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朗道百年

减小字体 增大字体 作者:郝柏林  来源:不详  发布时间:2008-10-18 8:06:28
2008年是20世纪苏联最杰出的理论物理学家列夫·达维多维奇·朗道(Lev D. Landau)诞生100周年、逝世40周年.事实上,作为理论物理学家的朗道在1962年1月7日的车祸后已经消逝.他在当年被授予诺贝尔物理学奖,并在多方救治之下又存活了6年,于1968年4月1日去世.
  四十年来,已经出版了许多关于朗道的书籍和文章.特别是1989年由以朗道命名的俄国科学院理论物理研究所所长哈拉特尼科夫主编的《回忆朗道》文集[1],相当详细地介绍了朗道科学与生活的方方面面.2008年1月,俄国的高级科普刊物《自然》为朗道百年出版了专辑[2].俄国科学院物理学部在2008年1月22和23日举行了纪念朗道百年的学术会议,会议文集已经发表在2008年6月俄国的《物理学进展》杂志第178卷第6期[3].加之苏联解体以来,公布了大量过去的秘密档案,使人们对朗道经历中鲜为人知的方面有了较多认识.这篇短文将较少复述公开文献,而扼要介绍一些笔者个人的所知所思.
  
  1 生平
  
  1908年1月22日,朗道出生在石油之都巴库的一个工程师家庭.他13岁修完全部中学课程,1922年进入巴库大学,同时上化学系和物理数学系.两年后转入列宁格勒(今圣彼德堡)大学物理系.学生时代即在列宁格勒技术物理研究所参加科研,1927年毕业后成为该所研究生.那里当时在约飞1)院士周围聚集了苏联物理学界未来的一代精英.1926年,朗道发表了科学生涯中的第一篇文章,关于双原子分子光谱谱线强度的理论.1927年,他首先在论文中引入密度矩阵,作为比波函数更普遍的量子系统描述方式.
  1929年,21岁的朗道被派往国外一年半,访问了丹麦、英国和瑞士,特别是哥本哈根尼尔斯·玻尔领导的研究所.玻尔很赏识年轻的朗道,朗道也把玻尔视为自己的老师.在以后数十年里,他们还多有交往.这次访问期间,他发展了金属电子的“朗道抗磁”理论,从“泡利顺磁”分走了三分之一.电子在磁场中的“朗道能级”以及能级的态密度,这些在后来的量子霍尔效应理论中使用的基本概念,都首次出现在这篇文章里.
  1931年,朗道回到列宁格勒,翌年转到哈尔科夫的乌克兰技术物理研究所,担任理论室主任,不久后被聘为哈尔科夫大学理论物理教授.1937年,朗道转移到莫斯科,在卡皮查2)领导的物理问题研究所担任理论研究室主任.朗道在1946年当选为苏联科学院院士.除了在研究所工作外,朗道还多年在莫斯科大学和莫斯科工程物理学院任教,直至1962年发生车祸.
  
  2 对理论物理的贡献
  
  1958年朗道50寿辰时,研究所决定任何人都不要发表空洞演说,而要用独特的方式表示祝贺.原子能研究所的一位院士(I. K. Kikoin)带来一对大理石片,上面刻着朗道推导出的10个公式,称为“朗道十诫”.我们略去公式,列举“十诫”如下:(1)密度矩阵;(2)电子的朗道抗磁;(3)二类相变理论;(4)铁磁畴理论;(5)超导中间态;(6)原子核统计理论;(7)液氦II的超流理论;(8)量子电动力学中物理质量与初始质量的关系;(9)费米液体理论;(10)组合宇称守恒原理.
  这里根本没有提到首先引进反铁磁态、无碰撞等离子体中的“朗道阻尼”等重要贡献.“十诫”中有近七项同凝聚态物理有关.1962年授予朗道诺贝尔物理学奖的理由也是“他对于凝聚态物质特别是液氦的先驱性理论”.这些理论并没有冗长繁杂的数学推演,有些甚至是靠物理直觉“猜”出来的.我们只举几个例子.
  朗道最初考虑超流液氦中的元激发时,把旋子态能量最低点像光学声子那样画在动量为零处,后来在一次讨论中才把它移到动量不为零处.这样的元激发谱,多年后才被从微观理论推导出来.
  朗道抗磁理论还有一项有趣的发展.实验中发现金属铋的电子磁化率随静磁场的倒数而周期性地振荡(de Haas-van Alphen效应).派尔斯3)指出,朗道在计算抗磁磁化率时,使用泊松求和公式做变换时只保留了打头项,其实振荡效应就在下一项中.朗道推导出描述该效应的公式,请在物理问题研究所访问的英国低温物理学家D. Shoenberg同其实验对比,结果完全一致.这一成果从来没有单独发表,人们只能间接引用Shoenberg发表在伦敦皇家学会会刊上的论文,派尔斯为该文加了一个附录,说明公式的推导过程.
  朗道的二类相变理论,统一表述了相变现象的平均场理论.这是现在人们熟知的事实.然而这一理论还有更具体的内涵,即相变前后的物理状态必须遵从若干对称限制.二类相变的群论分析是由栗弗席兹在1940年代初完成的.
  铁磁畴理论的物理图象十分简单.由于散发在样品外的磁场能量和磁畴壁表面能的竞争,宏观磁体必定会自发分成磁化方向互相交错的磁畴.这一理论由朗道在1935年提出,而由栗弗席兹等详细实现.
  其实,朗道对理论物理的最重要的贡献是他所推崇的理论物理的思维方法和解决问题的方式.他明确区分“技术问题”和“理论物理”,把只谈“技术”的人从讨论班的讲台上撵下去.他厌恶并列各种因素、不突出物理关键的“理论”,把后者称为“消防队长的基本公式”(“火灾原因等于电线短路加煤气泄漏加小孩玩火……”).在1938年出版的《统计物理学》第一版序言中说,“本书不讨论所谓液体理论;这些理论通常包含足够多的参数,可以把任

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