列夫·朗道诞辰111周年

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列夫·朗道诞辰111周年

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列夫·达维多维奇·朗道(俄语:Лев Дави́дович Ланда́у,英语:Lev Davidovich Landau,1908年1月22日-1968年4月1日),前苏联知名物理学家,凝聚态物理学的奠基人,苏联科学领军人之一,在理论物理里多个领域都有重大贡献。他标新立异,爱打破传统,并以精炼的著作风格和高傲的性格而为人熟知。他由于“关于凝聚态物质的开创性理论,特别是液氦”获得1962年的诺贝尔物理学奖。1962年,仍活跃于研究前沿的朗道发生严重车祸,智力和记忆力均受损,身体状况大不如前,6年后去世。

朗道去世多年后,阿列克谢·阿布里科索夫及维塔利·金兹堡凭借早年与朗道共同建立的超导体和超流体理论也于2003年获得诺贝尔物理学奖。

早年

1908年1月22日,列夫·朗道出生于俄国里海边上的石油城巴库(今阿塞拜疆共和国首都)。“列夫”(Лев)这个名字在俄语里是“雄狮”的意思。他的父亲达维特·勒沃维奇·朗道(Давид Львович Ландау)是犹太人,为一名当地油田上的工程师;母亲柳波芙·维尼娅米诺夫娃·嘎尔卡维-朗道(Любовь Вениаминовна Гаркави-Ландау)则是一名医师。朗道小时候身体瘦弱,性格高傲倔强,而且表现出很高的数学天赋。13岁时,朗道中学毕业。父母认为他年龄还不够上大学,便让他入读巴库经济专科学校。

1922年,他年满14岁,被巴库国立大学录取,成为该校年龄最小的学生。他同时攻读两个科系:数学和物理学系和化学系。虽然后来不再继续学习化学,但仍一直维持对这门学科的兴趣。1924年,朗道转至列宁格勒国立大学,在这儿他第一次认识到真正的理论物理,并且决定全心投入这方面的研究。朗道在列宁格勒大学时常与德米特里·伊万年科和乔治·伽莫夫交流物理前沿的学习心得,这三人被称为该校的新锐少年“三剑客”。(有的说法把马特维·布朗施坦因也算进去了。)1927年从该校毕业后,他进入列宁格勒物理技术学院,并在1929年(21岁)取得副博士学位。同年,在苏联政府和洛克菲勒基金会的资助下,朗道得以游历欧洲作研究。
游学欧洲

朗道此次游学欧洲收获丰富。在哥廷根(有马克斯·玻恩在)和莱比锡(有维尔纳·海森堡在)短暂地停留之后,朗道来到哥本哈根玻尔研究所,跟从著名物理学家尼尔斯·玻尔等人研究量子力学。在那里,朗道参加了玻尔主持的理论物理讨论班,初步展露出才华。22岁的朗道提出了金属电子的抗磁性理论。爱因斯坦有一次作演讲时被年轻的朗道敏锐地指出了一处推理漏洞,转而对着黑板思索后说:“后面那位年轻人说得完全正确,诸位可以把我今天讲的完全忘掉。”玻尔在物理方面的直觉也令朗道佩服不已,后来朗道时常提到自己是玻尔的学生,虽然这次他只在玻尔研究所工作了4个月(他在1933年和1934年又来到哥本哈根)。之后,朗道还访问了剑桥和苏黎世(有沃尔夫冈·泡利在)。瑞士苏黎世读博士后的同学皮尔斯(Rudolph Reierls)回忆说:“我还清晰记得朗道1929年在苏黎世出现在泡利的系里时,给我们留下的深刻印象。 …没过多久就能发现他对现代物理学的深刻认识和他解决基础问题的技巧。他很少详细阅读理论物理学的论文,只是大概看看问题是否有趣,如果有趣,作者的方法是什么。然后他开始自己计算,如果答案和作者的一致,他就赞同这篇文章。”他在剑桥时,参访了欧内斯特·卢瑟福主持的卡文迪许实验室,并在那里结识了另一位苏联物理学家彼得·卡皮查。
回国

1931年,朗道回到苏联。1932年-1937年,他担任哈尔科夫理工学院的理论部主任,在此遇上了得意门生叶夫根尼·利夫希茨(又译为“栗弗席兹”),并一起开始筹划编写名著《理论物理学教程》。“朗道学派”(Landau school)在此期间开始萌芽,哈尔科夫理工学院成为苏联物理学的研究中心。1934年,他未经答辩便直接获得物理与数学科学全博士学位。1937年,朗道前往莫斯科,在卡皮查的物理问题研究所担任理论部主任。
入狱及中后期研究

在大清洗期间,朗道受到官方调查。1938年4月28日,朗道和他的两位友人因“煽动反革命罪”被捕,囚禁在内务人民委员部的监狱。为了把朗道保释出来,卡皮查私底下写信给斯大林担保朗道的行事作为,并亲赴莫斯科克里姆林宫为朗道说情。卡皮察担保全苏联只有朗道才能解决自己一年前在实验中所发现的液氦超流态的物理机制问题,从而为苏联在国际上争光。高层人物贝利亚相信了卡皮察关于朗道的能力对国家有利用价值的说法,并为释放朗道打通关系。在卡皮查等人的努力下,朗道一年后获释。朗道不负众望,成功建立了液氦超流性的理论。

1946年,仍有政治问题嫌疑的朗道在贝利亚的许可下当上了苏联科学院院士。 朗道曾经参与苏联的核武器研制计划,在其中进行数值计算方面的工作,并因此2次获得斯大林奖,还在1954年被授予“社会主义劳动英雄”称号。

1956年,他见到了小自己一辈的百科全才默里·盖尔曼。盖尔曼和朗道一样都是看不起应用研究的理论物理名家。
车祸与晚年

1962年1月7日,朗道出了一次严重的车祸,震动了整个物理学界。众多苏联物理学家聚集到朗道的病房,在医院的长廊点上烛光为他祈祷。玻尔亲自安排了一流的医生前往莫斯科。著名神经外科专家怀尔德·潘菲尔德都有参与救治朗道。车祸严重损害了朗道的身体健康。在昏迷了大约两个月后,朗道醒来,但智力已经发生了严重的退化。这年年底,诺贝尔物理学奖授予朗道,表彰他在液态氦的超流体理论方面作出的贡献。由于健康原因,奖项破例由瑞典驻苏联大使在莫斯科代为颁发。

1968年4月1日,朗道因于车祸后健康逐渐恶化去世,享年60岁。死后其遗体下葬在莫斯科新处女公墓

朗道十诫

朗道是凝聚态物理学的主要开拓者。该学科在朗道的推动下快速发展起来,现在已经形成一个热门且应用价值广泛的物理学主要分支,涵盖固体物理、金属物理、粘稠流体、超导物理、物态及相变、介观物理学、巨磁阻效应等多个大的子研究领域,其中有数项重要观点和概念都是朗道第一个提出的。1958年,为了庆祝朗道的50岁寿辰,苏联原子能研究所赠送给他两块青石板,上面仿照《圣经》中的“摩西十诫”,刻着朗道在物理学中作出的最重要的十项贡献,被称为“朗道十诫”:

量子力学中的密度矩阵和统计物理学(1927年);
自由电子的抗磁性量子理论(1930年);
二级相变的研究(1936~1937年);
铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释(1935年);
超导体的混合态理论(1934年);
原子核的几率理论(1937年);
氦Ⅱ超流性的量子理论(1940~1941年);
基本粒子的电荷约束理论(1954年);
费米液体的量子理论(1956年);
弱相互作用的CP不变性(1957年)。

朗道的数学功底非常扎实,喜欢用简单而深刻的物理模型说明问题。这种风格受到了玻尔的影响,也深深影响了后世的苏联物理学家。

核武器

朗道从事应用方面的研究时也喜欢玩高观点、搞新技术。应用研究很少见于朗道的论文集,参与核武器研发就是他研究生涯中少有的被迫从事应用类研究的例子。朗道在雅可夫·泽尔多维奇的带领下负责数值计算工作,但朗道并不像美国对手们一样使用计算机解决计算计算量很大的难题,这说明他发明了更厉害的新计算方法以绕过传统方法的计算困难。他此期间的工作后来编成了1958年出版的讲义《一种基于网格法的偏微分方程数值方法》(Numerical Methods of an Integration of Partial Equations by a Method of Grids)。

他还曾与其它几位苏联专家一起论证了从美国对手爱德华·泰勒那边秘密搞过来的一种设计方案的不可行性。等到约瑟夫·斯大林一去世,朗道就设法找机会脱离了苏联的核计划。
宇宙学

在宇宙学方面,朗道早在1931年春天同尼尔斯·玻尔、莱昂·罗森菲尔德等人讨论时,就猜想宇宙中会存在特别致密的天体,但其论文到1932年才发表。1932年,中子被发现后,朗道随即大胆地提出了“中子星”一词(更确切地说,朗道称其为“中子核”)。朗道在只有4页纸的简短论文中,独立推导出了著名的钱德拉塞卡极限。朗道发表的致密星体研究和命名中子星的举动为当时因巨大质量星体演化理论不被认可而遭到孤立的印度青年天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡提供了支持。朗道还曾半开玩笑地提到过,也许世界上还会出现核心密度大到“连常规量子力学定律都不再适用”(”the laws of ordinary quantum mechanics break down…”)的奇怪天体。

美国物理学家罗伯特·奥本海默当时也关注了朗道的论文,并从中获得灵感。奥本海默后来算出了同样知名的奥本海默极限。
教育工作

朗道对学生的要求极其严格,他的学生要做大量的习题,毕业之前还要通过朗道难度极大的考试。他和学生叶夫根尼·利夫希茨编写的《理论物理学教程》深度和难度都很大,被奉为20世纪物理学的经典著作。按照利夫希茨的最后筹划,整套书俄文版总篇幅超过4600页。朗道的学生在进行科研工作之前都要通读此书,并通过基于这些教材的困难考试。朗道称通过其考试只是“理论最低要求”(theoretical minimum),学生则用双关语戏称其为“朗道势垒”。朗道在考试时会离开教室,然后每隔20分钟巡视一次,遇到解题思路不对的学生会在其身旁发出声响作为暗示。从1934年到朗道出车祸前的1961年,在这近30年的时间内仅有43人成功通过考试。这43人中至少有18人后来成为苏联或加盟共和国的科学院院士或通讯院士,有1位获得诺贝尔物理学奖,还有一部分人因之前备考压力过大而在通过考试后丧失了对物理的兴趣。除此之外,朗道还要求学生务必熟练掌握英文和德文。

朗道是苏联理论物理学界“朗道学派”的领袖,与他好友伊戈尔·塔姆带领的“塔姆学派”及尼古拉·博戈柳博夫的学派都是苏联理论物理研究的主力军。朗道和塔姆在学风和对核计划的态度上完全不同,但是在生活里走得很近,以至于苏联中央委员会认为“塔姆-朗道”集团是串通好了要一起将党的影响力排斥在科学研究之外。

苏联早期的物理学界可以粗略分为2类派系:发展西方新物理学(相对论和量子论)的进步派和不支持(甚至是抵制)新物理学的保守派。矛盾的产生是由于辩证唯物主义已经成为苏联的意识形态基础,但量子论和相对论中的许多概念经常被一些不了解的人误指为是一种唯心主义。进步派在人数比例上占优,但是经常需要应对来自政府官员的质疑。朗道、伊戈尔·塔姆,以及更早一辈的阿布拉姆·约菲(常简称为“约飞”)、利奥尼德·曼德斯塔姆、德米特里·罗日杰斯特文斯基等人都属于进步的一派。
政治倾向

关于入狱一事,据后来解密的克格勃文件显示,朗道经查实确实有秘密加入反政府团体,以及在反政府游行的传单上签名,并准备散布出去。这可能是由于朗道对于斯大林政府的所作所为感到失望和不满。(朗道有不少同事都在先前的政治运动中遭受冲击,甚至被处死。例如马特维·布朗施坦因以及伊戈尔·塔姆的1个弟弟都没能保住性命,朗道的好友尤里·鲁莫尔也于1938年锒铛入狱。)不过由于好友彼得·卡皮查全力担保朗道是“因平时不积口德、不会处理人际关系而被人诬陷”,以及朗道本人确实拥有出众的科研实力,斯大林最后宽容了他。朗道出狱后迅速建立了描述液氦超流态的理论,为苏联在国际上争了光,并在此后极少提及自己在监狱的经历。苏联的克格勃机关则没有放松对他的监视,指控也没有撤销掉。也有说法支持朗道是清白无辜的。

朗道是理想主义者,倾向于共产主义,自认为是世界公民,也是爱国者,追求平稳缓和的政治演变,但是不喜欢专制极权,也不想看到社会出现混乱和动荡,对民族主义有着警惕的心,认为苏联出于政治需要的过度爱国主义宣传“妨碍了我国的科研工作”。他认为苏联的制度问题起源于列宁所犯的错误,而且觉得苏联的这条路走不长久。

1930年,朗道的父亲曾因从事破坏活动被捕。
个人生活
性格

朗道性格高傲,脾气暴躁,经常出言不逊,批评其同事和老一辈物理学家,辱骂学生,这使他一生树敌众多[需要更好来源]。朗道有一定的精神洁癖,看待问题容易绝对化。据说自从和大学时代的好友德米特里·伊万年科因政治方面的原因而决裂后,他就把对方说得一无是处,而且再也没把和对方合作过的作品收录于自己的选辑中。只是在朗道面前提起伊万连科的名字都会导致和朗道处不好关系。有人曾在他的办公室门上写“当心!此君咬人!”(Beware! He bites!)。他在列宁格勒物理研究所因为得罪了老师阿布拉姆·约菲而离开,后来又在哈尔科夫研究所因为得罪院长而离开。其好友尤里·鲁莫尔说朗道在成名后,锋芒有所收敛。

有很多涉及朗道傲慢自大一面的传闻在其同事们和徒子徒孙中口口相传,其中不可避免地会有一定程度的扭曲、杜撰的情况存在。这些传闻有不少已经收录进入正式的文献资料,所以有一部分历史真相变得难以考证了。

朗道与另一位苏联理论物理大师雅可夫·泽尔多维奇本来也是好朋友。朗道在核武器研究期间就是在泽尔多维奇带领的小组工作。泽尔多维奇视朗道为老师,朗道则推荐泽尔多维奇入选科学院通讯院士(要成为苏联的院士先要有通讯院士的资格)。不过从50年代开始,朗道对泽尔多维奇不再友好。因为泽尔多维奇总是想拉朗道入伙去从事机密的工作,但是朗道很不情愿。

据物理学者管惟炎回忆,朗道是一个不怎么注意个人外在形象的人。朗道爱标新立异,常穿一身搭配十分奇怪的装束上班,这多半是为了出风头。
婚姻
[icon] 本章节需要扩充 (2018年9月24日)

1937年,朗道同孔克尔迪亚·德罗班特塞娃(俄语:Конкордия Терентьевна Дробанцева,英语:K. T. Drobanzeva,1908–1984)结婚。其独生子伊戈尔(俄语:Игорь Ландау,英语:Igor Landau,1946–2011)后来成为实验物理工作者。
朗道的排名

朗道爱以对数尺度给各种事物(包括物理学家、科学文章和女性等等)作高低排名。

朗道作了一张物理学家名字的列表,上头以数值 0 到 5 作了分等级的排名。排在最前面的是艾萨克·牛顿,数值为0,其后是爱因斯坦,为 0.5 。数值 1 则献给了量子力学的奠基者(尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡、保罗·狄拉克、埃尔温·薛定谔)以及与他同时代的天才尤金·维格纳等。朗道将自己列为2.5级,后来又将自己提升到2级。
逸闻

朗道喜欢让自己的学生和关系亲近的人称呼他为“道”(俄语:Дау,英语:Dau)而非“朗道”。据说这个绰号是德米特里·伊万年科给他起的。

朗道曾在课堂黑板上方悬有一幅油画《牧人吹笛羊群吃草》。朗道自认为是画中的牧人,而学生是羊,上课如同吹着笛子催羊吃草。英文版的《理论物理学教程》还附有一幅流传广泛的“对驴讲经图”,暗示他的学生普遍被他轻视,给学生上课在他看来有几分对牛弹琴的意味。

尤里·鲁莫尔记得朗道于1929年时,曾失望地对他说:“正如所有的漂亮妹子不是已经和人家拍拖就是已经被人家娶走,所有的好问题也都被解决了……我都怀疑自己还能不能在剩下的东西里面发现任何有价值的课题。”然而就在第2年,朗道还是撞到了1个机会。

传说有一次尼尔斯·玻尔发电报问他如何评价保罗·狄拉克提出的正电子(也有说法是说“粒子空穴”)这个新点子,他毫不客气地只回复了1个词——“垃圾”(德语:Quatsch)。不过由于当时的物理学观点争论很频繁,他这种说话口气还算不上得罪人。不过正电子不久后真的被赵忠尧和卡尔·安德森先后发现了。

有一次玻尔在苏联一所中学里对学生们讲话时说“我是不会不好意思说自己笨的”,朗道却的学生叶夫根尼·利夫希茨将其翻译成了“我是不会不好意思说你们笨的”。现场能听懂玻尔原话的人则哈哈大笑。

朗道有个比方,说人有3类,分别用三角形、倒三角形和菱形来代表。三角形(拉普拉斯算子)表示基础广博,头脑敏锐,玻尔当然是这一类;倒三角形(竖琴算子)表示没有基础,又头脑迟钝,这种人当然无缘作物理学家;朗道谦称自己是菱形,基础不够广博,头脑尚称敏锐。也有说法补充说还有一种形状是正立的正方形(达朗贝尔算子),代表头脑笨但坐得住者。

朗道厌恶罗列因素、不突重点的物理理论,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。他轻视头脑笨的同行,晚年却因车祸受伤失去了过人的智力,最后又是在西方的愚人节去世。

与多数苏联人不同,朗道对酒不感兴趣。

朗道不喜欢语文,这导致他的著作大多都是同其他人合作完成的。

朗道年轻时曾当面大胆地指出爱因斯坦演讲中的错误,但他也没能说服爱因斯坦相信量子力学的正确性。另有传闻说朗道曾在演讲时遇到同样很爱挑刺的前辈沃尔夫冈·泡利,并向对方示弱,但此事可能只是杜撰的。

中国量子场论学者段一士1956年在莫斯科大学就读期间,曾给朗道做助教。朗道夸段一士是“最聪明的中国青年”。有一次朗道和弗拉基米尔·福克在争论广义相对论的一个问题,朗道问段一士说:“你站在哪一边?”段只回答:“我站在真理一边!”
评价
[icon] 本章节需要扩充 (2018年5月4日)

朗道数学基本功和对物理的直觉都很好。但他也因此自负且偏执。朗道的一大失误是在“θ-τ之谜”研究热潮期间,轻率地丢弃了由本国人沙皮罗(I. S. Shapiro)写的尝试说明宇称不守恒的重要论文,导致同样提出此理论的杨振宁、李政道和吴健雄等人组成的小组抢到了诺贝尔奖。不过朗道不久后又提出了“CP守恒”的崭新观点以挽回面子,这引出了后来CP并不守恒的新发现以及终极补救方案CPT对称的提出。

朗道虽然对自己的理论水平颇为满意,但是也同时表示自己对于从事实验研究并不拿手。朗道说自己是“最后一个全能物理学家”。但更确切地说,他是一个“全能理论物理学家”。

尼尔斯·玻尔曾评价青年朗道:“他一来就给了我们深刻的印象。他对物理课题的洞察力,以及对人类生活的强烈见解,使许多次讨论会的水平上升了。”

苏联原子弹计划领导者伊戈尔·库尔恰托夫院士写信请求苏联中央政府让朗道加入原子弹计划时,敬称朗道是“我国最伟大的理论物理学家”。朗道的好友彼得·卡皮查说:“朗道在整个理论物理学领域都做了工作,所有这些工作都可以用一个词来描述——卓越。”卡皮查还说朗道是“简单化作风和民主作风、无限偏执和过分自信的奇妙混合体”。

苏联氢弹计划领导者安德烈·萨哈罗夫曾在1947年说自己对于从事纯理论研究很不拿手,并说自己在这方面连朗道的徒弟伊萨克·波梅兰丘克都比不上,并用公式写下3人的理论研究功底排名(用姓氏英文拼写的首字母代表每个人):L > P > S。1953年,当朗道听说萨哈罗夫入选苏联科学院时,直接表示萨哈罗夫不是理论学者,而只是个学物理的发明家。

美国广义相对论学者基普·索恩:“在20年代,西欧是理论物理学的圣地,几乎是每一个知名的理论物理学家的故乡。苏联的领导者们为了显示他们的恩赐,要把西方的理论物理灌输到苏联,没有别的选择,只好将他们年轻的理论家送到那儿去培养,也顾不上精神污染的危险了。在经历过到列宁格勒,然后去西欧,然后回苏联的年轻苏维埃理论家中,朗道在物理学界是最有影响的。”

苏联领袖数学家弗拉基米尔·阿诺尔德:“一个数学教师,如果至今还没有掌握至少几卷朗道和利夫希茨著的物理学教程,他(她)必将成为一个数学界的希罕的残存者,就好似如今一个仍不知道开集与闭集差别的人。”
荣誉

1962年,朗道受重伤醒来后,被授予诺贝尔物理学奖。颁奖委员会的人担心他身体撑不住长途旅行,特别破例为他在莫斯科举行了颁奖仪式。
纪念
图为2008年阿塞拜疆发行的纪念朗道诞辰100年的邮票。朗道的出生地就是“火之国”阿塞拜疆的首都巴库。

1965年,朗道之前的学生与同事成立了朗道理论物理研究所,地点位于靠近莫斯科的切尔诺戈洛夫卡。之后的30年由伊萨克·M·哈拉尼科夫主持研究所。

苏联天文学家柳德米拉·雀尼克在1972年发现的小行星2142以朗道命名。月球上的朗道环形山也是以之命名。
著作

朗道堪称著作等身,一生完成的著作多达120余部。
《理论物理学教程》
主条目:理论物理学教程

朗道和其学生叶夫根尼·利夫希茨的《理论物理学教程》以行文简练而又洞察深刻的风格著称于世。这套教程对读者的数学基本功要求比较高(一些他认为明显的步骤和次要的细节情形就会跳过),但又不迷失于琐碎繁难的各种数学细节,每一本书都有清晰的物理思想作为贯穿前后的指引,贯彻“直觉先行”的特点。整套书以统一的“理论物理式”风格,描述了一个理论物理工作者应当具备的基础知识。朗道展示了以最少的基本信息,由第一性原理出发,快速猜测和推导出重要公式的“物理直觉”。只凭少量原理和直觉指引就能得出涉及自然规律的大量重要结论是理论物理学的一大特色,也是还原论思想在科学领域中的充分体现。书中有许多习题本身就曾是研究成果,甚至有朗道以前从未公开发表的研究。

Born in Baku, Azerbaijan, on this day in 1908, Lev Davidovich Landau was a Soviet theoretical physicist who won the 1962 Nobel Prize in Physics for his research into liquid helium’s behavior at extremely low temperatures.

Described by classmates as a “quiet, shy boy,” young Landau was brilliant at math and science, but struggled in relating to his classmates. Having completed his studies by age 13, Landau was ready to start college long before his peers. Enrolling in the Physics Department of Leningrad University, his first publication, On the Theory of the Spectra of Diatomic Molecules was already in print when he was just 18 years old.

Completing his Ph.D. at age 21, Landau earned a Rockefeller fellowship and a Soviet stipend which allowed him to visit research facilities in Zurich, Cambridge, and Copenhagen, where he had the opportunity to study with Nobel Laureate Niels Bohr. Renowned for his work in quantum theory, Bohr had a profound impact on the young physicist.

Elected to the U.S.S.R.’s Academy of Sciences in 1946, Landau also received the Lenin Science Prize for his monumental Course of Theoretical Physics—a ten-volume study co-written with his student Evgeny Lifshitz. His wide-ranging research has linked his name to many concepts that he was first to describe including: Landau Levels, which are the focus of today’s Doodle, Landau diamagnetism, Landau damping, and the Landau energy spectrum. His legacy is also kept alive by the Landau Institute for Theoretical Physics in Moscow—and there is even a crater on the moon named after him!

Happy Birthday, Lev Landau!

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