Трудового Красного Знамени (1954), медалями СССР, орденом «Партизанская Звезда» (Югославия, 1964). Медалями: имени Фарадея (Англия, 1943), Франклина (США, 1944), Нильса Бора (Дания, 1965), Резерфорда (Англия, 1966), Камерлинг-Оннеса (Нидерланды, 1968).

Семья: жена (второй брак) Анна Алексеевна Крылова (1903–1996), дочь академика А.Н. Крылова; сын Сергей Петрович (14 февраля 1928, Кембридж, Великобритания) – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физических проблем им. П.Л. Капицы, профессор, телеведущий, популяризатор науки, главный редактор журнала «В мире науки»; сын Андрей Петрович (9 июля 1931, Кембридж – 2 августа 2011, Москва) – географ и геоморфолог, член-корреспондент АН СССР (1970), Заслуженный профессор МГУ.

Петр Леонидович Капица скончался 8 апреля 1984 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок 10).