Нобелови лауреати – 1962 година

Лев Давидович Ландау

22 януари 1908 г. – 1 април 1968 г.

Нобелова награда за физика

(За неговите основополагащи теории за кондензираната материя, особено за течния хелий.)

Руският физик Лев Давидович Ландау е роден в семейството на Давид и Любов Ландау в Баку. Баща му е известен инженер, който работи в местната нефтодобивна промишленост, а майка му е лекар. Тя се занимава с физиологически изследвания. По-голямата сестра на Ландау става инженер-химик. Макар че Ландау завършва блестящо средното си образование, когато е на тринадесет години, родителите му решават, че е много малък за висше учебно заведение и го изпращат за една година в Бакинския икономически техникум. През 1922 г. Ландау постъпва в Бакинския университет, където учи физика и химия, а след две години се мести във физическия факултет на Ленинградския университет. До деветнадесетата си годишнина успява да публикува четири научни произведения. В едното от тях използва за първи път матрицата на плътността – днес широко използван математически израз за описване на квантови енергетични състояния. След завършването на университета през 1927 г., Ландау става аспирант в Ленинградския физико-технологичен институт, където работи над магнитната теория за електрона и квантовата електродинамика.

От 1929 г. до 1931 г. Ландау се намира в научна командировка в Германия, Швейцария, Англия, Нидерландия и Дания. Там се среща с основоположниците на новата по това време квантова механика, сред които Вернер Хайзенберг, Волфганг Паули и Нилс Бор. През целия си живот Ландау запазва дружески чувства към Нилс Бор, който му оказва много силно влияние. Намирайки се в чужбина, Ландау прави важни изследвания за магнитните свойства на свободните електрони и заедно с Роналд Ф. Пайерлс – по релативистична квантова механика. Тези изследвания го поставят в редиците на водещите физици-теоретици. Той се научава да работи със сложни теоретични системи и тези умения му служат по-нататък, когато започва изследванията си, свързани с физиката на ниските температури.

През 1931 г. Ландау се връща в Ленинград, но скоро се мести в Харков, който по това време е столица на Украйна. Там става ръководител на теоретичния отдел на Украинския физико-технологичен институт. Едновременно с това ръководи катедрите по теоретична физика в Харковския инженерно-механичен институт и в Харковския университет. Академията на науките на СССР му присъжда през 1934 г. научната степен доктор на физико-математическите науки без защита на дисертация, а през следващата година Ландау става професор. В Харков той публикува съчинения на различни теми като произхода на енергията на звездите, дисперсията на звука, предаването на енергията при сблъскване, разсейването на светлината, магнитните свойства на материалите, свръхпроводимостта, фазовите преходи на веществата от една форма към друга и движението на потоците от електрически заредени частици. Това му създава репутацията на необичайно разностранен теоретик. Работите на Ландау по електрически взаимодействия на частиците се оказват полезни впоследствие, когато се появява физиката на плазмата – горещите, електрически заредени газове. Заимствайки понятия от термодинамиката, той изказва не малко новаторски идеи за нискотемпературните системи. Работите на Ландау са обединени от една характерна черта – виртуозно използване на математически инструменти за решаване на сложни задачи. Ландау има значителен принос в квантовата теория и в изследването на природата на взаимодействието на елементарните частици.

Необичайно широкият диапазон на неговите изследвания, обхващащи почти всички области на теоретичната физика, привлича в Харков много надарени студенти и млади учени, сред които Евгений Михайлович Лифшиц, който става не само близък сътрудник на Ландау, но и негов добър приятел. Образувалата се около Ландау школа превръща Харков във водещ център на съветската теоретична физика. Убеден в необходимостта от основателна подготовка на теоретика във всички области на физиката, Ландау разработва жестока програма за подготовка, която нарича „теоретичен минимум“. Изискванията, предявявани към претендентите за правото да участват в работата на ръководения от него семинар, са толкова високи, че за тридесет години, въпреки непрестанния поток от желаещи, изпитът по „теоретичен минимум“ е взет само от четиридесет души. На тези, които минават на изпита, Ландау отделял щедро своето време, предоставяйки им свобода да изберат предмета, който ще изследват. Със своите ученици и близки сътрудници, които го наричат любовно Дау, той поддържа дружески отношения. За да помогне на учениците си, Ландау създава през 1935 г. изчерпателен курс по теоретична физика, публикуван от него и Е. М. Лифшиц като серия от учебници, чието съдържание авторите обновяват периодично през следващите двадесет години. Тези учебници, преведени на много езици, се смятат заслужено по целия свят за класически. За създаването на курса авторите са наградени през 1962 г. с Ленинска награда.

През 1937 г. по покана на Пьотр Капица Ландау оглавява отдела по теоретична физика в новосъздадения Институт по проблемите на физиката в Москва. Но на следващата година е арестуван по лъжливо обвинение в шпионаж в полза на Германия. Едва след намесата на Капица, който поставя въпроса непосредствено пред Сталин, Ландау е освободен.

Когато Ландау се премества от Харков в Москва, експериментите на Капица с течен хелий са в разгара си. Газообразният хелий преминава в течно състояние при охлаждане до температура, по-ниска от 4,2К (в градуси по Келвин се измерва абсолютната температура, отчитана от абсолютната нула, така че въпросната температура е – 273,18°С). В това състояние хелият се нарича хелий-1. При охлаждане до температура по-ниска от 2,17К хелият преминава в течност, наречена хелий-2 и притежаваща необикновени свойства. Хелий-2 тече през най-малки отверстия с такава лекота, че все едно няма никакъв вискозитет. Той се качва по стените на съда, сякаш не му действа земното притегляне, и има топлопроводимост, превишаваща стотици пъти топлопроводимостта на медта. Капица нарича хелий-2 свръхтечна течност. Но при проверка със стандартни методи става ясно, че хелий-2 няма нулев вискозитет. Учените предполагат, че необикновеното поведение на хелий-2 се обуславя от ефекти, отнасящи се към областта на квантовата теория, а не към класическата физика, които ефекти се проявяват само при ниски температури и обикновено се наблюдават при твърдите тела, защото повечето вещества при такива условия замръзват. Хелият е изключение – ако не се подлага на много високо налягане, остава течен до абсолютната нула. През 1938 г. Ласло Тиса прави предположение, че течният хелий е в действителност смес от две форми: хелий-1 (нормална течност) и хелий-2 (свръхтечна течност). Когато температурата пада почти до абсолютната нула, доминираща компонента става хелий-2. Тази хипотеза позволява да се обясни защо при различни условия се наблюдава различен вискозитет.

Ландау обяснява свръхтечението, използвайки принципно нови математически инструменти. Докато другите изследователи прилагат квантовата механика към поведението на отделни атоми, той разглежда квантовите състояния на обема течност все едно става въпрос за твърдо тяло. Ландау предлага хипотеза за съществуването на два компонента на движението, или възбуждането: фонони, описващи относително нормалното праволинейно разпространение на звуковите вълни при малки значения на импулса и енергията, и ротони, описващи въртеливото движение, иначе казано – по-сложната проява на възбуждането при по-високи значения на импулса и енергията. Наблюдаваните явления са обусловени от приноса на фононите и ротоните и от тяхното взаимодействие. Течният хелий, твърди Ландау, може да се разглежда като „нормална компонента“, потопена в свръхтечен „фон“. В експеримент за изтичане на течен хелий през тясна цепнатина свръхтечната компонента тече, докато фононите и ротоните се сблъскват със стените, които ги задържат. В експеримент с торсионни вибрации на диск свръхтечната компонента оказва пренебрежително слабо въздействие, докато фононите и ротоните се блъскат в диска и забавят неговото движение. Отношението на концентрациите на нормалната и свръхтечната компонента зависи от температурата. Ротоните доминират при температура над 1К, фотоните – при по-ниска от 0,6 К.

Теорията на Ландау и нейните по-нататъшни усъвършенствания позволяват не само да се обяснят наблюдаваните явления, но и да се предскажат други необикновени явления, например разпространението на две различни вълни, наречени първи и втори звук и притежаващи различни свойства. Първият звук са обикновените звукови вълни, вторият – температурната вълна. Теорията на Ландау помага да се напредне съществено в разбирането на природата на свръхпроводимостта.

По време на Втората световна война Ландау се занимава с изследване на горенето и взривовете и особено с ударните вълни на големи разстояния от източника. След края на войната до 1962 г. той работи за решаването на различни задачи, сред които изучаването на редкия изотоп на хелия с атомна маса 3 (вместо обичайната маса 4), и предсказва съществуването на вид разпространение на вълните, което той нарича „нулев звук“. Ландау участва и при създаването на атомната бомба в Съветския съюз.

Малко преди да навърши петдесет и четири години, Ландау катастрофира и получава тежки наранявания. Лекари от Канада, Франция, Чехословакия и Съветския съюз се борят за живота му. В продължение на шест седмици той е в безсъзнание и почти три месеца не разпознава даже своите близки. Заради здравословното си състояние не успява да отиде в Стокхолм да получи Нобеловата награда, която му връчва в Москва шведският посланик. Ландау живее още шест години, но така и не успява да се върне на работа. Умира от усложнения, свързани с получените травми.

През 1937 г. Ландау се жени за Конкордия Дробанцева, инженер-технолог от Харков. Семейството има син, който по-късно работи като физик-експериментатор в същия Институт по проблемите на физиката, в който е работил баща му. Ландау не търпи надутостта и неговата остра, често остроумна критика понякога създава впечатление за него като за студен и даже неприятен човек. Но Пьотр Капица, който познава добре Ландау, казва, че той е „много добър и отзивчив, и е готов да помогне винаги на несправедливо обидените хора“.

Освен с Нобелова и с Ленинска награда Ландау е удостоен с три Държавни награди на СССР. Носител е на званието Герой на социалистическия труд. През 1946 г. е избран за член на Академията на науките на СССР. За свой член го избират и академиите на науките на Дания, Нидерландия и САЩ, Американската академия на науките и изкуствата, Френското физическо дружество, Лондонското физическо дружество и Лондонското кралско дружество.

Превод от руски: Павел Б. Николов