λ Lev LandauФизик-теоретик · Нобель 1962
Физика

От сверхтекучих жидкостей до звёзд

Ни один физик XX века не работал в стольких областях. Ландау оставил своё имя на десятке разделов физики — а отпечатки пальцев на куда большем.

Сверхтекучесть — нобелевская работа

Охладите жидкий гелий ниже 2,17 К — «лямбда-точки» — и происходит нечто сверхъестественное: он становится гелием-II, жидкостью с ровно нулевой вязкостью, которая взбирается по стенкам и протекает сквозь щели, непроходимые для обычной жидкости. В 1941 году Ландау это объяснил. Ключ был в том, чтобы перестать думать об отдельных атомах и описать коллективные квазичастицы жидкости — фононы (кванты звука) и ротоны (вихри большей энергии). Из их энергетического спектра он вывел критическую скорость, ниже которой течение бестрениево, и предсказал совершенно новую волну — «второй звук», позже подтверждённую в лаборатории.

η=1 0 0 K 4 K λ-точка Tᴄ = 2,17 К
━━ параметр порядка η(T)

Теория Ландау 1937 года описывает непрерывный фазовый переход через параметр порядка η, который отличен от нуля в упорядоченной фазе и плавно падает до нуля в критической точке. Проведите температуру через лямбда-точку (2,17 К) и смотрите, как гелий переходит из упорядоченного сверхтекучего в неупорядоченное нормальное состояние.

Фаза:
Параметр порядка η:
0.000

Теория фазовых переходов

Подход Ландау к фазовым переходам второго рода (1937) — одна из самых влиятельных идей в современной физике. Вблизи непрерывного перехода он характеризовал изменение параметром порядка и раскладывал свободную энергию системы в степенной ряд по нему, позволяя симметрии решать, какие члены вообще возможны:

F(η) = F₀ + a(T−Tᴄ)·η² + b·η⁴ + …

Разложение свободной энергии в теории Ландау; симметрия запрещает нечётные члены в симметричной системе.

Минимизация этой свободной энергии описывает и магнетики, и сверхпроводники, и сегнетоэлектрики, и сверхтекучие жидкости — и стала языком спонтанного нарушения симметрии в самом центре современной физики.

Квазичастицы повсюду

Возможно, глубочайшая единственная идея Ландау — квазичастица: что устрашающе сложная система взаимодействующих частиц может вести себя как простой газ новых, «одетых» сущностей. Его теория ферми-жидкости (1956–58) объяснила, почему так хорошо работает картина свободных электронов в металлах; его уровни Ландау (1930) квантуют электроны в магнитном поле и лежат в основе квантового эффекта Холла; его фононы и ротоны — квазичастицы сверхтекучей жидкости.

Созвездие результатов

Мало чьё имя встречается в физике так часто. Неполный список того, что носит его имя или несёт его след:

Уровни и диамагнетизм Ландау Затухание Ландау (плазма) Сверхпроводимость Гинзбурга–Ландау Полюс Ландау (КЭД) Теория ферми-жидкости Нейтронные звёзды и двухкомпонентное нейтрино

В 1932 году он даже доказывал, что массивные звёзды должны коллапсировать до ядерных плотностей — предвосхищая нейтронные звёзды в тот самый месяц, когда был открыт нейтрон.

«Курс теоретической физики»

Вместе со своим учеником и соавтором Евгением Лифшицем Ландау написал «Курс теоретической физики» — около десяти томов, охватывающих механику, поля, квантовую механику, статистическую физику, гидродинамику и многое другое. Переведённый по всему миру и поныне в ежедневном употреблении, это одна из самых влиятельных серий научных учебников; за неё двое получили Ленинскую премию 1962 года.

Теоретический минимум

Чтобы работать с Ландау, студент сначала должен был сдать его «теоретический минимум» — жестокую серию из примерно девяти экзаменов по всей теоретической физике. Большинство кандидатов Ландау экзаменовал лично. С 1934 по 1961 год его сдали лишь сорок три человека — и многие сами стали гигантами физики, знаменитой школой Ландау.

Шкала гениальности Ландау

Полушутя Ландау ранжировал физиков по логарифмической шкале достижений, где каждый класс означал множитель в десять, а меньше — лучше. Ньютон стоял один на 0, Эйнштейн на 0,5, основатели квантовой механики на 1. Себя Ландау скромно поместил на 2,5 — а после работы о сверхтекучести позволил себе повышение до 2.

0Ньютон
0.5Эйнштейн
1Бор · Дирак · Гейзенберг
2–2.5Ландау (2,5 → 2)

Меньше — лучше; каждый шаг — множитель в десять. Точные числа разнятся в пересказах — Гинзбург вспоминал, что Ландау ставил себя на 1,5, — так что считайте шкалу характерным остроумием, а не бухгалтерией.