Штурм абсолютного нуля - Генрих Бурмин

Кипели страсти на семинарах и диспутах.

Студент Ландау стремился быть всюду, где решаются научные проблемы. Приходилось работать по четырнадцать — пятнадцать часов в сутки.

Студенческие работы Ландау посвящены принципиальным вопросам новой, волнующей умы ученых области физики — квантовой механике. В журнале «Zeitschrift fur Physik» публикуется его первая научная статья.

По окончании университета Ландау поступает в аспирантуру Ленинградского физико — технического института в группу теоретиков, руководимую Я. И. Френкелем.

В 1928 году в Москве состоялся VI съезд физиков. Старанием Иоффе этот съезд превратился в событие большого научного значения. Он собрал всех видных советских физиков. Среди иностранных участников съезда были: Нильс Бор — основоположник современной теории строения атома, один из создателей квантовой механики Поль Дирак и другие.

Съезд открылся в большой физической аудитории университета на Моховой докладом аспирантов Ленинградского физико — технического института Л. Д. Ландау и Д. Д. Иваненко «Основы квантовой механики». Ландау сделал на съезде еще два доклада, вызвавших всеобщий интерес и оживленный обмен мнениями.

В конце 1929 года Ландау, как лучшего аспиранта, направляют в заграничную научную командировку.

Много соблазнов подстерегают молодого человека, впервые попавшего за границу. Но у Ландау на первом плане увлечение всей его жизни — наука.

В Берлине он встречается с творцом теории относительности Альбертом Эйнштейном. В Геттингене он участник семинара одного из светил мировой физики Макса Борна, а в Лейпциге он обсуждает проблемы квантовой механики с одним из ее основоположников Вернером Гейзенбергом.

Затем он едет в Копенгаген. Здесь его радушно встречает Нильс Бор.

— Хорошо, что вы приехали! Мы от вас многому научимся, — говорит маститый ученый, пожимая руку молодому советскому физику.

Легко представить себе, как был польщен таким приемом юный аспирант.

Правда, через несколько дней Ландау узнал, что Бор по доброте душевной так встречает каждого прибывшего к нему на семинар.

Участие в семинаре знаменитого датского физика сыграло громадную роль в формировании Ландау как теоретика. Этот семинар привлекал физиков- теоретиков всей Европы. В результате дискуссий здесь решались ключевые проблемы теоретической физики. Впоследствии Ландау не прекращал связи с Бором, который считал его своим лучшим учеником.

Далее Ландау держит путь к берегам туманного Альбиона. В знаменитой Кавендишской лаборатории он встречается со своим соотечественником Петром Капицей, прибывшим сюда на несколько лет раньше. Тогда Ландау не мог знать, что этот человек в дальнейшем сыграет немаловажную роль в его научной судьбе.

По возвращении на континент Ландау спешит в Цюрих. Он предвкушает радость общения с Вольфгангом Паули, чьи работы сыграли огромную роль в познании строения атомов.

Заграничная научная поездка Ландау длилась полтора года. Все это время он работал так же интенсивно, как у себя на родине. В этот период Ландау построил свою знаменитую теорию электронного диамагнетизма металлов, получившую мировое признание и вошедшую в физику под его именем.

Вскоре после возвращения в Ленинград Ландау переехал в Харьков. Здесь в Украинском физико — техническом институте он в 1932 году возглавил теоретическую группу.

С 1937 года до конца своей жизни (он скончался 1 апреля 1968 года) Ландау работал в Москве в Институте физических проблем Академии наук СССР, В 1946 году Ландау избирают действитель — ным членом Академии наук СССР. Трижды ему присуждалась Государственная премия, а за цикл книг по теоретической физике он был удостоен Ленинской премии (совместно с Е. М. Лившицем).

Советский академик, Герой Социалистического Труда Ландау был избран членом Лондонского королевского общества, членом Датской и Нидерландской академий наук, Национальной академии наук США, Американской академии наук и искусств.

Трудно назвать область современной физики, в которую Ландау не внес бы существенный вклад. Физика твердого тела и теория космических лучей, квантовая теория поля и физика ядра, физика элементарных частиц… Он опубликовал свыше 120 научных работ.

Благодаря его работам возник ряд новых научных направлений. Подобно цепной реакции, они вызвали сотни и тысячи теоретических и экспериментальных исследований.

Одной из наиболее значительных работ Ландау является созданная им в 1941 году теория сверхтекучести гелия И.

Теория Ландау дала полную картину всех исследованных к тому времени свойств гелия II и подсказала ряд новых явлений.

Приступая к решению загадок «солнечного газа», Ландау начал с изучения кривой зависимости теплоемкости жидкого гелия от температуры, которую в течение трех десятилетий с удивлением созерцали многие исследователи разных стран.

Взглянем и мы с вами, читатель, на эту кривую. В окрестности перехода гелия I в гелий II она удивительно напоминает греческую букву лямбда.

Поэтому температуру перехода жидкого гелия из одного состояния в другое принято называть лямбда — точкой.

По обе стороны лямбда — точки. Скупые линии графика бесстрастно регистрируют поразительные изменения удельной теплоемкости жидкого гелия в лямбда — точке.

Вправо от этой точки гелий ведет себя как обычная классическая жидкость. Влево — он приобретает удивительное свойство, сверхтекучесть.

Переход вещества из одного состояния в другое — явление далеко не новое в природе.

Простейший пример — вода, которая предстает перед нами в трех обличиях: в твердом состоянии — лед, в жидком — собственно вода и, наконец, в виде пара.

В науке такие превращения получили название фазовых переходов.

Повседневно наблюдаемые переходы, при которых происходит кипение, плавление или затвердевание вещества, сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Это и есть та цена, которой приходится расплачиваться за перевод вещества из одного состояния в другое. При этом объем тела изменяется скачкообразно.

Однако переход гелия I в гелий II происходит без скрытой теплоты.

Такие переходы были известны и ранее, например, при резком изменении магнитных свойств вещества при определенной температуре. В отличие от обычных переходов, связанных со скрытой теплотой, они получили название фазовых переходов второго рода.

Ландау был первым физиком, детально исследовавшим природу фазовых переходов и создавшим теорию этих переходов.

Он показал, что при фазовых переходах второго рода действительно не должна выделяться скрытая теплота, а объем тела будет изменяться непрерывно. При этом должны скачкообразно изменяться вторичные термодинамические параметры: теплоемкость, сжимаемость и другие.

Экспериментальные данные измерений феноменального скачка теплоемкости и некоторых других параметров в точке перехода гелия I в гелий II блестяще подтвердили теоретические расчеты Ландау.

Так была разгадана первая загадка «солнечного газа»: преобразование гелия I в гелий II есть фазовый переход второго рода.

Теперь ученому предстояло, подобно герою старой сказки, разгадать еще ряд загадок возрастающей сложности.

— Удивительная метаморфоза гелия при температуре 2,2К, — рассуждал ученый, — не просто фазовый переход второго рода. Это качественно новое явление: классическая жидкость превращается в квантовую жидкость.

Что такое квантовая жидкость?

В микромире электронов, атомных ядер, атомов и молекул действуют свои закономерности, которые невозможно описать законами обычной (классической) механики, установленными на основании изучения движения тел большой массы.

В этом микромире целый ряд физических величин при определенных условиях могут принимать только дискретный (прерывистый) ряд значений, то есть они, как говорят физики, квантуются.

Отсюда и произошло название квантовой механики, возникшей в середине двадцатых годов новой отрасли теоретической физики, изучающей законы микромира.

Другой важный принцип квантовой механики заключается в так называемом соотношении неопределенностей, согласно которому чем точнее фиксировано положение частицы в пространстве, тем больше разброс ее скорости.

Можно представить себе, что произошло, если бы принцип неопределенности оказывал существенное влияние и на события, происходящие в окружающем нас макромире.

Предположим, что мы с вами находимся на железнодорожном вокзале.

«Поезд Москва — Ленинград отправляется в двадцать два часа пятнадцать минут со второй платформы», — объявляет диктор радиоузла.

Итак, положение «материальной частицы» в пространстве, в данном случае железнодорожного состава, определено точно. При этом условии в соответствии с принципом неопределенности никто не смог бы определить скорость поезда, а следовательно, время его прибытия на конечный пункт.