9. «В 1956 г. Ландау создал теорию ферми-жидкости — квантовой жидкости, возбуждения которой обладают полуцелым спином. Эта теория получила широкое признание».
Теория квантовых жидкостей, созданная ранее для объяснения сверхтекучести частиц с целым спином — бозонов 4Не II (в ядро которых входят два протона и два нейтрона, каждый со спином 1/2), в дальнейшем была расширена Ландау на случай ферми-жидкостей, состоящих из фермионов (частиц с полуцелым спином). Ландау разработал теорию их поведения с помощью статистики Ферми-Дирака. При сверхнизких температурах в ферми-жидкости фермионы могут спариваться, образуя сверхпроводящий бозе-конденсат. Он состоит из частиц с суммарным нулевым спином, наподобие куперовских пар электронов в сверхпроводниках, подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна. На основе этой теории было предсказано сверхпроводящее состояние жидкого изотопа гелия 3Не, в ядро которого входят два протона и один нейтрон. Это сделал Л.П. Питаевский, который еще в 1958 г. рассчитал температуру перехода указанного изотопа гелия в сверхпроводящее состояние — около 0,002 К. Вскоре это экспериментально подтвердил при почти такой температуре, которая была предсказана, физик из Института физпроблем В.П. Пешков [Андроникашвили, 1980. С. 273].
По мнению некоторых физиков-теоретиков (А.А. Рухадзе и др.), провозвестником этой теории явились более ранние работы В.П Силина по электронным спектрам металлов. Они послужили для Л.Д. Ландау первотолчком, наведя на мысль обобщить эту теорию на жидкости. Впрочем, в статье у Л.Д. Ландау, написанной, как обычно Е.М. Лифшицем, сделана ссылка на статьи B.П. Силина (подробнее об этом см. в Предисловии А.А. Рухадзе к данной книге).
10. «Ландау впервые ввел принцип комбинированной четности, согласно которому все физические системы будут эквивалентными, только если при замене правой системы координат на левую одновременно перейти от частиц к античастицам».
Правая система координат X, Y, Z — это такая система, которая вращается как правый винт: если координатную ось X поворачивать по кратчайшему углу к оси Y против часовой стрелки, то винт, расположенный вдоль оси Z, пойдет вперед, т. е. будет ввинчиваться в пространство; если же оси X, Y поменять местами (как и оси в любой другой паре), то правая система превращается в левую систему координат. Кратчайший поворот от оси X к оси Y приведет к «вывинчиванию» оси Z. Левая система координат является зеркальным отражением правой системы. Операцию отражения называют инверсией пространства. Его легко наблюдать, например, рассматривая отражение в зеркале.
В 1956 г. американской китаянкой By экспериментально было открыто нарушение равноправия левой и правой систем координат в одной из реакций слабого взаимодействия, происходящего с испусканием нейтрино. Ландау «спас» пространственную симметрию, предложив одновременно с зеркальным отражением процесса распада частиц заменять их на античастицы. На встрече со студентами МГУ Ландау примерно так пояснил открытый им принцип: «Вы состоите из частиц. Посмотритесь в зеркало — там вы будете из античастиц». «Но ведь слияние частицы со своей античастицей, как электрона с позитроном, приводит к аннигиляции с выделением фотонов», — сказал один из студентов. «Да, — ответил Ландау, — если бы вы могли слиться со своим отражением, то произошел бы взрыв колоссальной силы. Только это, к счастью, невозможно». В ответе была, конечно, доля шутки, так как отражение человека в зеркале не является материальной заменой его тела на антитело. Но наглядность объяснения была полной.
О человеческих коллизиях в истории открытия несохранения четности см. далее рассказы И.С. Шапиро и Б.Л. Иоффе.
Научный гений Ландау не исчерпывается перечисленными 10-ю его достижениями. Поэтому продолжим их список.
11. В 1933 г. Ландау ввел понятие полярона. Это электрон в твердом теле, который, перемещаясь в зоне проводимости, теряет энергию, опускается ко дну зоны и там автолокализуется. Эта локализация происходит в потенциальной яме кристаллической решетки, возникшей вследствие локальной ее поляризации и деформации, вызванной самим электроном. Хотя поляроны как таковые пока не обнаружены экспериментально, но идея автолокализации элементарного носителя заряда в кристалле оказалась чрезвычайно плодотворной. Физики обнаружили явление автолокализации в твердом теле «антиэлектронов», называемых дырками. Дырка это — точечный дефект кристаллической решетки с положительным зарядом. Он возникает вследствие отсутствия в данной точке электрона, который в идеальной решетке там должен быть (отсюда название дырка). Автолокализованные дырки играют решающую роль в таких процессах, как электронный и дырочный типы проводимости, люминесценция, туннельные эффекты, запоминание информации в кристалле.