Текст книги "Круг Ландау"
Автор книги: Борис Горобец
Жанр:
Биографии и мемуары
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 40 страниц)
Глава 5
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ
5.1. Гений физики
Некролог в «Правде»
3 апреля 1968 г. в главной газете Советского Союза «Правде» был опубликован некролог с портретом Л.Д. Ландау.
В некрологе было, в частности, написано следующее:
«Умер человек, составляющий гордость нашей науки, один из крупнейших физиков современности. <…> Диапазон его научной деятельности необычайно широк и разнообразен – от специальных вопросов физики твердого тела до проблем квантовой теории поля. Особое место в достижениях Льва Давидовича занимает создание им новой области науки – теории квантовых жидкостей, роль которой для теоретической физики в целом с годами все возрастает. Но не менее важна роль, которую сыграл Лев Давидович в создании советской школы теоретической физики. Для каждого физика, нуждавшегося в его совете или критике, у Льва Давидовича находилось время. Этот тесный научный контакт имел большое значение в установлении особого стиля и высокого уровня теоретической физики в нашей стране. В научных дискуссиях Лев Давидович сочетал глубокую принципиальность и научную непримиримость с истинной доброжелательностью. Выдающийся ученый, он был также и отзывчивым человеком и горячим общественником. <…> Лев Давидович Ландау много сил отдавал решению практических задач, которые страна ставила перед физиками».
В последней фразе имелась в виду роль, которую Л.Д. Ландау вместе с группой своих учеников сыграл в Советском Атомном проекте.
Некролог был подписан высшим руководством СССР: Генеральным секретарем ЦК КПСС Л.И. Брежневым, Председателем Совета министров СССР А.Н. Косыгиным, Председателем Президиума Верховного Совета СССР Н.В. Подгорным, всеми членами Политбюро ЦК КПСС, Президентом АН СССР М.В. Келдышем, другими руководителями Академии наук СССР, ведущими физиками страны. Текст некролога готовили в день смерти Л.Д. Ландау в Институте физических проблем его ближайшие сотрудники во главе с Е.М. Лифшицем. Оттуда он пошел в Президиум АН СССР и далее в Отдел науки ЦК КПСС. В последнем было решено, что уровень и роль беспартийного Л.Д. Ландау в советской науке настолько велика, что некролог должен быть напечатан в главном органе коммунистической партии. Все это еще раз подтверждало высшую оценку заслуг «инакомыслящего» Ландау перед Советским государством, ранее наградившим его званием Героя Социалистического Труда, тремя орденами Ленина, Ленинской и тремя Сталинскими премиями[31]31
Такие официальные почести крупнейшим ученым больше в России не воздают (см. далее в примечании к подразделу о Е.М. Лифшице).
[Закрыть].
О предмете «Теоретическая физика»
В книге о великом физике, разумеется, нельзя избежать самой физики в той ее части, тех открытиях и формулах, которые явились главными продуктами их творца. Но сделать это в данном случае очень непросто. Понимание методов и результатов теоретической физики требует многолетней специальной подготовки, в частности, по математике. Теоретическая физика по-настоящему доступна лишь узкой группе профессионалов, которых во всем мире насчитывается порядка нескольких тысяч человек. Поэтому для нефизиков, наверное, следует пояснить в нескольких словах, чем теоретическая физика занимается.
Схематично можно сказать, что теоретическая физика – (1) объясняет непонятные результаты экспериментов и (2) предсказывает неизвестные свойства материи и полей, опережая эксперимент. Ее объекты исследования – от квантов и элементарных частиц до Вселенной. Работа проводится с помощью огромного и очень сложного математического аппарата. В этой связи заметим, что не следует путать теоретическую физику с математической физикой. Последняя – важный раздел математики; он оперирует с дифференциальными уравнениями, которые решают в частных производных с различными краевыми условиями; решения получают в виде различных систем специальных функций (Бесселя, Лежандра и т. д.). Теоретическая физика гораздо шире. По своей природе это – прежде всего физика. Математика же, хоть и абсолютно необходима, но вторична, ее «подбирают» под решаемую задачу. Причем нередко математических способов решения бывает несколько.
Примером задачи первого типа, решенной Ландау, является его наивысшее достижение – объяснение сверхтекучести гелия, удостоенное Нобелевской премии. В других областях физики Ландау выяснил детальный механизм ферромагнетизма, структуру промежуточного состояния сверхпроводников, причину нарушения четности при некоторых ядерных реакциях и многое другое. Примерами задач второго типа служат предсказание Ландау неизвестных явлений: диамагнетизма электронов в магнитном поле, затухания электромагнитных волн в плазме в отсутствие «трения» (столкновений) электронов, возникновения второй ударной волны при взрыве. Им построена теория квантовой ферми-жидкости. Последнее вскоре позволило его ученику Л.П. Питаевскому предсказать сверхтекучесть «гелия-три» (изотопа с двумя протонами и одним нейтроном). Позже англо-американец Дж. Легетт раз вил эту теорию для весьма сложного случая частиц с целым спином, равным 1 (а не нулю!), и получил за это Нобелевскую премию в тройке с В.Л. Гинзбургом (за общую макроскопическую теорию сверхпроводимости) и А.А. Абрикосовым (за теорию сверхпроводников второго рода).
Правильная теория, созданная для объяснения неизвестного явления, позволяет предсказать другие явления, которые затем обнаруживают при целенаправленных экспериментах. Так, теория сверхтекучести позволила предсказать, например, возможность возбуждения в сверхтекучем гелии продольных волн «второго звука» с совершенно необычными свойствами (предсказанного Е.М. Лифшицем и обнаруженного затем на опыте В.П. Пешковым). Но есть задачи теоретической физики, которые в принципе невозможно проверить в опытных условиях на Земле. Это задачи, относящиеся к космологии и астрофизике. Невозможно, например, воспроизвести в прямых экспериментах прошлое нашей Вселенной, убедиться в сверхтекучести в нейтронных звездах. Тем не менее, теоретикам удалось построить непротиворечивые теории этих состояний, которые согласуются с существующими общепринятыми теориями и законами (общей теорией относительности, законами сохранения), и подтверждаются всеми имеющимися опытными фактами (расширение Вселенной, реликтовое излучение и др.).
Ландау был последним универсалом среди физиков-теоретиков, он работал по всему широчайшему фронту этой науки. Между тем, дальнейшая все более узкая профессионализация привела к тому, что даже если физик-теоретик работает в области космологии и астрофизики, то он мало разбирается в теории твердого тела или в вопросах гидродинамики или ядерной физики.
А вот еще одно нетривиальное наблюдение, высказанное А.А. Абрикосовым: «…Дау никогда не “приписывался” к чужим работам. Сейчас очень распространилась тенденция, чтобы ученики включали своего научного руководителя, зав. лабораторией, директора института и т. п. в соавторы. Соавторство Дау означало, что а) идея работы в значительной степени принадлежит ему и б) он реально участвовал в расчетах. Если хотя бы одно из этих условий не было выполнено, то он от соавторства отказывался. Если бы это было не так, то число его работ (примерно 120) надо было бы увеличить в 30–40 раз, ведь все его ученики приносили ему свои работы и не было случая, чтобы он что-то в них не внес» [Воспоминания..., 1988. С. 37].
Строго говоря, это так. Ландау к чужим законченным работам свое имя никогда не приписывал… Но можно ли поставить вопрос чуть шире: не бывало ли так что Ландау перехватывал идеи, которыми с ним делились ученики, а затем мгновенно их развивал и публиковал только от своего имени? По крайней мере, истории с принципом комбинированной четности и с фононами в сверхтекучем гелии, рассказанные соответственно Б.Л.Иоффе и А.Б. Мигдалом (см. далее), позволяют поставить здесь знак вопроса.
Две скрижали: 10 высших достижений Ландау
Для освещения основных достижений Ландау в теоретической физике необходимо выбрать концепцию, следуя которой попытаться хотя бы обозначить их ключевыми словами (понятиями) на научно-популярном языке, доступном, скажем, для заинтересованных студентов физико-математических и, может быть, технических специальностей. В какой-то степени при решении этой задачи можно использовать страницы воспоминаний о творчестве Ландау, написанные Е.М. Лифшицем в статье, с которой начинается книга «Воспоминания о Л.Д. Ландау» [1988]. Однако изложение Лифшица все же достаточно специальное, хотя некоторые места из его текста ниже использованы.
В качестве стержневой схемы при перечислении научных достижений Ландау воспользуемся так называемыми Скрижалями Ландау (см. фото во вклейке). Они были изготовлены к его 50-летию. Академик И.К. Кикоин преподнес юбиляру мраморные скрижали от имени Института атомной энергии имени И.В. Курчатова. На них выгравированы «10 заповедей» Ландау в виде 10 формул главных его открытий. Фотографии этих скрижалей несколько раз появлялись в научно-популярных журналах, в т. ч. в «Сайентифик Америкен», так что в каком-то смысле они канонизированы историографами Ландау. Сейчас Скрижали находятся в мемориальном музее П.Л. Капицы при Институте физпроблем в Москве, на улице Косыгина.
В 1968 г. журнал «Природа» (№ 1) опубликовал фотографию этих скрижалей и комментарии И.К. Кикоина к 10-ти «заповедям». Приводим ниже эти комментарии без сокращений и правки как цитаты (в кавычках). Однако и они слишком трудны для восприятия нефизиками; по-видимому, это явилось причиной того, что в ряде случаев Кикоин ограничивается общими фразами, кратко называя открытие Ландау, не поясняя его физической сущности, лишь добавляя, что оно сейчас широко используется в физике. Поэтому мы приводим свои упрощенные и несколько более широкие пояснения, которые, как надеемся, сделают чуть понятнее то, о чем идет речь в конкретных пунктах на Скрижалях (эти пояснения даны после слов Кикоина без кавычек).
Кроме того, некоторые важные достижения Ландау не вошли в Скрижали. То ли это произошло, потому что авторы подарка не хотели выходить за рамки именно 10-ти заповедей, то ли по другим каким-то причинам… Так или иначе, постараемся восполнить этот пробел, создав третью «скрижаль».
Что же выписано на двух канонических Скрижалях, подаренных Ландау?
1. «Л.Д. Ландау в 1928 году впервые ввел понятие матрицы плотности, которое широко используется в современной квантовой статистике и просто в квантовой механике».
В 1927 г. Лев Ландау, на несколько месяцев раньше И. фон Неймана, ввел в квантовую механику понятие матрицы плотности, с помощью которой развил способ наиболее общего квантово-механического описания сложных систем. До этого почти вся квантовая механика имела дело лишь с так называемыми чистыми состояниями, которые относились к простейшим системам частиц, описываемых посредством волновых функций. В этих случаях в принципе известно, какие нужно провести измерения, чтобы достоверно определить координаты и импульсы частиц, определяемые данными волновыми функциями, в частности, квантовыми числами как их собственными значениями. Но если рассматриваемая система является частью более общей замкнутой системы, то она не может быть в принципе описана волновой функцией как функцией от координат частной системы. Необходимо еще учитывать зависимость волновой функции от координат большей системы. Это требует интегрирования функций по координатам последней. Однако учесть полный набор состояний большей системы, как правило, невозможно. Поэтому, в отличие от чистых состояний «простых» систем, в квантовой статистике вычисляют смешанные состояния, характеризуемые не волновой функцией, а матрицей плотности. Она состоит из ряда элементов, располагаемых в виде таблицы, в которой строки и столбцы задаются квантовыми числами системы, определяющими ее энергетические состояния. Вычисление элементов матрицы плотности происходит путем интегрирования по довольно сложным правилам. Зная матрицу плотности сложной системы, можно вычислить средние значения физических величин, характеризующих частную систему внутри общей системы.
Интересное соображение высказали теоретики-фиановцы из ИОФАН. По их сведениям, сам Ландау считал матрицу плотности своим высшим достижением в физике (по другим источникам – теорию сверхтекучести, что нам кажется более естественным, во всяком случае она – более знаменита; однако упомянутые физики сказали мне, что они это слышали от самого Ландау). Фиановцы отмечают также, что в основной части зарубежной литературы матрицу плотности считают заслугой фон Неймана. Лже-приоритет последнего полагается исключительно на основании известного эффекта «Adopted by repetition», а не первоисточников. По словам профессора В.И. Манько, удивительно, что приоритет Ландау не подчеркнут даже в Курсе Ландау и Лифшица. Там в томе 3 матрице плотности посвящено всего полстраницы. Непонятная скромность Ландау, вследствие которой о его приоритете не знал до последнего времени даже Л.П. Питаевский! В разговоре с В.И. Манько летом 2005 г. он признался, что первоисточников тоже не смотрел, а исходил только из того, что написано в томе 3 Курса и считал, что матрицу плотности первично ввел фон Нейман. Между тем, сам фон Нейман признавал приоритет Ландау, правда, не слишком это акцентировал в своих ссылках. Однако В.И. Манько, а также Б.Д. Рубинский меня заверили, что они своими глазами читали первые статьи как Ландау, гак и фон Неймана на эту тему, и приоритет нашего ученого бесспорен. При этом В.И. Манько даже добавил, что, по его впечатлению, фон Нейман писал свою статью, уже зная о результате Ландау.
В заключение этого пункта отметим техническую ошибку гравера: на левой скрижали в первой формуле отсутствует буква t – время в показателе степени.
2. «Л.Д. Ландау принадлежит честь создания квантовой теории диамагнетизма электронного газа. Квантовые уровни, отвечающие движению электрона в магнитном поле, называются теперь “уровнями Ландау”, а само явление – “диамагнетизмом Ландау”».
Диамагнетизм – свойство вещества намагничиваться (приобретать магнитный момент) в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Он был известен давно и присущ любым веществам. В 1930 г. Ландау предсказал и рассчитал величину диамагнетизма свободных электронов в металлах, рассматриваемых как электронный газ в зоне проводимости. Этот вид диамагнетизма имеет чисто квантовый характер. Он возникает благодаря движению электрона во внешнем магнитном поле по спиральным орбитам, которые подвергаются квантованию. Некоторые дискретные ориентации орбитального магнитного момента (они образуют уровни Ландау) направлены против внешнего магнитного поля и создают в сумме довольно слабый диамагнитный эффект. Диамагнитный момент электрона составляет 1/3 его парамагнитного момента. Поскольку последний может быть измерен по электронному парамагнитному резонансу, то диамагнитную составляющую можно вычислить как разность полного и парамагнитного моментов электрона. В некоторых веществах диамагнетизм Ландау весьма велик, например, в висмуте и монокристаллах графита, выращенных в виде гексагональных призм.
3. «Одно из наиболее интересных явлений в физике конденсированных состояний – фазовые переходы 2-го рода, т. е. переходы, при которых скачкообразно меняется только симметрия. Л.Д. Ландау развил термодинамическую теорию фазовых переходов 2-го рода, широко использующуюся в современной физике».
Были известны и хорошо исследованы фазовые переходы 1-го рода: твердого тела в жидкое и далее в газообразное состояние. Они сопровождаются выделением или поглощением скрытой теплоты плавления или испарения. Фазовых переходов в пределах жидкого состояния тела, т. е. сосуществования двух жидких фаз одного и того же вещества не было известно. Фазовые переходы 2-го рода это переходы: парамагнетик – ферромагнетик или антиферромагнетик (понятие антиферромагнетизма также ввел в физику Ландау); параэлектрик – сегнетоэлектрик; нормальный металл – тот же сверхпроводящий металл; нормальный гелий – сверхтекучий гелий. Ландау показал, что в точке фазового перехода 2-го рода скачком меняется симметрия тела, тогда как агрегатное состояние и другие «обычные» параметры состояния тела меняются плавно (без скачка) с изменением температуры. Он выяснил термодинамически допустимые типы симметрии для конкретных переходов, создав количественную теорию фазовых переходов 2-го рода.
4. «То обстоятельство, что ферромагнетик обладает доменной структурой, известно очень давно. Однако только в 1935 г. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицу удалось найти закономерности, описывающие размер домена, характер поведения магнитного момента на границе между доменами и особенности структуры домена вблизи свободной поверхности ферромагнетика».
Домен – по-русски значит область. В железе и ряде других металлов и сплавов существуют крупные (макроскопические) домены, клиньями выходящие на поверхность. Каждый из них имеет свой магнитный момент, являющийся суммой магнитных моментов электронов в домене. У любой пары соседних доменов моменты направлены в противоположные стороны, поэтому железо вне магнитного поля проявляет слабую намагниченность. При включении внешнего поля все домены скачком ориентируются по полю, в результате чего кусок железа с силой притягивается к магниту. Ландау и Лифшиц выяснили форму доменов внутри объема и в приповерхностном слое ферромагнетика (см. их изображение на левой скрижали, на фото во вклейке), их размеры, наличие промежуточных слоев между доменами, их термодинамическую природу и поведение.
5. «В произвольном по форме сверхпроводнике при помещении в магнитное поле возникает своеобразное состояние, которому отвечает возникновение чередующихся слоев сверхпроводящей и нормальной фаз. Ландау впервые развил теорию этого так называемого промежуточного состояния и решил вопрос о геометрии таких слоев».
Понятие о промежуточном состоянии было введено Р.Пайерлсом и Ф.Лондоном в 1936 г. для описания постепенного перехода тела из сверхпроводящего в нормальное состояние при помещении его в магнитное поле. Но природа промежуточного состояния оставалась неизвестной. В 1937—38 гг. Ландау показал, что это состояние не является новой фазой, а представляет собой переслаивание сверхпроводящей и нормальной фаз. При выходе на поверхность слои испытывают множественное расслоение, что является термодинамически более выгодным.
6. «Ландау построил статистическую теорию ядер на очень раннем этапе развития ядерной физики. Позднее эта теория получила широкое развитие».
Сам Ландау так пояснял свою теорию: «Если учитывать взаимодействие частиц в ядре, то, конечно, нет никаких оснований рассматривать ядро как “твердое тело”, т. е. как “кристалл”, а следует рассматривать его как “жидкую каплю” из протонов и нейтронов. В отличие от обычных жидкостей в этой жидкости существенную роль играют квантовые эффекты, так как квантовая неопределенность координат частиц внутри ядра значительно больше, чем их взаимные расстояния. Несмотря на то, что мы еще не имеем метода для теоретического исследования “квантовых жидкостей”, можно все же вывести некоторые свойства ядер, применяя к ним статистические соображения».
Как и другие элементарные частицы, нуклоны (протоны и нейтроны) характеризуются набором квантовых чисел, задающих значения их энергии, орбитального вращательного момента, внутреннего вращательного момента – спина – (поэтому все нуклоны есть фермионы), проекций спина на выделенное направление (например, на вектор внешнего магнитного поля), а также четностью (их волновая функция меняет знак при изменении знака координаты). Нуклоны имеют спин, равный 1/2, и входят в семейство частиц с полуцелым спином – фермионов. Поскольку на одном и том же энергетическом уровне не могут находиться два и более фермиона (в силу запрета принципом Паули), то подсчет чисел распределения фермионов по различным уровням в сложной системе (например, в ядре) производится по особой квантовой статистике, которая называется статистикой Ферми (она отличается от статистики для бозонов – частиц с целым спином, подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна).
Нуклоны в ядре взаимодействуют, сталкиваясь друг с другом, что приводит к возмущению, размытию и коллективизации уровней энергии, т. е. возникновению энергетических зон, разделенных запрещенными зонами энергий. Вероятностное описание состояний, движений, столкновений фермионов проводится с помощью статистики Ферми. Ландау первым применил эту статистику к введенной им модели ядерной капли, состоящей из «ферми-жидкости». Это дало толчок к чрезвычайно плодотворному применению статистической физики во всей ядерной физике.
7. «Одна из наиболее блестящих работ Ландау– теория сверхтекучести гелия-И. Работы Ландау в этой области не только объяснили загадочное явление, открытое П.Л. Капицей, но определили создание нового раздела теоретической физики – физики квантовых жидкостей».
Сверхтекучесть гелия, наблюдаемую ниже температуры Тλ = 2,17 (лямбда-точка), открыл в 1938 г. П.Л. Капица. Визуально наблюдавшиеся им явления выглядели фантастически, например, протекание жидкости сквозь стенки сосудов. Физики никак не могли объяснить их не только с позиций здравого смысла, т. е. исходя из представлений классической физики, но и с позиций квантовой физики микрочастиц. В 1941-42 гг. Ландау объяснил явление сверхтекучести, построив квантовую теорию макросистемы, в данном случае жидкого гелия. Это был первый случай в физике, когда макроскопическое явление (наблюдаемое невооруженным глазом) описывалось квантовыми методами, применявшимися до той поры только к микрообъектам. Подобные системы стали называть квантовыми жидкостями. На теории сверхтекучести основывается, в частности, построенная позже теория сверхпроводимости – в ней движущиеся электроны, ответственные за сверхпроводимость, рассматриваются как сверхтекучая квантовая жидкость в металлах.
Принципиальные моменты теории Ландау следующие. Переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние есть фазовый переход 2-го рода, т. е. переход в системе, сохраняющей свое агрегатное состояние (жидкость остается жидкостью), но с изменением некоторых термодинамических ее свойств. Ландау не стал рассматривать низкотемпературный гелий как жидкость, состоящую из отдельных атомов, а рассмотрел его как квантовый коллектив принципиально неразличимых атомов, в котором взаимодействуют два сорта квазичастиц – фононы (кванты звука), передающие энергию и импульс продольных колебаний среды, и кванты вращательных (вихревых) движений жидкости – ротоны. Чем больше температура, тем больше квазичастиц. Их не будет во всем объеме лишь при абсолютном нуле Т = 0 К = —273 °C, что теоретически недостижимо. Если квазичастиц нет, то застывшие атомы всей массы гелия не обмениваются ни энергией, ни импульсом между собой или с внешней средой. Это означает, что нет ни трения, ни вязкости. В этой точке весь гелий должен был бы оказаться сверхтекучим (гелий II). Начиная с абсолютного нуля и до примерно 1,8 К в гелии сосуществуют два неразделимых компонента: сверхтекучий гелий II и нормальный гелий I. В последнем как бы растворен идеальный газ квазичастиц гелия II, которые почти не взаимодействуют друг с другом (ниже лямбда-точки при 1,8 К). Ввиду отсутствия трения у частиц гелия II, вязкость гелия очень мала. При нагревании до лямбда-точки газ квазичастиц полностью утрачивает идеальность ввиду усиления взаимодействия квазичастиц друг с другом и со стенками сосуда – весь гелий становится нормальным вязким гелием I. Ландау показал также, что гелий утрачивает сверхтекучесть и ниже лямбда-точки, если скорость его потока превышает критическое значение. При этом возникают спонтанные завихрения – ротоны, – на образование которых затрачиваются энергия и импульс, что приводит к замедлению жидкости.
8. «Ландау (совместно с А.А. Абрикосовым и И.М. Халатниковым) принадлежат фундаментальные исследования по квантовой электродинамике. Формула выражает связь между физической массой электрона m и “затравочной” массой m1».
Один из основных математических аппаратов квантовой теории поля – это функции Грина, которые описывают распространение полей от порождающих их источников. Так, частным случаем функции Грина является потенциал поля точечного заряда. Ландау с сотрудниками разработан метод вычисления функций Грина для электрона и фотона при очень больших импульсах частиц – асимптотические приближения гриновских функций. Такие приближения позволили найти связь между истинными массой и зарядом электрона и их начальным, «затравочным» значением при любой величине последнего.
9. «В 1956 г. Ландау создал теорию ферми-жидкости – квантовой жидкости, возбуждения которой обладают полуцелым спином. Эта теория получила широкое признание».
Теория квантовых жидкостей, созданная ранее для объяснения сверхтекучести частиц с целым спином – бозонов 4Не II (в ядро которых входят два протона и два нейтрона, каждый со спином 1/2), в дальнейшем была расширена Ландау на случай ферми-жидкостей, состоящих из фермионов (частиц с полуцелым спином). Ландау разработал теорию их поведения с помощью статистики Ферми-Дирака. При сверхнизких температурах в ферми-жидкости фермионы могут спариваться, образуя сверхпроводящий бозе-конденсат. Он состоит из частиц с суммарным нулевым спином, наподобие куперовских пар электронов в сверхпроводниках, подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна. На основе этой теории было предсказано сверхпроводящее состояние жидкого изотопа гелия 3Не, в ядро которого входят два протона и один нейтрон. Это сделал Л.П. Питаевский, который еще в 1958 г. рассчитал температуру перехода указанного изотопа гелия в сверхпроводящее состояние – около 0,002 К. Вскоре это экспериментально подтвердил при почти такой температуре, которая была предсказана, физик из Института физпроблем В.П. Пешков [Андроникашвили, 1980. С. 273].
По мнению некоторых физиков-теоретиков (А.А. Рухадзе и др.), провозвестником этой теории явились более ранние работы В.П Силина по электронным спектрам металлов. Они послужили для Л.Д. Ландау первотолчком, наведя на мысль обобщить эту теорию на жидкости. Впрочем, в статье у Л.Д. Ландау, написанной, как обычно Е.М. Лифшицем, сделана ссылка на статьи B.П. Силина (подробнее об этом см. в Предисловии А.А. Рухадзе к данной книге).
10. «Ландау впервые ввел принцип комбинированной четности, согласно которому все физические системы будут эквивалентными, только если при замене правой системы координат на левую одновременно перейти от частиц к античастицам».
Правая система координат X, Y, Z – это такая система, которая вращается как правый винт: если координатную ось X поворачивать по кратчайшему углу к оси Y против часовой стрелки, то винт, расположенный вдоль оси Z, пойдет вперед, т. е. будет ввинчиваться в пространство; если же оси X, Y поменять местами (как и оси в любой другой паре), то правая система превращается в левую систему координат. Кратчайший поворот от оси X к оси Y приведет к «вывинчиванию» оси Z. Левая система координат является зеркальным отражением правой системы. Операцию отражения называют инверсией пространства. Его легко наблюдать, например, рассматривая отражение в зеркале.
В 1956 г. американской китаянкой By экспериментально было открыто нарушение равноправия левой и правой систем координат в одной из реакций слабого взаимодействия, происходящего с испусканием нейтрино. Ландау «спас» пространственную симметрию, предложив одновременно с зеркальным отражением процесса распада частиц заменять их на античастицы. На встрече со студентами МГУ Ландау примерно так пояснил открытый им принцип: «Вы состоите из частиц. Посмотритесь в зеркало – там вы будете из античастиц». «Но ведь слияние частицы со своей античастицей, как электрона с позитроном, приводит к аннигиляции с выделением фотонов», – сказал один из студентов. «Да, – ответил Ландау, – если бы вы могли слиться со своим отражением, то произошел бы взрыв колоссальной силы. Только это, к счастью, невозможно». В ответе была, конечно, доля шутки, так как отражение человека в зеркале не является материальной заменой его тела на антитело. Но наглядность объяснения была полной.
О человеческих коллизиях в истории открытия несохранения четности см. далее рассказы И.С. Шапиро и Б.Л. Иоффе.
А если добавить третью скрижаль?
Научный гений Ландау не исчерпывается перечисленными 10-ю его достижениями. Поэтому продолжим их список.
11. В 1933 г. Ландау ввел понятие полярона. Это электрон в твердом теле, который, перемещаясь в зоне проводимости, теряет энергию, опускается ко дну зоны и там автолокализуется. Эта локализация происходит в потенциальной яме кристаллической решетки, возникшей вследствие локальной ее поляризации и деформации, вызванной самим электроном. Хотя поляроны как таковые пока не обнаружены экспериментально, но идея автолокализации элементарного носителя заряда в кристалле оказалась чрезвычайно плодотворной. Физики обнаружили явление автолокализации в твердом теле «антиэлектронов», называемых дырками. Дырка это – точечный дефект кристаллической решетки с положительным зарядом. Он возникает вследствие отсутствия в данной точке электрона, который в идеальной решетке там должен быть (отсюда название дырка). Автолокализованные дырки играют решающую роль в таких процессах, как электронный и дырочный типы проводимости, люминесценция, туннельные эффекты, запоминание информации в кристалле.
12. В 1950 г. была опубликована полуфеноменологическая теория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау, квинт-эссенция которой сосредоточена в одноименном уравнении. Интересно было бы обсудить, в какой мере эту теорию и уравнение можно причислить к главным достижениям Ландау. Вопрос немаловажный, так как, во-первых, наконец-то в 2003 г. В.Л. Гинзбург за это был удостоен Нобелевской премии и, во-вторых, на основе данной теории развивались все последующие теоретические работы по сверхпроводимости, в том числе работы авторов, также отмеченных Нобелевскими премиями. Если заносить это достижение на Скрижаль, то, наверное, можно было бы выгравировать на ней основной член уравнения:
– где A = rot Н есть векторный потенциал магнитного поля. Этот член напоминает по форме соответствующий член в знаменитом уравнении Шредингера для электрона. Но у Гинзбурга-Ландау он играет совершенно самостоятельную роль. У них квантово-механическое уравнение применяется не к микрочастице, а к конденсированным системам и объясняет их сверхпроводящее состояние.
