Яков Смородинский - Воспоминания о Л. Д. Ландау

Его проживание в Ленинграде было недолгим, так как в 24 года Ландау переехал в Харьков, чтобы возглавить теоретический отдел Физико-технического института (1932—1937 гг.), где начало проявляться разнообразие его достижений, взглядов и интересов. В течение первого года работы в Харькове его работы были посвящены различным темам — от «Теории звезд» до «Теории передачи энергии при столкновениях». Последняя работа отражает характерную особенность Ландау — решение трудных теоретических проблем при помощи блестящей математической атаки. Эти же методы сослужили ему хорошую службу и дальше — его понимание проблемы столкновений достигло своей вершины в 1949 г., когда он рассмотрел ротон-ротонные и ротон-фононные столкновения (вместе с Халатниковым), чтобы (правильно) предсказать затухание волн второго звука.

Убеждение Ландау, что самостоятельная творческая деятельность в любой области теоретической физики должна начинаться с достаточно глубокого познания всех ее разделов, стало складываться в Харькове, где он разработал специальную программу, широко известную среди студентов-физиков как теоретический минимум. Там же он стал собирать вокруг себя последователей среди студентов, из которых самыми известными в области физики низких температур были Е. Лифшиц и И. Померанчук. Разнообразие его интересов становится очевидным при перечислении работ, сделанных им в течение его двух последних лет пребывания в Харькове: теория фотоэлектродвижущей силы в полупроводниках, теория мономолекулярных реакций, теория дисперсии звука (вместе с Э. Теллером), кинетическое уравнение в случае кулоновского взаимодействия, свойства металлов при очень низких температурах, рассеяние света светом, теория фазовых переходов. Все они были изданы в 30-е годы.

В эти же годы он опубликовал статьи на темы: кинетическое уравнение в случае кулоновского взаимодействия, поглощение звука в твердых телах, теория фазовых переходов, теория сверхпроводимости, статистическая модель ядер, рассеяние рентгеновских лучей кристаллами вблизи точки Кюри, рассеяние рентгеновских лучей кристаллами с переменной структурой, происхождение энергии звезд.

Более глубокое последствие для низкотемпературной физики, однако, имели исследования, начатые им в Харькове и продолженные по переезде в Москву в связи с организацией Института физических проблем П. Л. Капицы. Интерес Ландау к проблеме диамагнетизма оказался переходным между проблемой квантовой механики и теорией металлов. Помимо объяснения эффекта де Гааза—ван Альфена, применение термодинамики к электронным системам при низких температурах привело Ландау к следующим результатам:

1) Введено понятие антиферромагнитного упорядочения как новой термодинамической фазы.

2) Развита термодинамическая теория магнитных доменов (вместе с Е. Лифшицем), явившаяся основанием теории магнитной восприимчивости и ферромагнитного резонанса.

3) Изучены фазовые переходы и установлена глубокая связь между переходами второго рода и изменением симметрии системы. Развита подробная термодинамическая теория поведения систем вблизи точки перехода.

4) Изучено промежуточное состояние сверхпроводников и предложена теория ламинарной структуры сверхпроводников.

Также в течение своего харьковского периода Ландау начал работу над серией теперь широко известных монографий по теоретической физике.

Совершенно естественно, что при переезде в Москву, где он был назначен заведующим теоретическим отделом Института физических проблем, внимание Ландау обратилось к проблеме сверхтекучести, которая в то время экспериментально изучалась Капицей. Этот период его жизни знаменуется всесторонним штурмом низкотемпературной физики, и под его натиском крупная проблема природы гелия II (фазы жидкого гелия-4) вскоре отступила. Эта работа была близка интересам Фритца Лондона, решившего ее применением совершенно другого подхода. Ключом к разгадке этой проблемы гелия (работа опубликована в 1941 г.) была в полученном Ландау полуэмпирическим путем спектре энергетических бозе-возбуждений в этой жидкости. Форма теперь уже хорошо известной кривой зависимости энергии от импульса для таких квазичастиц имела минимум на энергетической высоте, равной 8—10 К. Такой спектр допускал существование квазичастиц в равновесии на этом уровне, и их по предложению И. Тамма Ландау назвал ротонами. Энергетическая щель А, присущая ротонам, допускает существование сверхтекучести.

Объяснив явление сверхтекучести, Ландау смог независимо предсказать существование специфической моды распространения волн в жидком гелии II —второго звука (независимо, потому что несколько ранее Тисса предсказал второй звук на основе метода Фритца Лондона).

Заслуживают особого внимания два аспекта того, как Ландау решил проблему второго звука. Они также имеют отношение к сделанному им позднее предсказанию «нулевого звука» в жидком гелии-3:

1) Рассмотрение Ландау не касалось проблем экспериментального возбуждения и обнаружения второго звука. Ранее, до войны, предпринятые Шальниковым и Соколовым попытки оказались неудачными, так как обнаружение второго звука велось стандартными акустическими методами. В действительности на эту проблему пролила свет публикация Е. Лифшица, который отметил существенную тепловую природу второго звука. На основе этого предсказания Пешкову удалось экспериментально наблюдать второй звук в 1944 г.

2) В этой же работе 1941 г. Ландау правильно предсказал величину скорости второго звука вблизи абсолютного нуля: С 1/√3, где С 1— скорость обычного звука. Он получил этот результат путем акробатически трудных математических вычислений, и можно только удивляться, сколько веры нужно было иметь, чтобы прийти к такому заключению. Вера Ландау в правильность полученного им результата красноречиво выражена в «Письме к Редактору» (Phys. Rev. 1949) в защиту своей теории: «…у меня нет никаких сомнений, что при температуре 1.0—1.1 К скорость второго звука будет иметь минимум и будет увеличиваться при дальнейшем уменьшении температуры. Это вытекает из вычислений термодинамических величин в гелии II, сделанных мною».

Кто мог бы быть так уверен? В этом явно проявилась необыкновенная физическая интуиция Ландау. Несмотря на запутаннейшие математические вычисления, он смог распознать ситуацию вблизи абсолютного нуля не как экстраполяцию, а как тонкую картину, подтверждающую его результаты. Трудности термодинамического характера исчезают при Т →0 К. В присутствии только фононов — квантов первого звука — средняя компонента скорости вдоль любого направления распространения может составить самое большее С 1/√3. Это было козырем, оставленным Ландау про запас. Позднее мы еще вернемся к этим двум аспектам в связи с теорией «нулевого звука» в жидком гелии-3 и к тому, как они касаются этой проблемы.