Воспоминания о Л. Д. Ландау

В основе теории Ландау лежит представление об элементарных возбуждениях пли «квазичастицах» как носителях тепловой энергии жидкости. Читателям «Природы» это понятие известно из ряда уже публиковавшихся в этом журнале статей[83]. Поэтому здесь будет достаточно лишь напомнить, что квазичастица — чисто квантовое понятие, с помощью которого в квантово-механической картине описывается коллективное движение атомов тела. Так, вместо классического представления о звуковых волнах в жидкости возникает представление о квазичастицах-фононах, т. е. «квантах звука» (подобно тому как классическая картина электромагнитных волн заменяется в квантовой теории картиной световых квантов — фотонов). Каждая квазичастица обладает определенной энергией ε и определенным импульсом р; о зависимости ε от р говорят как об энергетическом спектре тела. Это основная характеристика макроскопического тела в квантовой теории.

^{Рис. 3. Энергетический спектр жидкого гелия}

По оси ординат отложена энергия ε кзазичастицы (измеренная в абсолютных градусах), а по оси абсцисс — величина р/ħ ее импульса (цифры на оси — значения величины р/ħ в

обратных ангстремах). Начальный линейный участок — фононы, участок вблизи минимума кривой — ротоны. Точки на кривой — результаты измерений по рассеянию нейтронов

Именно Ландау впервые поставил вопрос об энергетическом спектре макроскопического тела в таком наиболее общем виде, и он же нашел характер спектра для квантовой жидкости того сорта, каким является жидкий гелий. Основные свойства этого спектра были указаны уже в работе 1941 г., а окончательный его вид установлен через несколько лет, в 1947 г.

На рис. 3 изображен знаменитый график энергетического спектра жидкого гелия. Его начальная, прямолинейная часть отвечает зависимости ε = up

, где u — скорость звука; это — фононы. Квазичастицы, отвечающие участку кривой вблизи ее минимума, названы ротонами. Фундаментальное значение имеет факт существования на графике начального линейного участка, выходящего из начала координат под конечным углом. Именно это обстоятельство и приводит, как показал Ландау, к свойству сверхтекучести жидкости. Установление вида энергетического спектра жидкого гелия, исходя из одних только общих соображений и косвенных экспериментальных данных, — триумф научной интуиции и силы научного воображения.

В экспериментальном аспекте прямо© подтверждение предложенного Ландау спектра было дано в 1961—1964 гг. в опытах (проведенных в Швеции и США) по рассеянию нейтронов в жидком гелии. Эти опыты (описанные недавно в «Природе» М. И. Кагановым[84]

) дают возможность непосредственного измерения энергии и импульса отдельных квазичастиц. Их результаты оказались в блестящем не только качественном, но и количественном согласии с кривой Ландау, построенной на основании совершенно иных данных — результатов измерения тепловых характеристик жидкости. Интересно, что опыты по рассеянию нейтронов подтверждают, по-видимому, также и еще одно теоретическое предсказание: в 1959 г. Л. П. Питаевский при помощи разработанных к этому времени новых мощных методов статистической физики показал, что линия спектра должна обрываться при определенной энергии, имея в этой точке горизонтальную касательную.

В теоретическом аспекте большое значение имела опубликованная в 1947 г. работа Н. Н. Боголюбова, в которой впервые был дан последовательный вывод энергетического спектра макроскопического тела, исходя, как говорят, из «первых принципов» квантовой механики. Им рассматривалась теоретическая модель газа гелия, в котором частицы предполагаются слабо взаимодействующими друг с другом. Хотя, разумеется, такая модель не может претендовать на количественное сходство с реальной жидкостью, но для нее был получен требуемый качественный результат — начальный линейный участок спектра.

В этой статье не может бытщ конечно, дано сколько-нибудь детального изложения теории Ландау. Мы ограничимся здесь лишь описанием той весьма примечательной картины явлений, к которой эта теория приводит. Следует сказать, что примерно одновременно с Ландау, независимо от него, некоторые качественные представления описываемой ниже картины были высказаны венгерским физиком Л. Тиссой (находившимся в то время в Париже); его статья, опубликованная в 1939 г. во Франции, была получена в СССР в силу условий военного времени лишь в 1943 г.

ДВУХЖИДКОСТНАЯ МОДЕЛЬ ГЕЛИЯ II