Lev Landau: φυσικός και επαναστάτης

Άρθρο, Φεβρουάριος 2004

Ένα παρ' ολίγον μοιραίο ατύχημα, πριν 42 χρόνια περίπου, στέρησε τη θεωρητική φυσική από ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά της κοινότητας των φυσικών, το Lev Landau. Και μέχρι το θάνατό του δεν μπόρεσε να εργαστεί, ενώ λίγο αργότερα (1962) του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ φυσικής. Η κληρονομιά του είναι ζωντανή σε πολλούς κλάδους της φυσικής. Ιδιαίτερα όμως, στον τομέα της υπερευστότητας, της υπεραγωγιμότητας και του μαγνητισμού.

Είναι από τους πιο γνωστούς φυσικούς του περασμένου αιώνα, όχι μόνο για την ανάπτυξη της φυσικής αλλά και γιατί υπήρξε ένας από τους καλύτερους δασκάλους της θεωρητικής φυσικής. Είχε την εποπτεία της συγγραφής ενός 10-τομου έργου με τίτλο "Μαθήματα Θεωρητικής Φυσικής", στο οποίο ασχολήθηκε μια δωδεκάδα φυσικών.

Περίπου, δώδεκα εργασίες του αποτελούν ορόσημο για τη φυσική και φέρουν το όνομά του. Οι σπουδαιότερες ανακαλύψεις του, είναι η θεωρία Landau του διαμαγνητισμού των ελεύθερων ηλεκτρονίων (1930),  η θερμοδυναμική θεωρία των μεταβάσεων φάσης δευτέρας τάξης (1937).

Όταν ο P. Kapitsa το 1938 ανακάλυψε τη θεωρία της υπερρευστότητας του υγρού ηλίου, ο Landau ξεκίνησε μια συστηματική και μεγάλη έρευνα που τον οδήγησε στην ανάπτυξη της πλήρους θεωρίας των κβαντικών υγρών σε πάρα πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Από το 1941-47 αφιερώθηκε στη θεωρία των κβαντικών υγρών "τύπου Bose", όπως είναι το υπέρρευστο υγρό ήλιο (το συνηθισμένο ισότοπο ⁴He). Κατά τη διάρκεια της διετίας 1956-1958 διατύπωσε τη θεωρία Landau των κβαντικών υγρών τύπου Fermi, για παράδειγμα το υγρό ήλιο του ισοτόπου ³He.

Το φυσικό αέριο ήλιο είχε υγροποιηθεί νωρίτερα στους τέσσερις βαθμούς περίπου πάνω από το απόλυτο μηδέν και η έρευνα έδειξε ότι αυτό το ρευστό όταν ψύχθηκε ακόμη δύο βαθμούς κάτω, μετασχηματίστηκε σε μια νέα κατάσταση που έχει αρκετά παράξενες ιδιότητες. Σύμφωνα με έναν όρο, που εισήχθη από τον Kapitsa, είναι υπερρευστό που σημαίνει ότι μπορεί να περάσει εύκολα πολύ λεπτά τριχοειδή αγγεία και σχισμές, που σχεδόν εντελώς αποτρέπουν τη ροή όλων των άλλων υγρών.

Η πρωτοτυπία που έδειξε ο Landau στην εξήγηση των προβλημάτων αυτών ήταν ότι μελέτησε τις κβαντοποιημένες καταστάσεις της κίνησης ολόκληρου του υγρού αντί των καταστάσεων των απλών ατόμων όπως άλλοι επιστήμονες είχαν κάνει νωρίτερα.

Ο Landau ξεκίνησε με την εξέταση της κατάστασης του ρευστού στην απόλυτη θερμοκρασία μηδέν, που είναι η θεμελιώδης κατάσταση του. Περιέγραψε τις διεγερμένες καταστάσεις του υγρού με τη βοήθεια της κίνησης ορισμένων φανταστικών σωματίων, των ημισωματίων (quasiparticles). Ο Landau συνδύασε τα πειραματικά αποτελέσματα με τους υπολογισμούς του και συνήγαγε κατ' αυτό τον τρόπο τις μηχανικές ιδιότητες των ημισωματίων.

Αυτά τα αποτελέσματα, από τα οποία θα μπορούσαν να υπολογιστούν οι ιδιότητες του ρευστού, αργότερα επιβεβαιώθηκαν άμεσα από τις έρευνες στη σκέδαση των νετρονίων με το υγρό ήλιο. Τέτοια πειράματα εκτελέσθηκαν αρχικά στη Στοκχόλμη.

Ο Landau το 1957, εν συνεχεία διαπίστωσε ότι στο υγρό ήλιο διαδίδονται εκτός από τα συνηθισμένα ηχητικά κύματα επίσης κύματα ενός "δεύτερου ήχου" ή "μηδενικού ήχου". Αργότερα ένας ρώσος επιστήμονας στη Μόσχα επιβεβαίωσε αυτό το φαινόμενο πειραματικά.

Άλλες εργασίες του είναι η απόσβεση Landau στο πλάσμα (1946), η φαινομενολογική θεωρία Ginzburg-Landau της υπεραγωγιμότητας (1950). Επίσης, εργάστηκε στην κβαντική θεωρία πεδίου, στη μηχανική των ρευστών και πάνω στη θεωρία της στερεάς κατάστασης.

Αλλά η φήμη του είναι, βεβαίως, πολύ μεγαλύτερη από ό,τι δείχνουν αυτές οι συγκεκριμένες ανακαλύψεις του.

Οι δημοσιευμένες εργασίες του Landau είναι πολύ λακωνικές - αποτελούνται κυρίως από τύπους και μερικές εξηγήσεις του τι είναι σωστό και τι είναι λάθος, χωρίς καμιά ικανοποιητική εξήγηση. Ακόμα και οι πανεπιστημιακοί φυσικοί συναντούσαν μεγάλες δυσκολίες να καταλάβουν από που προέρχονται οι σκέψεις του.

Η ζωή του

Ο Lev Davidovic Landau γεννήθηκε στο Μπακού του Αζερμπαϊζάν στις 22 Ιανουαρίου του 1908, και ήταν γιος ενός μηχανικού και μιας παθολόγου. Πέθανε στη Μόσχα την 1η Απριλίου του 1968.

Ο Landau το 1922, όταν ήταν δεκατεσσάρων μόνο ετών, μπήκε στο Πανεπιστήμιο του Μπακού στο Αζερμπαϊτζάν με έφεση για τα μαθηματικά, τη φυσική και τη χημεία. Τότε, μελέτησε φυσική στο τμήμα Μαθηματικών και Φυσικής, αλλά μελέτησε επίσης και χημεία, που παρέμεινε ένα από τα ενδιαφέροντά του σε όλη του τη ζωή.

Αφού αποφοίτησε από το Φυσικό τμήμα του Πανεπιστημίου του Λένινγκραντ σε ηλικία 19 ετών, άρχισε την επιστημονική του σταδιοδρομία στο Φυσικο-Τεχνικό Ινστιτούτο του Λένινγκραντ. Τα χρόνια 1929 - 1931 τα πέρασε στο εξωτερικό, εν μέρει ως συνεργάτης του Ιδρύματος Rockefeller, δουλεύοντας στη Γερμανία, την Ελβετία, Αγγλία και, ειδικά, στην Κοπεγχάγη κάτω από την εποπτεία του Niels Bohr.

Το 1962 είχε ένα αρκετά σοβαρό αυτοκινητιστικό ατύχημα, μένοντας 6 εβδομάδες σε κρίσημη κατάσταση. Πολλές φορές οι γιατροί του τον είχαν αναφέρει σαν κλινικά νεκρό.

Αργότερα, ο Landau επανήλθε σε φυσιολογική κατάσταση, αλλά δυστυχώς δεν μπόρεσε πια να εκτελέσει καμιά δημιουργική εργασία.

Το 1964, παρά την ασθένειά του, φυλακίστηκε ως πιθανός γερμανός κατάσκοπος. Έγραφε, τότε, για το γεγονός αυτό:

Πέρασα ένα χρόνο στη φυλακή και ήταν σαφές ότι δεν θα μπορούσα να ζήσω αν έμενα στη φυλακή για ενάμισι χρόνο.

Οι Ρώσοι επιστήμονες προσπάθησαν να πιέσουν τις αρχές να τον απελευθερώσουν, με επικεφαλής τον κορυφαίο φυσικό Peter Kapitza, που απείλησε ότι θα σταματούσε την επιστημονική του εργασία, εκτός κι αν απελευθερωνόταν ο Landau.

Μεταξύ του 1932 - 1937 ήταν επικεφαλής του θεωρητικού τμήματος του Ουκρανικού Φυσικο-Τεχνικού Ινστιτούτου στην πόλη Kharkov, και από το 1937 τέθηκε επικεφαλής του θεωρητικού τμήματος για τα προβλήματα φυσικής στην Ακαδημία των Επιστημών της ΕΣΣΔ στη Μόσχα. Ταυτόχρονα, δίδασκε συνεχώς ως καθηγητής της θεωρητικής φυσικής στα κρατικά πανεπιστήμια Kharkov και της Μόσχας.

Εργάστηκε πάνω στις ατομικές συγκρούσεις, την αστροφυσική, τη χαμηλής θερμοκρασίας φυσική, την ατομική και πυρηνική φυσική, τη θερμοδυναμική, την κβαντική ηλεκτροδυναμική, την κινητική θεωρία των αερίων, την κβαντική θεωρία πεδίου καθώς και τη φυσική του πλάσματος.

Με τη θεωρητική του εργασία πάνω στην ερμηνεία του υπέρρευστου υγρού ηλίου,  κέρδισε το βραβείο Νόμπελ του 1962 για τη φυσική.

Το 1946 εκλέχτηκε μέλος της Ακαδημίας των Επιστημών της ΕΣΣΔ. Το 1962 έλαβε, μαζί με τον E.M. Lifshitz, το βραβείο Επιστημών Λένιν για το έργο του "Μαθήματα Θεωρητικής Φυσικής".

Ο Landau έγινε μέλος της Βασιλικής Εταιρείας στο Λονδίνο, της δανικής Βασιλικής Ακαδημίας των Επιστημών, της ολλανδικής Βασιλικής Ακαδημίας των Επιστημών, της Εθνικής Ακαδημίας των Επιστημών των ΗΠΑ, της Ένωσης Φυσικών του Λονδίνου, και της Εταιρείας Φυσικής της Γαλλίας. Το 1961, έλαβε το ανώτατο μετάλλιο Planck και το Λονδρέζικο βραβείο Fritz.

Πέθανε έξι χρόνια (1968) μετά από το ατύχημά του, ενώ ποτέ δεν είχε ανακτήσει εντελώς τις ικανότητες του.