Физик-теоретик, академик Академии наук СССР Лев Ландау ввел понятие матрицы плотности, ставшее ключевым для зарождавшегося раздела физики – квантовой статистики. Сегодня исполняется 115 лет со дня его рождения.
Ландау создал многочисленную школу физиков-теоретиков. Его именем назван Институт теоретической физики Российской академии наук (РАН).
Наука.рф в рамках инициативы «Юбилейные мероприятия» Десятилетия науки и технологий публикует десять фактов о великом ученом.
«Интегрировать я научился лет в тринадцать, дифференцировать умел всегда»
Ландау был очень одарен математически. Будучи уже известным ученым, полушутя говорил о себе: «Интегрировать я научился лет в тринадцать, дифференцировать умел всегда». Гимназический учитель математики признавался, что смертельно боялся мальчика – расчеты на уроках ученик Ландау производил в уме, без логарифмической линейки или таблиц.
В 14 лет будущего нобелевского лауреата приняли в Бакинский университет сразу на два факультета – физико-математический и химический. Однако скоро он понял, что химия его мало интересует, и сконцентрировался на изучении физики. Спустя два года стало очевидно, что для раскрытия таланта юношу нужно переводить в учреждение посерьезнее. В 1924-м он стал студентом физического отделения физмата Ленинградского университета, где познакомился с квантовой механикой, в то время бывшей новейшим направлением теорфизики.
Как Ландау стал просто Дау
Приятели-студенты любили Ландау за остроумие, готовность помочь и смелость перед профессорами. Тогда же Лев получил прозвище Дау, которое ему очень нравилось. «L'ane по-французски значит осел, то есть фамилия Ландау означает «осел Дау», – говорил он.
Ученым всего мира он будет известен именно как Дау. Так он представлялся при знакомстве, и так его звали ученики.
Первая «заповедь»: матрица плотности
Ландау ввел понятие матрицы плотности, которое употребляется в квантовой механике и статистической физике. В 1927 году, после окончания Ленинградского университета, он устроился аспирантом в Физико-технический институт, возглавляемый Абрамом Иоффе (Физтех сейчас носит его имя). В этом же году Ландау написал работу «Проблема затухания в волновой механике» – в ней содержалось то, что впоследствии назовут его первой «заповедью»: понятие матрицы плотности. Ему было на тот момент 19 лет.
Матрица плотности – способ описания квантово-механических систем, применение которого не зависит от того, находятся ли такие системы в чистом состоянии или в смешанном. Ранее единственным методом служили волновые функции, но для смешанных состояний (при отсутствии полной исходной информации о системе или ее запутанности с другой системой) они оказывались непригодны.
Вторая «заповедь» диамагнетизма
В 1930 году Ландау создал квантовую теорию диамагнетизма электронов (свойство вещества намагничиваться). Он установил, что, если металл поместить в магнитное поле, то движение электронов меняется, чтобы в какой-то мере компенсировать это поле. В результате возникает намагничивание, направленное против внешнего магнитного поля.
Теперь это явление во всем мире называют «диамагнетизмом Ландау», а квантовые уровни, соответствующие движению электрона в магнитном поле, называются «уровнями Ландау».
Теоретический минимум Ландау
Ученый разработал теоретический минимум — систему экзаменов по всем существовавшим на тот момент разделам теоретической физики, которые требовалось сдать, чтобы считаться его учеником. Он включал девять экзаменов – сначала два по математике, потом по механике, теории поля, квантовой механике, статистической физике, механике сплошных сред, электродинамике сплошных сред и квантовой электродинамике.
Все экзамены ученый принимал лично – с 1934 по 1961 годы. За эти годы испытание прошли 44 человека. Оценок не было – только отметка «сдал» или «не сдал».
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.
Изначально к сдаче девяти экзаменов 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 двадцати языках.
С 1934 по 1957 великий ученый также сформулировал еще восемь «заповедей», включая фазовые переходы, теоретическое объяснение явления антиферромагнетизма, теорию промежуточного состояния сверхпроводников, статистическую теорию ядер, обосновал сверхтекучесть гелия. Вместе с Алексеем Абрикосовым и Исааком Халатниковым получил асимптотические приближения функций Грина –эти формулы служат базовым аппаратом квантовой теории поля, а Ландау с учениками разработали метод их вычисления для электрона и фотона при очень больших импульсах. В 1956-м Ландау построил теорию ферми-жидкостей – квантовых жидкостей, состоящих из фермионов. А в 1957-м ввел понятие комбинированной четности, согласно которому все физические системы будут эквивалентными, если при замене «правой» системы координат «левой» все частицы заменить античастицами.
Нобелевская премия по физике 1962 года
Ландау номинировали на Нобелевскую премию 21 раз. Главная научная награда была ему присуждена «за пионерские исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия».
Ради Ландау Нобелевский комитет впервые в истории решил отступить от правил. Ученый не мог присутствовать на церемонии вручения премии, так как приходил в себя после автомобильной аварии. Награждение состоялось в больнице – диплом и медаль Ландау вручил шведский посол.
Астероид и лунный кратер имени Ландау
В космосе есть два объекта, названных в честь Ландау.
Астероид 2142 – астероид главного пояса, который был открыт 3 апреля 1972 года советским астрономом Людмилой Черных в Крымской астрофизической обсерватории. Свой оборот вокруг Солнца этот астероид совершает за 5,64 земных года.
Кратер Ландау на Луне – большой древний ударный кратер в северном полушарии обратной стороны Луны. Название было утверждено Международным астрономическим союзом в 1970 году.
Минерал ландауит
Открытый в 1966 году минерал ландауит также назван в честь выдающегося ученого.
Минерал представляет собой сложный оксидиз группы кричтонита. Он был найден в Сибири – в северо-западном контакте кварца и щелочного массива Бурпала на р. Майгунда в бассейне р. Мама, в 120 км к северо-востоку от северной оконечности озера Байкал.
Самая красивая теория – теория относительности
Самой красивой из существующих физических теорий Ландау называл общую теорию относительности. Хотя большая часть его собственных работ выполнена в области квантовой физики.
Как писал физик Евгений Лифшиц, Ландау рассказывал, как «был потрясен невероятной красотой общей теории относительности». Ученый говорил, что такое восхищение при первом знакомстве с теорией должно быть признаком всякого прирожденного физика-теоретика.
Теория счастья
Кроме «заповедей» ученый вывел очень простую формулу счастья: наука, любовь и общение с людьми.
Ландау считал, что каждый человек должен и даже обязан быть счастливым. При этом еще в детстве будущий нобелевский лауреат дал себе обет никогда «не курить, не пить и не жениться». Однако он встретил выпускницу химического факультета Конкордию (Кору) Дробанцеву. Они жили вместе с 1934 года до самой смерти Льва Давидовича, хотя официально в брак вступили только в 1946 году, перед рождением сына. Игорь Львович Ландау окончил Физический факультет МГУ и стал физиком-экспериментатором в области физики низких температур.
Наука, безусловно, была на первом месте.
