В книге о великом физике, разумеется, нельзя избежать самой физики в той ее части, тех открытиях и формулах, которые явились главными продуктами их творца. Но сделать это в данном случае очень непросто. Понимание методов и результатов теоретической физики требует многолетней специальной подготовки, в частности, по математике. Теоретическая физика по-настоящему доступна лишь узкой группе профессионалов, которых во всем мире насчитывается порядка нескольких тысяч человек. Поэтому для нефизиков, наверное, следует пояснить в нескольких словах, чем теоретическая физика занимается.
Схематично можно сказать, что теоретическая физика — (1) объясняет непонятные результаты экспериментов и (2) предсказывает неизвестные свойства материи и полей, опережая эксперимент. Ее объекты исследования — от квантов и элементарных частиц до Вселенной. Работа проводится с помощью огромного и очень сложного математического аппарата. В этой связи заметим, что не следует путать теоретическую физику с математической физикой. Последняя — важный раздел математики; он оперирует с дифференциальными уравнениями, которые решают в частных производных с различными краевыми условиями; решения получают в виде различных систем специальных функций (Бесселя, Лежандра и т. д.). Теоретическая физика гораздо шире. По своей природе это — прежде всего физика. Математика же, хоть и абсолютно необходима, но вторична, ее «подбирают» под решаемую задачу. Причем нередко математических способов решения бывает несколько.
Примером задачи первого типа, решенной Ландау, является его наивысшее достижение — объяснение сверхтекучести гелия, удостоенное Нобелевской премии. В других областях физики Ландау выяснил детальный механизм ферромагнетизма, структуру промежуточного состояния сверхпроводников, причину нарушения четности при некоторых ядерных реакциях и многое другое. Примерами задач второго типа служат предсказание Ландау неизвестных явлений: диамагнетизма электронов в магнитном поле, затухания электромагнитных волн в плазме в отсутствие «трения» (столкновений) электронов, возникновения второй ударной волны при взрыве. Им построена теория квантовой ферми-жидкости. Последнее вскоре позволило его ученику Л.П. Питаевскому предсказать сверхтекучесть «гелия-три» (изотопа с двумя протонами и одним нейтроном). Позже англо-американец Дж. Легетт раз вил эту теорию для весьма сложного случая частиц с целым спином, равным 1 (а не нулю!), и получил за это Нобелевскую премию в тройке с В.Л. Гинзбургом (за общую макроскопическую теорию сверхпроводимости) и А.А. Абрикосовым (за теорию сверхпроводников второго рода).
Правильная теория, созданная для объяснения неизвестного явления, позволяет предсказать другие явления, которые затем обнаруживают при целенаправленных экспериментах. Так, теория сверхтекучести позволила предсказать, например, возможность возбуждения в сверхтекучем гелии продольных волн «второго звука» с совершенно необычными свойствами (предсказанного Е.М. Лифшицем и обнаруженного затем на опыте В.П. Пешковым). Но есть задачи теоретической физики, которые в принципе невозможно проверить в опытных условиях на Земле. Это задачи, относящиеся к космологии и астрофизике. Невозможно, например, воспроизвести в прямых экспериментах прошлое нашей Вселенной, убедиться в сверхтекучести в нейтронных звездах. Тем не менее, теоретикам удалось построить непротиворечивые теории этих состояний, которые согласуются с существующими общепринятыми теориями и законами (общей теорией относительности, законами сохранения), и подтверждаются всеми имеющимися опытными фактами (расширение Вселенной, реликтовое излучение и др.).
Ландау был последним универсалом среди физиков-теоретиков, он работал по всему широчайшему фронту этой науки. Между тем, дальнейшая все более узкая профессионализация привела к тому, что даже если физик-теоретик работает в области космологии и астрофизики, то он мало разбирается в теории твердого тела или в вопросах гидродинамики или ядерной физики.
А вот еще одно нетривиальное наблюдение, высказанное А.А. Абрикосовым: «…Дау никогда не “приписывался” к чужим работам. Сейчас очень распространилась тенденция, чтобы ученики включали своего научного руководителя, зав. лабораторией, директора института и т. п. в соавторы. Соавторство Дау означало, что а) идея работы в значительной степени принадлежит ему и б) он реально участвовал в расчетах. Если хотя бы одно из этих условий не было выполнено, то он от соавторства отказывался. Если бы это было не так, то число его работ (примерно 120) надо было бы увеличить в 30–40 раз, ведь все его ученики приносили ему свои работы и не было случая, чтобы он что-то в них не внес» [Воспоминания..., 1988. С. 37].
Строго говоря, это так. Ландау к чужим законченным работам свое имя никогда не приписывал… Но можно ли поставить вопрос чуть шире: не бывало ли так что Ландау перехватывал идеи, которыми с ним делились ученики, а затем мгновенно их развивал и публиковал только от своего имени? По крайней мере, истории с принципом комбинированной четности и с фононами в сверхтекучем гелии, рассказанные соответственно Б.Л.Иоффе и А.Б. Мигдалом (см. далее), позволяют поставить здесь знак вопроса.
Для освещения основных достижений Ландау в теоретической физике необходимо выбрать концепцию, следуя которой попытаться хотя бы обозначить их ключевыми словами (понятиями) на научно-популярном языке, доступном, скажем, для заинтересованных студентов физико-математических и, может быть, технических специальностей. В какой-то степени при решении этой задачи можно использовать страницы воспоминаний о творчестве Ландау, написанные Е.М. Лифшицем в статье, с которой начинается книга «Воспоминания о Л.Д. Ландау» [1988]. Однако изложение Лифшица все же достаточно специальное, хотя некоторые места из его текста ниже использованы.
В качестве стержневой схемы при перечислении научных достижений Ландау воспользуемся так называемыми Скрижалями Ландау (см. фото во вклейке). Они были изготовлены к его 50-летию. Академик И.К. Кикоин преподнес юбиляру мраморные скрижали от имени Института атомной энергии имени И.В. Курчатова. На них выгравированы «10 заповедей» Ландау в виде 10 формул главных его открытий. Фотографии этих скрижалей несколько раз появлялись в научно-популярных журналах, в т. ч. в «Сайентифик Америкен», так что в каком-то смысле они канонизированы историографами Ландау. Сейчас Скрижали находятся в мемориальном музее П.Л. Капицы при Институте физпроблем в Москве, на улице Косыгина.
В 1968 г. журнал «Природа» (№ 1) опубликовал фотографию этих скрижалей и комментарии И.К. Кикоина к 10-ти «заповедям». Приводим ниже эти комментарии без сокращений и правки как цитаты (в кавычках). Однако и они слишком трудны для восприятия нефизиками; по-видимому, это явилось причиной того, что в ряде случаев Кикоин ограничивается общими фразами, кратко называя открытие Ландау, не поясняя его физической сущности, лишь добавляя, что оно сейчас широко используется в физике. Поэтому мы приводим свои упрощенные и несколько более широкие пояснения, которые, как надеемся, сделают чуть понятнее то, о чем идет речь в конкретных пунктах на Скрижалях (эти пояснения даны после слов Кикоина без кавычек).
Кроме того, некоторые важные достижения Ландау не вошли в Скрижали. То ли это произошло, потому что авторы подарка не хотели выходить за рамки именно 10-ти заповедей, то ли по другим каким-то причинам… Так или иначе, постараемся восполнить этот пробел, создав третью «скрижаль».
Что же выписано на двух канонических Скрижалях, подаренных Ландау?
1. «Л.Д. Ландау в 1928 году впервые ввел понятие матрицы плотности, которое широко используется в современной квантовой статистике и просто в квантовой механике».
