Лев Давидович Ландау и его вклад в науку
Легендарная фигура отечественной и мировой науки — академик Ландау — оставил след во всех передовых дисциплинах: квантовой механике, физике твердого тела, магнетизме, физике низких температур, космических лучей, гидродинамике, квантовой теории поля, физике атомного ядра, элементарных частиц и плазмы. Становится понятной метафора, которую посвятили Льву Давидовичу: «В огромном здании физики XX века для него не было запертых дверей».
Вообще, то время было удивительным. Передовой наукой правили, по расхожей шутке, из «детских садов» Англии, Германии, Дании, России, Швейцарии: Эйнштейн вместе с теорией относительности разработал квантовую теорию света в 26 лет, Вернер Гейзенберг создал вариант квантовой механики в 24, Нильс Бор построил квантовую модель атома в 28, Ландау присоединился к группе ученых в 22 года в звании «доктора из Ленинграда». На счету молодого ученого был десяток самостоятельных работ в области квантовой физики, первую из которых он написал в 18 лет.
Ландау любил повторять, что опоздал родиться. Его сожаления основывались на том факте, что развитие физики XX века было настолько стремительным, что, казалось, появись на свет немного раньше — все современные открытия были бы твоими.
«Как все красивые девушки уже разобраны, так все хорошие задачи уже решены», — сокрушался Ландау. Однако он немного лукавил: микро- и макромиры оставили достаточно непознанного на его долю.
Вся дальнейшая жизнь Льва Давидовича будет связана с новыми открытиями.
Формирование школы Ландау
Теоретическая физика, чем всю жизнь занимался Ландау, ставит задачей объяснение непонятных результатов экспериментов и пытается предсказать неизвестные свойства материи еще до того, как эксперимент будет проведен. Заслуга Льва Давидовича не только в том, что он стал главным генератором идей в этой области, но и в том, что оставил после себя уникальную русскую школу физиков-теоретиков, которая движет вперед современную фундаментальную науку.
Школа Ландау зародилась в середине 1930-х годов. Основатель ее не всегда оказывался старше учеников, поэтому так сложилось, что все были на «ты» между собой и с учителем, при этом дисциплина была одновременно строгой и демократичной. Вступить в ряды данного научного сообщества мог абсолютно каждый: от лаборанта до доктора наук — не звание играло роль. Главным пропуском стало доказательство своей уникальности, наличие которой проверялось с помощью экзамена по теорминимуму, как любил называть Ландау это испытание. Теорминимум включал девять экзаменов: два по математике, семь по различным разделам физики. Он был настоящим испытанием способностей, воли, трудолюбия и преданности науке. Сдавать теорминимум можно было не более трех раз. «Физика из вас не получится. Надо называть вещи своими именами. Было бы хуже, если бы я ввел вас в заблуждение», — так отвечал Лев Давидович несдавшему экзамен. Те, кто прошел все девять ступеней, становились учениками Ландау.
Собрание школы всегда проходило в четверг и представляло собой своеобразную научную лабораторию. Ландау лично не читал журналов по физике, это делали докладчики на семинарах — рассказывали содержание выбранных заранее статей и, пока на все заданные присутствующими по теме доклада вопросы не были получены исчерпывающие ответы, не имели права покинуть кафедру. На протяжении семинара происходил «отсев» передовой научной информации: если возникали интересные вопросы, которые требовали дальнейшего исследования, то они записывались в специальную тетрадь проблем. Впоследствии молодые физики черпали из нее задачи для серьезных научных исследований. Участники семинара могли прерывать докладчика, забрасывать его вопросами, требовать объяснений, открыто высказывать неодобрение. Поэтому для выступающего не было хуже ситуации, чем прийти неподготовленным. Хотя всякое случалось. В подобной ситуации докладчика лишали права голоса и «отлучали от церкви». Ландау также не отличался тактичностью: бескомпромиссное отношение к науке часто порождало в нем жесткость и непреклонность по отношению к провинившимся. Такой режим работы школы заставлял ее участников постоянно быть в отличной научной форме, учил критически мыслить, раскладывать по полочкам научную информацию — одним словом, понимать физику.
Темы, обсуждавшиеся на семинаре, были максимально широкими, касались абсолютно всех разделов физики: Ландау личным примером приучал учеников относиться ко всей области теоретической физики как к единому целому, воспринимать ее в комплексе, знать и понимать.
Такая всеобщность была принята не только на семинарах, она проявлялась во всех работах Ландау.
Особенности школы Ландау сильно отражались на постоянных участниках семинаров, да и самые характерные черты учителя — быстрая речь, схватывание на лету, уверенность в себе, категоричность в суждениях и оценках — наследовались учениками. За несколько месяцев до катастрофы ученый составил список из сорока трех человек, которые сдали полностью все экзамены теорминимума. К тому моменту многие из них уже имели вес в науке, у них были звания и степени, своих учеников… Поэтому если говорить о школе Ландау, то список физиков-теоретиков, которых он воспитал напрямую или косвенно, намного длиннее. У большинства из них были впоследствии собственные школы, а у их учеников — свои ученики. Таким образом наследие Ландау, методики и навыки, передавалось из поколения в поколение. Более того, некоторые видные физики-теоретики постоянно тесно сотрудничали с самим Ландау, а затем — и с его учениками и в итоге стали считать Льва Давидовича своим учителем, даже не сдав ему теорминимума.
Скрижали Ландау
Достижения в области теорфизики не ограничиваются теми десятью, что были нанесены на знаменитые мраморные скрижали, созданные специально к юбилею выдающегося физика. К этому десятку можно легко добавить еще столько же. Сложность лишь в том, что многие достижения Ландау, как и любые другие фундаментальные исследования, понятны лишь специалистам, что снижает осознание того, как важны они для современной науки.
В 1928 году Ландау ввел понятие матрицы плотности, которое в настоящее время широко используется в квантовой статистике и механике.
С его помощью удалось наиболее полно описать самые сложные системы. К слову сказать, современники Ландау говорили, что сам Лев Давидович считал это открытие самым выдающимся из всех. Однако тем более странным кажется факт, что даже в своем легендарном труде — цикле книг по теоретической физике, написанных совместно с Е. М. Лифшицем, — он уделил ему мало внимания и не оспаривал первенство открытия с венгро-американским математиком Джоном фон Нейманом. Забавное совпадение: математическая формула этого открытия, расположенная первой на левой скрижали, имеет техническую ошибку.
Талантливый физик создал квантовую теорию диамагнетизма (свойство вещества намагничиваться) электронного газа и рассчитал эту величину для свободных электронов в металлах. Теперь данное явление известно как «диамагнетизм Ландау».
До ученого были широко исследованы так называемые фазовые переходы первого рода, когда вещество из твердого тела переходит в жидкое, а затем — в газообразное (например, в системе «лед — вода — пар»). Однако не были известны переходы между двумя одинаковыми агрегатными состояниями (то есть существования одного и того же вещества в двух модификациях, но в одном агрегатном состоянии). Когда такие переходы были открыты (например, нормальный металл — сверхпроводящий металл, обычный гелий — сверхтекучий гелий), их назвали фазовыми переходами второго рода. Ландау показал, что при изменении температуры при переходе из одного такого состояния в другое скачкообразно изменяется лишь параметр, который не влияет на агрегатное состояние (симметрия тела), а другие параметры меняются плавно.
Вместе с этим он создал количественную теорию таких фазовых переходов.
К следующему важному достижению ученого следует отнести введение понятия полярона — электрона с крайним энергетическим состоянием.
Хотя поляроны пока не обнаружены экспериментально, идея о том, что элементарный заряд может быть расположен в определенном месте решетки кристалла, оказалась очень полезной. Так был открыт эффект расположения не самого электрона, а так называемой дырки (места, где должен быть расположен электрон, но его там нет, поэтому оно оказывается положительно заряженным). Такие дырки играют важную роль в процессах люминесценции, туннельных эффектах, запоминании информации в кристалле.
На счету Льва Давидовича также полуфеноменологическая теория сверхпроводимости, названная позже теорией Гинзбурга — Ландау. За нее в 2003 году Виталий Лазаревич Гинзбург получил Нобелевскую премию.
Более того, на ее основе были развиты другие работы в данной области, а авторы этих исследований также были отмечены Нобелевскими премиями. Отношение Ландау к этому открытию некоторые могут посчитать косвенным, однако именно его удивительно правильное предсказание обеспечило учению универсальность.
Гелий сверхтекучий
Самая блестящая работа Ландау — теория сверхтекучести гелия-2. Она позволила объяснить одно из самых загадочных физических явлений XX века, открытое Петром Леонидовичем Капицей, и создать абсолютно новый раздел теорфизики — физику квантовых жидкостей. Когда Лев Давидович принялся за разработку теории сверхтекучести, эксперименты Капицы с жидким гелием уже шли полным ходом. В процессе было обнаружено, что газообразный гелий переходит в жидкое состояние при охлаждении до температуры ниже 4,2 К (примерно –269 °С). Такое состояние назвали гелием-1. Далее наблюдаемый Капицей эффект выглядел фантастически. Охлаждение до температуры ниже 2,17 К переводило гелий в другое состояние (тоже жидкое), названное гелий-2 и демонстрирующее необычные свойства. Гелий-2 протекает сквозь мельчайшие отверстия так легко, словно у него отсутствует вязкость, он поднимается по стенке сосуда, как будто сила тяжести на него не действует, а теплопроводность его в таком состоянии на порядки превышает теплопроводность меди.
Однако в ходе опытов было установлено, что гелий-2 не обладает нулевой вязкостью.
Исследователи никак не могли объяснить этот эффект не только с точки зрения физики микрочастиц, но даже с позиции здравого смысла.
Ландау блестяще справился с этой задачей, построив квантовую теорию макросистемы. Это первый случай в истории, когда наблюдаемое невооруженным глазом явление было описано квантовыми методами, которые в то время применяли лишь к объектам микромира (атомам, электронам и др.). Предложенная теория сверх текучести стала основой для теории сверхпроводимости. Ландау принял факт перехода гелия в сверхтекучее состояние за фазовый переход второго рода (с сохранением агрегатного состояния, переход жидкости в жидкость, но с другими «внутренними» свойствами). Он рассмотрел новое состояние гелия не как жидкость, состоящую из отдельных атомов, а как квантовую систему, в которой невозможно различить отдельные атомы. При приближении к абсолютному нулю взаимодействие между такими атомами постепенно утрачивается (отсутствуют вязкость и трение). Вблизи абсолютного нуля (1,8 К) две формы гелия (гелий-1 и сверхтекучий гелий-2) сосуществуют, при этом сверхтекучий как бы растворен в нормальном. В таком состоянии при отсутствии трения у частиц гелия-2 общая вязкость очень мала.
Разработка термоядерной бомбы
Лев Ландау входил в число тех физиков, которые реально понимали потенциал использования атомной энергии. Он был противником разработки термоядерного оружия.
«Надо употребить все силы, чтобы не войти в гущу атомных дел», — говорил физик. Однако он оказал, хотя и вынужденно, большую услугу Сталину и стране, приняв участие в Атомном проекте советского государства 1947–1953 годов.
Страна и ее руководитель не остались в долгу: услуги Ландау оценили в две Сталинские премии и Золотую Звезду Героя.
Многие знают о роли в атомном проекте Курчатова, в термоядерном — Сахарова, однако почти никто не может толком сказать о роли Ландау.
Он руководил группой по расчету создаваемого оружия, задача которой заключалась в том, чтобы рассчитать процессы, что будут происходить при атомном взрыве, включая так называемый КПД (коэффициент полезного действия), описывающий эффективность бомбы. На основании исходных данных следовало рассчитать, что произойдет в течение долей секунды.
Несложно представить, какой это был огромный труд, так как даже упрощенные уравнения для атомной бомбы, полученные физиками-теоретиками, требовали для решения немало времени, в основном из-за того, что расчеты проводились почти полностью вручную. Вычислительное бюро того времени представляло собой отдел из 20–30 девушек с немецкими электрическими арифмометрами. Соответствие расчетов и результатов первых испытаний получилось очень высоким. По итогам работы участников проекта буквально осыпали наградами. Кроме скрупулезных расчетов внутренняя интуиция часто подсказывала Ландау правильное направление работы. При трудностях, возникавших в ходе реализации одного из вариантов водородной бомбы, именно позиция Ландау заставила отказаться от него, не топтаться на месте. Авторитет его был настолько высок, что если ученый думал, что проект не стоит разработки, то даже самые ярые защитники в итоге соглашались с ним.
Перед смертью Ландау сказал: «Я неплохо прожил жизнь. Мне всегда все удавалось».
Как и многое, что говорил Ландау, это звучит немного дерзко, но правдиво. Он был баловнем теоретической физики: еще на заре научной деятельности сожалел, что многое решено до него, но впоследствии сам открыл несоизмеримо больше. Ландау одним из первых советских физиков получил Нобелевскую премию и выпустил из стен своей научной школы целую плеяду отечественных ученых — Нобелевских лауреатов. Он был Учителем с большой буквы и воспитал таких же Учеников.
Краткая биография
Лев Давидович Ландау родился 9 (22) января 1908 года в городе Баку в семье инженера-нефтяника. С 1916-го учился в еврейской гимназии. В 14 лет поступил в Бакинский университет, где обучался одновременно на двух факультетах: физико-математическом и химическом. За особые успехи был переведен в Ленинградский университет. Окончив в 1927 году его физическое отделение, Ландау стал аспирантом и начал работать над магнитной теорией электрона и квантовой электродинамикой в Ленинградском физико-техническом институте. В 1926–1927 годах опубликовал первые работы по теоретической физике. Продолжил образование в 1929-м — отправился в научную командировку за рубеж, где работал с ведущими физиками-теоретиками, в том числе с Нильсом Бором.
В 1931-м вернулся в Ленинград, через год переехал в Харьков, где возглавил теоретический отдел Украинского физико-технического института. В 1934-м Академия наук СССР присуждает Ландау ученую степень доктора физико-математических наук без защиты диссертации, а через год — звание профессора. В 1935-м он создал серию учебников — исчерпывающий курс теорфизики. С 1937 года руководил аналогичным отделом Института физических проблем (ИФП) АН СССР в Москве. Однако весной 1938-го Ландау арестовали за антисоветскую агитацию. В тюрьме он провел год и был выпущен по просьбе видных ученых Бора и Капицы. После освобождения до самой смерти Лев Давидович был сотрудником ИФП. Летом 1941 года ИФП эвакуировали в Казань. Как и все остальные сотрудники, Ландау выполнял оборонные заказы: строил теории и производил расчеты процессов, определяющих боеспособность вооружения.
После войны в «Докладах Академии наук» опубликовал три статьи по детонации взрывчатых веществ. На протяжении следующих 15 лет занимался поиском решений самых разнообразных задач. Зимой 1962-го попал в автокатастрофу. В результате много численных переломов, кровоизлияния и травмы головы он находился в течение 59 дней в коме. Спасти ученого удалось, но он перестал заниматься научной деятельностью. Умер 1 апреля 1968 года.