Hoved vitenskap

Lev Davidovich Landau, russisk fysiker

Lev Davidovich Landau, russisk fysiker
Lev Davidovich Landau, russisk fysiker
Anonim

Lev Davidovich Landau, (født 9. januar [22. januar, ny stil], 1908, Baku, russisk imperium (nå Aserbajdsjan) - død 1. april 1968, Moskva, Russland, USSR), sovjetisk teoretisk fysiker, en av grunnleggerne av kvanteteorien om kondensert stoff hvis banebrytende forskning på dette feltet ble anerkjent med Nobelprisen for fysikk fra 1962.

Landau var et matematisk vidunderbarn og enfant forferdelig. Hans skolegang reflekterte sikksakkene fra radikale utdanningsreformer i den turbulente perioden etter den russiske revolusjonen i 1917. I likhet med mange forskere fra den første sovjetiske generasjonen fullførte Landau ikke formelt noen utdanningsstadier, for eksempel videregående skole. Han skrev heller ingen doktorgradsavhandling, ettersom akademiske grader hadde blitt opphevet og ikke ble gjenopprettet før i 1934. Han fullførte grunnfagskurs i fysikk ved Leningrad State University, hvor han studerte fra 1924 til 1927. I 1934 fikk Landau doktorgrad som en allerede etablert lærd.

Mens han fortsatt var student, publiserte Landau sine første artikler. En ny teori om kvantemekanikk dukket opp i Tyskland i løpet av disse årene, og 20-åringen klaget over at han var kommet litt for sent for å delta i den store vitenskapelige revolusjonen. I 1927 var kvantemekanikken i det vesentlige fullført, og fysikere begynte å jobbe med dens relativistiske generalisering og anvendelser til faststoff- og kjernefysikk. Landau modnet profesjonelt i Yakov I. Frenkels seminar ved Leningrad fysisk-tekniske institutt og deretter under sin utenlandsreise 1929–31. Støttet av et sovjetisk stipend og et Rockefeller-stipendium besøkte han universiteter i Zürich, København og Cambridge, og lærte særlig av fysikere Wolfgang Pauli og Niels Bohr. I 1930 påpekte Landau en ny effekt som følge av kvantiseringen av frie elektroner i krystaller - Landau-diamagnetisme, motsatt av spin-paramagnetismen som tidligere ble behandlet av Pauli. I en felles artikkel med fysikeren Rudolf Peierls argumenterte Landau for behovet for nok en radikal konseptuell revolusjon innen fysikk for å løse de økende vanskeligheter i relativistisk kvanteteori.

I 1932, kort tid etter at han kom tilbake til Sovjetunionen, flyttet Landau til det ukrainske fysisk-tekniske instituttet (UFTI) i Kharkov (nå Kharkiv). Nylig organisert og drevet av en gruppe unge fysikere, braste UFTI ut i de nye feltene innen kjernefysisk, teoretisk fysikk og lavtemperaturfysikk. Sammen med sine første studenter — Evgeny Lifshits, Isaak Pomeranchuk og Aleksandr Akhiezer - beregnet Landau effekter i kvanteelektrodynamikk og arbeidet med teorien om metaller, ferromagnetisme og superledelse i nært samarbeid med Lev Shubnikovs eksperimentelle kryogenikklaboratorium ved instituttet. I 1937 publiserte Landau sin teori om faseoverganger av den andre ordren, der termodynamiske parametere av systemet endres kontinuerlig, men symmetrien skifter brått.

Samme år forårsaket politiske problemer hans brå flytting til Pyotr Kapitsas institutt for fysiske problemer i Moskva. Institusjonelle konflikter ved UFTI og Kharkov-universitetet, og Landaus egen ikonoklastiske oppførsel, ble politisert i sammenheng med den stalinistiske rensingen og produserte en livstruende situasjon. Senere i 1937 ble flere UFTI-forskere arrestert av det politiske politiet, og noen, inkludert Shubnikov, ble henrettet. Overvåkning fulgte Landau til Moskva, hvor han ble arrestert i april 1938 etter å ha diskutert en anti-stalinist brosjyre med to kolleger. Ett år senere klarte Kapitsa å få Landau løslatt fra fengselet ved å skrive til den russiske statsministeren, Vyacheslav M. Molotov, at han krevde teoretikerens hjelp for å forstå nye fenomener som ble observert i flytende helium.

En kvanteteoretisk forklaring av Kapitsas oppdagelse av overfluiditet i flytende helium ble publisert av Landau i 1941. Landaus teori baserte seg på et begrep om kollektive eksitasjoner som hadde blitt antydet noe tidligere av Frenkel og fysiker Igor Tamm. En kvantisert enhet for kollektiv bevegelse av mange atompartikler, slik eksitasjon kan matematisk beskrives som om det var en enkelt partikkel av noe nytt slag, ofte kalt en "kvasipartikkel." For å forklare overflødighet, postulerte Landau at i tillegg til fononet (kvantet av en lydbølge) det finnes en annen kollektiv eksitasjon, roton (kvantet av virvelbevegelsen). Landaus teori om overfluiditet vant aksept på 1950-tallet etter at flere eksperimenter bekreftet noen nye effekter og kvantitative forutsigelser basert på den.

I 1946 ble Landau valgt til et fullstendig medlem av USSR Academy of Sciences. Han organiserte en teoretisk gruppe i Institute of Physical Problems med Isaak Khalatnikov og senere Alexey A. Abrikosov. Nye studenter måtte bestå en serie utfordrende eksamener, kalt Landau minimum, for å være med i gruppen. Gruppens ukentlige kollokvium fungerte som det store diskusjonssenteret for teoretisk fysikk i Moskva, selv om mange foredragsholdere ikke kunne takle det ødeleggende nivået av kritikk som ble ansett som normalt på møtene. I løpet av årene publiserte Landau og Lifshits sitt multivolume Course of Theoretical Physics, et viktig læringsverktøy for flere generasjoner forskningsstudenter over hele verden.

Det kollektive arbeidet til Landaus gruppe omfavnet praktisk talt alle grener av teoretisk fysikk. I 1946 beskrev han fenomenet Landau demping av elektromagnetiske bølger i plasma. Sammen med Vitaly L. Ginzburg oppnådde Landau i 1950 de riktige likningene av den makroskopiske (fenomenologiske) teorien om superledelse. I løpet av 1950-årene oppdaget han og samarbeidspartnere at selv i renormalisert kvanteelektrodynamikk dukker det opp en ny divergensvanskelighet (Moskva-null, eller Landau-polen). Fenomenet med at koblingskonstanten blir uendelig eller forsvinner ved en viss energi er et viktig trekk ved moderne kvantefeltteorier. I tillegg til sin teori om overflødighet i 1941, introduserte Landau i 1956–58 en annen type kvantevæske, hvis kollektive eksitasjoner oppfører seg statistisk som fermioner (som elektroner, nøytroner og protoner) snarere enn bosoner (for eksempel mesoner). Hans Fermi-liquid-teori ga grunnlaget for den moderne teorien om elektroner i metaller og bidro også til å forklare overflødighet i He-3, den lysere isotopen av helium. I arbeidene til Landau og studentene hans ble metoden for kvasipartikler vellykket brukt på forskjellige problemer og utviklet seg til et uunnværlig fundament for teorien om kondensert materie.

Selv etter ekteskapet i 1939 holdt Landau fast ved teorien om at en union ikke må begrense begge partnernes seksuelle frihet. Han likte ikke den naturlige filosofien til dialektisk materialisme, spesielt når han ble anvendt på fysikk, men han opprettholdt historisk materialisme - den marxistiske politiske filosofien - som et eksempel på vitenskapelig sannhet. Han hatet Joseph Stalin for svik mot idealene under revolusjonen i 1917, og etter 1930-tallet kritiserte han sovjetregimet som ikke lenger sosialistisk, men fascistisk. Landau var klar over at de tidligere politiske anklagene mot ham ikke offisielt var trukket tilbake, og utførte noen beregninger for det sovjetiske atomvåpenprosjektet, men etter Stalins død i 1953 avviste han klassifisert arbeid som ikke lenger nødvendig for hans personlige beskyttelse. Etterkrigstidens vitenskapskultur bidro til den offentlige anerkjennelse og heltedyrkelse han fikk i løpet av sine senere år. I 1962 fikk Landau alvorlige skader i en bilulykke. Legene klarte å redde livet hans, men han kom seg aldri nok til å komme tilbake på jobb, og han døde av påfølgende komplikasjoner.