Студента Петербургского политехнического института Капицу в 1910-х заметил физик Абрам Иоффе и посоветовал Петру продолжать учебу не в России. В период Гражданской войны, революций и большого передела у молодого ученого было больше шансов состояться в зарубежной научной школе. В 1921 году, благодаря содействию Иоффе, математика Алексея Крылова и писателя Максима Горького, 25-летний Капица смог уехать в Англию и устроиться в Кавендишскую лабораторию и Кембриджский университет под руководством Эрнеста Резерфорда.

В Англии Капица продолжил заниматься изучением сверхсильных магнитных полей, ставил опыты на современном оборудовании и в 1922 году защитил докторскую диссертацию о прохождении альфа-частиц через вещество и методы получения магнитных полей. А спустя семь лет научной работы и преподавания в Кембридже Петра избрали действительным членом Лондонского Королевского общества. Совет общества выделил 15 тысяч фунтов стерлингов на строительство в Кембридже специальной лаборатории для Капицы.

В 1934 году Капица снова приехал в СССР с женой, оставив детей в Англии, как делал уже не раз. Он встретился с родными и выступил на международном конгрессе в честь 100-летия со дня рождения Дмитрия Менделеева. Физику снова предложили остаться в стране, он снова отказался, и это было в последний раз. Сподвижник Сталина Лазарь Каганович передал генсеку письмо, в котором сообщалось: «Такому положению, когда наш гражданин снабжает чужую страну изобретениями, имеющими военное значение, надо положить конец».

Сталин велел задержать Капицу в СССР и не выпускать на основании закона о невозвращенцах. Виза ученого была аннулирована. Физика решили не отправлять в лагеря и не расстреливать, а пообещали построить ему специальный институт, обеспечить комфортные для жизни условия, но только на территории Союза, без возможности выезда на Запад. Жену ученого при этом в Англию выпустили, и на два года она вернулась в Кембридж к детям.

Капица переехал к матери и хотел отказаться от предложенной научной работы, думал стать ассистентом биофизика Ивана Павлова. За помощью и с просьбой повлиять на решение Сталина ученый обращался и к Полю Ланжевену, и к Альберту Эйнштейну, и к Эрнесту Резерфорду — крупнейшим физикам и математикам XX века. Коллеги ученого отправляли письма в правительство СССР и полномочным представителям Союза в Англии, но в ответ получали всегда одно и то же: возвращение Капицы на родину продиктовано ускоренным развитием советской науки и промышленности по пятилетнему плану.

«Первые четыре месяца на меня не обращали внимания и не дали даже хлебной карточки, и только, видно чтобы напугать меня, три месяца за мной рядом на улице ходили два агента НКВД, которые изредка развлекались тем, что дергали меня за пальто. Далее, некоторые ответственные лица пугали меня самым разнообразным образом и еще продолжают это делать по сей день в связи с требующимся от меня ответом. Я до сих пор не могу понять, с какой целью все это делается, так как на практике это привело к тому, что распугало от меня большинство ученых и знакомых, а на меня имело только эффект угнетения моей нервной системы», — писал Капица.

К концу 1934-го физик сдался и подтвердил, что будет работать в СССР, но поставил условие: перевезти в Москву лабораторию, в которой он работал в Англии. Политбюро ЦК выделило 30 тысяч фунтов стерлингов на закупку кембриджского оборудования Капицы. Двадцать третьего декабря было подписано постановление об организации в составе Академии наук СССР Института физических проблем, директором которого назначили Петра Леонидовича.

Изобретение Капицы спровоцировало споры в научном сообществе. Некоторые ученые считали, что метод Петра Леонидовича неэффективен. До Великой Отечественной войны криогенные установки так и не были внедрены в производство.

Но в военное время необходимость производства взрывчатки возросла, а для этого требовался жидкий кислород. Институт физических проблем был эвакуирован в Казань. К 1942 году Капица доработал турбокислородную установку, которая могла производить до 200 килограммов жидкого кислорода в час. В обороне Сталинграда жидкий кислород, получаемый по методу Петра Леонидовича, использовали в производстве взрывчатки оксиликвита.

В 1943 году Капицу назначили руководителем Главного управления по кислороду в СССР, спустя два года был организован Институт кислородного машиностроения, а ученому дали звание Героя Социалистического Труда. Однако в 1945-м Сталин выражает недовольство работой физика, якобы Капица не оправдывает надежд. Большую роль в таких настроениях вождя сыграл комиссар госбезопасности Лаврентий Берия, который считал, что Капица ведет прозападную деятельность.

Пётр Леонидович своей неприязни к Берии тоже не скрывал, особенно после совместной работы с Игорем Курчатовым над атомной бомбой — руководителем этого проекта был назначен Берия. Свое мнение Капица выразил в письме Сталину: «Товарищи Берия, Маленков, Вознесенский ведут себя в Особом комитете как сверхчеловеки. В особенности товарищ Берия; правда, у него дирижерская палочка в руках. Это не плохо, но вслед за ним первую скрипку все же должен играть ученый. Ведь скрипка дает тон всему оркестру. У товарища Берии основная слабость в том, что дирижер должен не только махать палочкой, но и понимать партитуру. С этим у Берии слабо».

Ответа не последовало. Ученый направил второе письмо. В нем Капица описал свое видение по атомному проекту. Вероятно, на тот момент физик не знал, что у Курчатова и Берии уже была вся информация об американской атомной программе, и поэтому плану Капицы, хоть и аргументированному, не хватало скорости.

После отстранения Пётр Леонидович переехал на дачу на Николиной горе, где организовал ИФП — «Избу физических проблем». Дача была собственностью ученого, но вся мебель принадлежала государству. По воспоминаниям супруги Капицы, хозяйственное управление Совета Министров в 1946 году приняло решение прекратить обслуживание дачи Капицы. Из дома было вывезено все, даже полки, которые Пётр Леонидович прибивал сам. Физик писал Сталину и Молотову с просьбой вернуть его к полноценной работе — мебель его не волновала, — но ответа не получал. Анна Капица рассказывала, что за их дачей постоянно велась слежка, жизнь и работа ученого контролировались сотрудниками госбезопасности.

Если до этого жизнь Капицы мало походила на бессмысленную и неэффективную работу в шарашке, какой ее описывал Александр Солженицын в автобиографическом романе «В круге первом», то теперь декорации стали больше соответствовать реальному положению дел.

Президент Академии наук Сергей Вавилов помог Капице получить минимальный комплект лабораторного оборудования и смонтировать его в «Избе». Здесь физик продолжил заниматься изучением низких температур, разделением изотопов урана и водорода. Он разработал и собрал новые типы СВЧ-генераторов, обнаружил, что при высокочастотном разряде в плотных газах образуется стабильный плазменный шнур. Этот эффект в дальнейшем стали использовать для управляемого термоядерного синтеза.

Только после смерти Сталина и ареста Берии физик смог вернуться в науку. В 1955 году его снова назначили директором Института физических проблем. Правда, пока Капица находился под негласным «дачным арестом», учреждение возглавлял Анатолий Александров, присвоивший институту имя ушедшего из жизни Вавилова. Поэтому Капица, вернувшись на свой пост в институт, который был построен для его работы, до конца жизни был директором ИФП имени Вавилова.

С дачи семья вновь перебралась на территорию института, но уже не в тот дом, где жила после возвращения из Англии, а в дом Александрова. На втором этаже Капица выбрал себе большую центральную комнату, которая стала его кабинетом. На стене вдоль лестницы ученый повесил несколько рисунков Дон Кихота, подаренных ему знакомыми художниками. Этого персонажа физик любил, потому что узнавал в нем себя. Как вспоминала Анна Капица, ее мужу часто приходилось сражаться с ветряными мельницами.

Спустя 31 год после аннулирования визы, в 1965-м, Капице дали разрешение выехать из СССР. Он получил Международную золотую медаль Нильса Бора в Дании, выступил с лекциями в нескольких институтах Европы, съездил с женой в США.

Коллеги и друзья физика отмечали, что Капица был настолько увлечен наукой, что искал идеи для новых открытий во всем. Как-то Корней Чуковский позвал к себе в гости Александра Галича. Пригласил друзей и попросил музыканта спеть что-нибудь. Галич спел песню про физиков:

И рубают финики лопари,
А в Сахаре снегу невпроворот.
Это наши физики на пари́
Раскрутили шарик наоборот.

Рядом с бардом сидел пожилой человек в клетчатой рубашке и галстуке. Песня закончилась, мужчина наклонился к Галичу и спросил: «У вас эта песня как родилась? У вас была какая-то физическая идея о возможности контрвращения?»

Галич решил, что его собеседник, мягко говоря, странный. С ответом не нашелся. Чуть позже Корней Иванович на кухне представил музыканту собеседника — им был Пётр Капица.

Через некоторое время Галичу позвонил кто-то из ассистентов ученого и сказал: «Пётр Леонидович просил вам передать, что в Сахаре выпал снег».

В 1978 году Петру Капице была присуждена Нобелевская премия по физике. В отличие от других лауреатов, он не стал рассказывать о своих работах, за которые получил награду, а поделился новыми идеями, интересующими его в тот момент: о плазме и управляемой термоядерной реакции, о природе шаровой молнии.