Заповеди Ландау

Лев Ландау, один из величайших физиков в истории, не только выделялся глубоким пониманием всех разделов физической науки, что само по себе казалось немыслимым, но и отметился фундаментальным вкладом едва ли не в каждый из них. В этом году исполняется 115 лет со дня его рождения.

Лев Давидович участвовал в создании первых отечественных образцов ядерного и термоядерного оружия, в том числе в расчетах заряда РДС-1 (первая советская атомная бомба) и построении теории термоядерного заряда РДС-6с (первая в мире водородная бомба)

Он известен как автор «Десяти заповедей Ландау» — так его ученики в шутку озаглавили десять важнейших формул, выведенных учителем. Их выгравировали на двух мраморных «скрижалях» и подарили Ландау на 50-летие. Уравнения относились к самым разным разделам физики, и каждое причисляют к важнейшим открытиям этой науки. «Ъ-Наука» вспоминает, как Ландау выводил эти «заповеди», а заодно создавал отечественную школу теоретической физики.

 

Знакомство с «истинной научной красотой»

Лев Ландау родился 22 января 1908 года в Баку, в семье инженера-нефтяника. Мать его получила высшее медицинское образование и работала сперва школьным врачом, а затем устроилась преподавателем естествознания в еврейскую гимназию. Туда же в восемь лет поступил Лев.

С раннего детства он был математически одарен. Уже будучи известным ученым, полушутя говорил о себе: «Интегрировать я научился лет в тринадцать, дифференцировать умел всегда». А его гимназический учитель математики признавался, что смертельно боялся мальчика. Шутка ли, расчеты на уроках тот производил в уме, без логарифмической линейки или таблиц.

Когда Ландау было 14 лет, его приняли в Бакинский университет, причем сразу на два факультета — физико-математический и химический. Вскоре юноша понял, что химия его мало интересует, и сконцентрировался на изучении физики. Спустя два года стало понятно, что для должного раскрытия таланта мальчика нужно переводить в учреждение посерьезнее. Так в 1924-м Ландау сделался студентом физического отделения физмата Ленинградского университета. Там он познакомился с квантовой механикой, в то время бывшей новейшим направлением теорфизики.

«Он рассказывал о состоянии экстаза, в которое привело его изучение статей Гейзенберга и Шрёдингера, ознаменовавших рождение новой квантовой механики,— писал о своем учителе Евгений Лифшиц.— Говорил, что они дали ему не только наслаждение истинной научной красотой, но и острое ощущение силы человеческого гения, величайшим триумфом которого является то, что человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить».

Первые «заповеди»: матрица плотности и диамагнетизм Ландау

В 1927-м, окончив Ленинградский университет и устроившись аспирантом в Физико-технический институт, возглавляемый Абрамом Иоффе (ныне носит его имя), 19-летний Ландау написал работу «Проблема затухания в волновой механике». В ней содержалось то, что впоследствии назовут его первой «заповедью»: понятие матрицы плотности, ставшее ключевым для зарождавшегося в то время раздела физики — квантовой статистики.

Первые успехи молодого Ландау не остались незамеченными: в октябре 1929-го по путевке Наркомпроса СССР он в числе лучших молодых научных работников был направлен в заграничную командировку для пополнения образования. Лев Давидович побывал в научных центрах Великобритании, Германии, Дании, Нидерландов и Швейцарии, лично познакомился с величайшими светилами эпохи, включая Альберта Эйнштейна и Нильса Бора.

Важным пунктом в этом паломничестве стала Кавендишская лаборатория в Кембридже. Здесь, где в свое время трудились и совершали свои открытия Рэлей (объяснивший голубой цвет неба), Резерфорд (отец ядерной физики) и Томсон (первооткрыватель электрона), Ландау составил свою вторую «заповедь» — написал работу «Диамагнетизм металлов».

В этой статье Лев Давидович описал диамагнетизм электронов и создал квантовую теорию этого явления. Впоследствии оно получило название «диамагнетизм Ландау», а квантовые уровни, отвечающие движению электрона в магнитном поле,— «уровни Ландау». После публикации этой статьи британский пионер представлений о магнетизме того времени Рудольф Пайерлс заявил: «Надо смотреть правде в лицо — все мы питаемся крошками со стола Ландау».

Рабочий день физика-теоретика

Из заграничной стажировки Ландау вернулся весной 1931 года, а в августе 1932-го перебрался из Ленинграда в Харьков (бывший в то время столицей Украинской ССР), где его назначили главой теоретического отдела Украинского физико-технического института. Одновременно он заведовал кафедрой теорфизики Харьковского механико-машиностроительного института и преподавал физику в Харьковском государственном университете.

По воспоминаниям современников, рабочий день Ландау начинался около семи утра, однако практически никто не видел, как он работает. Потому что работал он главным образом дома, причем лежа. «Работал он всегда лежа на тахте,— вспоминала его жена, Конкордия (Кора) Ландау-Дробанцева.— Друзья шутили: "Дау, у тебя голова весит гораздо больше всего туловища. Чтобы уравновеситься, ты работаешь лежа!" Утром весь пол возле постели был усыпан листами исписанной бумаги — все формулы, формулы, формулы».

С Корой Ландау познакомился в Харькове, она была выпускницей химфака. Они жили вместе с 1934 года до самой смерти Льва Давидовича. Правда, официально в брак вступили только в 1946-м, перед рождением сына.

«При росте 182 см весил только 59 кг,— писала о муже Кора.— О себе он еще в ранние годы сказал: "А у меня не телосложение, у меня теловычитание!" Эти его слова потом вошли в литературу».

Теорминимум Ландау и «Курс теоретической физики»

В Харькове Ландау разработал свой знаменитый теоретический минимум — систему экзаменов по теоретической физике, которые требовалось сдать, чтобы считаться его учеником. Этот подход послужил фундаментом для целой школы теоретической физики. Среди ее представителей такие светила отечественной науки, как Евгений Лифшиц, Исаак Халатников, Борис Иоффе, Лев Питаевский, Юрий Каган и многие-многие другие, не говоря уже о нобелевских лауреатах Алексее Абрикосове и Виталии Гинзбурге.

Особенность теорминимума Ландау заключалась в том, что он включал в себя все основные разделы теоретической физики, существовавшие на тот момент. Всего требовалось выдержать девять экзаменов: сперва — два по математике, затем — по механике, теории поля, квантовой механике, статистической физике, механике сплошных сред, электродинамике сплошных сред и квантовой электродинамике.

Экзамены по своему теорминимуму Ландау принимал лично, с 1934 по 1961 год. Оценок никаких не ставилось — только отметка «сдал» либо «не сдал». За все эти годы испытание прошли лишь 44 человека.

К сдаче теорминимума изначально готовились по конспектам с лекций самого Ландау, а в 1940-х материал для подготовки начал издаваться в виде полноценного учебного пособия — «Курса теоретической физики» за авторством самого Ландау и одного из его первых учеников, Евгения Лифшица (отдельные тома написали Владимир Берестецкий и Лев Питаевский). Десятитомный «Ландавшиц» (как его принято называть для краткости) выдержал множество переизданий на 20 языках и послужил «главным средством обучения для нескольких поколений студентов-исследователей по всему миру» (так указано в энциклопедии «Британника»).

«Заповеди» с третьей по шестую: ферромагнетики, фазовые переходы, сверхпроводники и теория ядер

К харьковскому периоду жизни Ландау относится не только закладка фундамента его научной школы, но и довольно большой пласт его ключевых научных достижений.

В 1935-м вместе с Лифшицем Ландау создал теорию доменной структуры ферромагнетиков (четвертая «заповедь»): им удалось найти закономерности, описывающие размеры доменов и поведение магнитного момента на границах между доменами. Одним из главных результатов работы стало уравнение движения магнитного момента в твердом теле (уравнение Ландау—Лифшица).

В 1936–1937 годах Лев Давидович построил теорию фазовых переходов второго рода (третья «заповедь»), то есть таких, при которых меняются не первичные параметры вещества (объем, плотность или температура, как при фазовых переходах первого рода — например, между льдом, водой и паром), но симметрия его строения (как при переходах в состояния ферромагнетизма, антиферромагнетизма, сверхпроводимости или сверхтекучести).

В это же время Ландау создал теорию промежуточного состояния сверхпроводников (пятая «заповедь»). Он первым показал, что под действием магнитного поля в сверхпроводнике возникают чередующиеся между собой сверхпроводящие и нормальные слои, а также описал геометрию этих слоев (в частности, вывел формулу расчета их толщины).

В 1937 году Ландау разработал статистическую теорию ядер (шестая «заповедь»). В частности, вывел формулы распределения энергетических уровней в ядре, а также уравнение, связавшее расстояние между ними с так называемой нейтронной шириной — параметром, определяющим вероятность излучения нейтрона. Эта теория стала общепринятой, а ее выводы вошли во все пособия по ядерной физике.

Институт физпроблем и год в тюрьме НКВД

В 1937 году Лев Давидович переехал в Москву: Петр Капица пригласил его возглавить отдел теорфизики в Институте физических проблем АН СССР. В апреле 1938-го Ландау арестовали сотрудники НКВД. Поводом послужило ложное обвинение в шпионаже в пользу Германии. Ровно год он провел в Бутырской тюрьме. В апреле 1939-го его освободили под «личное поручительство» Петра Капицы, который неоднократно обращался с просьбами к Сталину, Молотову и Берии.

На тот момент Петр Леонидович был известен как первооткрыватель явления сверхтекучести жидкого гелия — такого состояния, при котором он полностью терял вязкость и трение, просачивался через микронные щели и тек вверх по стенкам сосуда. На практике это представляло важность для промышленности, и Капица убеждал советское руководство, что без помощи Ландау выстроить вокруг этого явления теорию не сумеет. С личным ходатайством к Сталину обращался и Нильс Бор.

После освобождения Ландау сразу же был восстановлен сотрудником Института физпроблем, где проработал до конца жизни. Впрочем, реабилитировали Ландау — за отсутствием состава преступления — лишь посмертно, в 1990-м. До конца жизни он находился под наблюдением органов госбезопасности и не мог выезжать за границу.

Седьмая «заповедь» (сверхтекучесть жидкого гелия) и Физтех

Свой долг перед Капицей Ландау отработал к 1941 году, дав теоретическое обоснование сверхтекучести (седьмая «заповедь»). Он сделал это с позиций квантовой механики, что стало первым случаем использования ее методов для описания макроскопического явления. Так Ландау стал создателем теории квантовых жидкостей, и благодаря ей его причисляют к основоположникам физики конденсированных состояний.

После окончания войны, в 1946-м, Ландау избрали действительным членом АН СССР, минуя ступень члена-корреспондента. В том же году он стал преподавать на только что созданном физико-техническом факультете МГУ, который спустя пять лет преобразовали в самостоятельный Московский физико-технический институт (Физтех). Сегодня Ландау принято причислять к основателям Физтеха, хотя в отличие от остальных основателей он не писал писем о необходимости его создания Сталину и не занимал должностей в руководстве вуза.

Атомный проект и последние «заповеди»

С окончанием войны Ландау привлекли к работе над советским атомным проектом. Лев Давидович участвовал в создании первых отечественных образцов ядерного и термоядерного оружия, в том числе в расчетах заряда РДС-1 (первая советская атомная бомба, испытана в 1949-м) и построении теории термоядерного заряда РДС-6с (первая в мире водородная бомба, испытана в 1953-м).

За эти работы Ландау удостоился трех Сталинских премий, ордена Ленина и звания Героя Социалистического Труда. Однако сам в восторге от решения таких задач не был. Академик Андрей Сахаров писал об этом в своих воспоминаниях:

«Однажды в середине 50-х годов я приехал зачем-то в Институт физических проблем, где Ландау возглавлял теоретический отдел и отдельную группу, занимавшуюся исследованиями и расчетами для "проблемы". Закончив деловой разговор, мы со Львом Давидовичем вышли в институтский сад. Это был единственный раз, когда мы разговаривали без свидетелей, по душам. Л. Д. сказал:

— Сильно не нравится мне все это. (По контексту имелось в виду ядерное оружие вообще и его участие в этих работах в частности.)

— Почему? — несколько наивно спросил я.

— Слишком много шума.

Обычно Ландау много и охотно улыбался, обнажая свои крупные зубы. Но в этот раз он был грустен, даже печален».

Впрочем, работы над ядерным оружием не помешали Ландау регулярно совершать фундаментальные прорывы в тех или иных разделах физики.

В 1954 году с Алексеем Абрикосовым и Исааком Халатниковым он получил асимптотические приближения функций Грина (восьмая «заповедь»). Эти формулы служат базовым аппаратом квантовой теории поля, а Ландау с учениками разработали метод их вычисления для электрона и фотона при очень больших импульсах — например, при испускании этих частиц с огромной интенсивностью. Это стало фундаментальным вкладом в квантовую электродинамику.

В 1956-м Ландау построил теорию ферми-жидкостей (девятая «заповедь») — квантовых жидкостей, состоящих из фермионов. А в 1957-м ввел понятие комбинированной четности (десятая «заповедь»), развив фундаментальные представления о симметрии в физике элементарных частиц.

Авария и Нобелевская премия

В январе 1962-го Ландау попал в аварию на Дмитровском шоссе, по дороге из Москвы в Дубну. Он получил многочисленные переломы, травму головы и перенес сильную потерю крови, 59 суток провел в коме.

В том же году Льву Давидовичу присудили Нобелевскую премию по физике «за пионерские исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия». Награждение состоялось в больнице, что было первым случаем в истории нобелевских церемоний. 10 декабря диплом и медаль Ландау вручил шведский посол.

Всего Ландау провел в больнице два года. Вернувшись домой, он больше не занимался наукой: состояние здоровья не позволяло. Лев Давидович прожил еще четыре года. В марте 1968-го он перенес операцию по устранению кишечной непроходимости. В первые дни после вмешательства он шел на поправку и был поразительно бодр. К Ландау в больницу приезжала его старшая сестра Софья. Племянница его жены, Майя Бессараб, так описала этот визит:

«— А ты помнишь, в какой стране была первая в мире революция? — спросил Дау, когда она наклонилась к нему.

Софья Давидовна отрицательно покачала головой.

— В Голландии.

— Господи, Лева, ты совершенно не изменился!»

На седьмой день, 1 апреля 1968 года, Ландау умер от тромбоза. По воспоминаниям Майи, его последними словами были: «Я неплохо прожил жизнь. Мне всегда все удавалось».

Льва Ландау похоронили на Новодевичьем кладбище, памятник для его могилы выполнил Эрнст Неизвестный. Кроме этой скульптуры, а также названий улиц, бульваров и площадей во многих городах (например, на севере Москвы, кстати, недалеко от Физтеха, есть бульвар Академика Ландау) и Института теоретической физики РАН в Черноголовке, созданного его учениками, памятником великому ученому служит сама отечественная школа теорфизики — одна из сильнейших в мире.

 

 

Автор: Ольга Грибова