научная статья по теме ВЕЛИКИЙ УНИВЕРСАЛ XX ВЕКА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЕЛИКИЙ УНИВЕРСАЛ XX ВЕКА»

Великий универсал XX века

Академик С.С.Герштейн

Институт физики высоких энергий Протвино

Один из крупнейших физиков прошедшего ХХ в. Лев Давидович Ландау был в то же время величайшим универсалом, внесшим фундаментальный вклад в самые различные области: квантовую механику, физику твердого тела, теорию магнетизма, теорию фазовых переходов, ядерную физику и физику элементарных частиц, квантовую электродинамику, физику низких температур, гидродинамику, теорию атомных столкновений, теорию химических реакций и ряд других дисциплин.

Фундаментальный вклад в теоретическую физику

Способность охватить все разделы физики и глубоко проникнуть в них является характерной чертой его гениальности. Она ярко проявилась в созданном Л.Д.Ландау в сотрудничестве с Е.М.Лифшицем уникальном курсе теоретической физики, последние тома которого были завершены по плану Ландау его учениками Е.М.Лифшицем, Л.П.Питаевским и В.Б.Бере-стецким. Ничего подобного не существует во всей мировой литературе. Полнота изложения в сочетании с четкостью и оригинальностью, единый подход к проблемам и органическая связь различных томов сделали этот курс настольной книгой для многих поколений физиков различных стран, от студентов до профессоров. Будучи переве-

© Герштейн С.С., 2008

ден на многие языки, курс оказал огромное влияние на уровень теоретической физики во всем мире. Несомненно, он сохранит свое значение и для ученых будущего. Небольшие дополнения, связанные с новейшими данными, могут вноситься, как это уже делалось, при последующих изданиях.

В короткой статье невозможно упомянуть все результаты, полученные Ландау. Остановлюсь лишь на некоторых из них*.

Еще обучаясь в Ленинградском университете, Ландау и его близкие тогда друзья Георгий Га-мов, Дмитрий Иваненко и Матвей Бронштейн с восторгом встретили появление статей В.Гейзенберга и Э.Шредингера, в которых содержались основы квантовой механики. И почти сразу же 18-летний Ландау вносит фундаментальный вклад в квантовую теорию — вводит понятие матрицы плотности в качестве метода для полного квантово-механического описания систем, являющихся частью более крупной системы. Это понятие стало основным в квантовой статистике.

Вопросами применения квантовой механики к реальным физическим процессам Ландау занимался в течение всей своей жизни. Так, в 1932 г. он указал, что вероятность переходов при атомных столкно-

* Хорошим кратким обзором может служить книга А.А.Абрикосова «Академик Ландау» (М., 1965), а также статьи Е.М.Лифшица в «Собрании трудов Л.Д.Ландау» (М., 1969) и книге «Воспоминания о Л.Д.Ландау» (М., 1988).

Фото 40-х годов.

вениях определяется пересечением молекулярных термов, и вывел соответствующие выражения для вероятности переходов и предиссоциации молекул (правило Ландау—Зинера— Штюкельберга). В 1944 г. он (совместно с Я.А.Смородин-ским) разработал теорию «эффективного радиуса», позволяющую описать рассеяние медленных частиц короткодействующими ядерными силами безотносительно конкретной модели последних.

Фундаментальный вклад внесли работы Ландау в физику магнитных явлений. В 1930 г. он установил, что в магнитном поле свободные электроны в металлах имеют, согласно квантовой механике, квазидискретный спектр энергий, и благодаря

этому возникает диамагнитная (связанная с орбитальным движением) восприимчивость электронов в металлах*. В малых магнитных полях она составляет одну треть их парамагнитной восприимчивости, определяемой собственным магнитным моментом электрона (связанным со спином). Одновременно он указал, что в реальной кристаллической решетке это соотношение может измениться в пользу диамагнетизма электронов, а в сильных полях при низких температурах должен наблюдаться необычный эффект: осцилляция магнитной восприимчивости. Этот эффект через несколько лет был обнаружен экспериментально; он известен под именем эффекта де Гааза — ван Альфена. Уровни энергии электронов в магнитном поле получили название уровней Ландау.

Определение их при разных ориентациях магнитного поля позволяет найти поверхность Ферми (изоэнергетическую поверхность в пространстве ква-зимпульсов, отвечающую энергии Ферми) для электронов в металлах и полупроводниках. Общая теория для этих целей была разработана учеником Ландау И.М.Лифшицем и его школой. Таким образом, работа Ландау по электронному диамагнетизму заложила основы для всей современной деятельности по установлению электронных энергетических спектров металлов и полупроводников. Отметим также, что наличие уровней Ландау оказалось решающим для интерпретации квантового эффекта Холла (за открытие и объяснение которого в 1985 и 1998 гг. были присуждены Нобелевские премии).

В 1933 г. Ландау ввел понятие об антиферромагнетизме как особой фазе вещества. Незадолго до него французский физик Л.Неель предположил, что могут существовать вещества,

* Классический газ свободных носителей заряда не должен обладать диамагнетизмом.

которые при низких температурах состоят из двух спонтанно намагниченных в противоположных направлениях кристаллических подрешеток. Ландау указал, что переход в это состояние при понижении температуры должен происходить не постепенно, а при вполне конкретной температуре как особый фазовый переход, при котором меняется не плотность вещества, а симметрия. Эти идеи были блестяще использованы учеником Ландау И.Е.Дзя-лошинским для предсказания существования новых типов магнитных структур — слабых ферромагнетиков и пьезомаг-нетиков — и указания симметрии кристаллов, в которых они должны наблюдаться. Совместно с Е.М.Лифшицем в 1935 г. Ландау развил теорию доменной структуры ферромагнетиков, впервые определил их форму и размеры, описал поведение восприимчивости в переменном магнитном поле и, в частности, явление ферромагнитного резонанса.

Важнейшее значение для теории различных физических явлений в веществах имеет общая теория фазовых переходов II рода, построенная Ландау в 1937 г. Ландау обобщил подход, использованный для антиферромагнетиков: любые фазовые превращения связаны с изменением симметрии вещества и поэтому фазовый переход должен происходить не постепенно, а в определенной точке, где скачком меняется симметрия вещества. Если при этом не меняется плотность и удельная энтропия вещества, фазовый переход не сопровождается выделением скрытой теплоты. В то же время скачком меняется теплоемкость и сжимаемость вещества. Такие переходы и получили название переходов II рода. К ним относятся переходы в ферромагнитную и антиферромагнитную фазу, переходы в сегнетоэлектрик, структурные переходы в кристаллах и переход металла в сверхпроводящее

состояние в отсутствие магнитного поля. Ландау показал, что все эти переходы можно описать с помощью некоторого структурного параметра, отличного от нуля в упорядоченной фазе ниже точки перехода и равного нулю выше нее.

В работе В.Л.Гинзбурга и Л.Д.Ландау «К теории сверхпроводимости», выполненной в 1950 г., в качестве такого параметра, характеризующего сверхпроводник, была выбрана функция играющая роль некоторой «эффективной» волновой функции сверхпроводящих электронов. Построенная полуфеноменологическая теория позволила вычислить поверхностную энергию на границе нормальной и сверхпроводящей фазы и хорошо согласовалась с экспериментом. Исходя из этой теории, А.А.Абрикосов ввел понятие двух типов сверхпроводников: I рода — с положительной поверхностной энергией — и II рода — с отрицательной. Большинство сплавов оказалось сверхпроводниками II рода. Абрикосов показал, что магнитное поле проникает в сверхпроводники II рода постепенно путем особых квантовых вихрей и поэтому переход в нормальную фазу затягивается до весьма высоких значений напряженности магнитного поля. Именно такие сверхпроводники с критическими параметрами получили широкое применение в науке и технике. После создания макроскопической теории сверхпроводимости Л.П.Горьков показал, что уравнения Гинзбурга—Ландау следуют из микроскопической теории, и выяснил физический смысл использованных в них феноменологических параметров. Общая теория описания сверхпроводимости вошла в мировую науку под аббревиатурой ОЬАО — Гинзбург— Ландау—Абрикосов — Горьков. В 2004 г. Гинзбургу и Абрикосову была присуждена за нее Нобелевская премия.

Одной из самых замечательных работ Ландау стала создан-

ная им теория сверхтекучести, объяснившая открытое П.Л.Капицей явление сверхтекучести жидкого гелия-4. По мысли Ландау, атомы жидкого гелия, тесно связанные между собой, образуют при низкой температуре особую квантовую жидкость. Возбуждения этой жидкости представляют собой звуковые волны, которым соответствуют квазичастицы — фононы. Энергия фононов е представляет энергию всей жидкости, а не отдельных атомов, и должна быть пропорциональна их импульсу р: е(р) = ср (где с — скорость звука). При температурах вблизи абсолютного нуля эти возбуждения не могут возникнуть, если жидкость течет со скоростью, меньшей скорости звука, и, таким образом, она не будет обладать вязкостью. Вместе с тем, как считал Ландау в 1941 г., наряду с потенциальным течением жидкого гелия возможно вихревое. Спектр вихревых возбуждений должен был быть отделен от нуля некоторой «щелью» А и иметь вид

р

е г = А +

Он назвал это вторым звуком и предсказал его скорость. Открытие второго звука в превосходных экспериментах В.П.Пешкова было блестящим подтверждением теории. Однако Ландау насторожило небольшое различие между наблюдаемой и предсказанной им скоростью второго звука. Проведя анализ, он в 1947 г. заключил, что вместо двух ветвей спектра возбуждений — фононной и ротонной — должна существовать единая зависимость энергии возбуждения от импульса квазичастицы, которая при малых импульсах возрастает линейно с импульсом (фононы), а при некотором значении импульса (ро) имеет минимум и может быть представлена вблизи него в виде

е г = А +

(р - ро)2 2Ц

где ц — эффективная масса квазичастицы, соответствующей возбуждению. По предложению И.Е.Тамма Лев Давидович назвал эту частицу ротоном. Используя спектр квазичастиц, он нашел температурную зависимость теплоемкости жидкого гелия и получил уравнения ги

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком