物理群星
列夫·朗道 肖像

列夫·朗道

Lev Landau

1908–1968 · 生于阿塞拜疆巴库 · 苏联

凝聚态量子力学热学与统计

把整个理论物理装进一门考试的苏联学派宗师

诺贝尔物理学奖 1962 关于凝聚态物质特别是液氦的开创性理论

「方法比发现更重要,因为正确的研究方法总会引出新的、更有价值的发现。」

—— 转引自安娜·利瓦诺娃《朗道传》(据俄文原意译出)

人生时间线

  1. 1908

    生于巴库一个石油工程师家庭

  2. 1927

    十九岁发表论文,提出量子力学中的密度矩阵概念

  3. 1929

    赴欧洲游学十八个月,在哥本哈根投入玻尔门下

  4. 1932

    出任哈尔科夫乌克兰物理技术研究所理论部主任,随后创立「理论最低标准」考试

  5. 1938

    因参与起草反斯大林传单被捕,关押于卢比扬卡监狱

  6. 1939

    卡皮察上书斯大林以身家担保,朗道在整整一年后获释

  7. 1941

    提出液氦超流理论,引入「元激发」概念

  8. 1962

    1 月遭遇严重车祸;12 月在病榻上获颁诺贝尔物理学奖

  9. 1968

    4 月 1 日在莫斯科逝世,车祸后遗症终未痊愈

伟大发现

代表方程

朗道能级

En=ωc(n+12)E_n = \hbar\omega_c \left(n + \frac{1}{2}\right)

磁场中的电子不能随意转圈,只能待在一级一级离散的能量台阶上——后来量子霍尔效应等半导体物理的大厦,就盖在这些台阶上。

二级相变自由能展开

F=F0+a(T)η2+b2η4F = F_0 + a(T)\,\eta^2 + \frac{b}{2}\,\eta^4

磁铁失去磁性、金属变成超导,看似风马牛不相及的相变,在临界点附近都能用同一个「序参量」多项式描述——万千相变,一副骨架。

在二十世纪的物理学家中,朗道是个罕见的「全科医生」:从量子力学、固体、磁性到等离子体、流体、宇宙学,他几乎在每个角落都留下了以自己名字命名的定理。但他留给世界的最大遗产也许不是某一项发现,而是一种训练物理学家的方式——一所没有围墙的学派。

巴库神童

1908 年,朗道生于里海边的石油城巴库。他后来说,自己不记得有过不会微积分的年纪。十三岁读完中学,十四岁进入巴库大学同时攻读两个系,随后转学列宁格勒。1927 年,十九岁的他发表了处理波动力学阻尼问题的论文,在其中引入了「密度矩阵」——今天量子统计与量子信息里无处不在的基本工具,出自一个尚未毕业的少年之手。

唯一的恩师

1929 年,苏联把这位新星送往欧洲游学。十八个月里他遍访哥廷根、莱比锡、剑桥和苏黎世,与海森堡、泡利、狄拉克交锋,还顺手算出了金属中电子在磁场里的量子化轨道——「朗道能级」。但真正让他心悦诚服的只有哥本哈根的玻尔。此后一生,恃才傲物、几乎不承认任何权威的朗道,只在一个问题上毫无保留:「我是玻尔的学生。」

哈尔科夫与「理论最低标准」

1932 年,朗道到哈尔科夫领导乌克兰物理技术研究所理论部,着手做一件更野心勃勃的事:批量培养理论物理学家。他设计了一套涵盖全部理论物理的入门考试——「理论最低标准」,任何人都可以来考,考过才有资格跟他做研究。从 1933 年到 1961 年,通过者总共只有 43 人,其中许多人后来成了院士。他与学生利夫希茨合著的十卷《理论物理学教程》至今仍是全世界的标准教材,物理学界戏言这套书「没有一个字是朗道写的,也没有一个思想是利夫希茨的」。朗道还爱搞分级:他把物理学家按贡献排成对数标度,相邻一级相差十倍——爱因斯坦 0.5 级,玻尔、狄拉克们 1 级,他给自己先打 2.5,后来才「晋升」到 2。五十岁生日时,学生们送他两块刻着他十项最重要成果的石板,戏称「朗道十诫」。

大清洗中的一年

1938 年 4 月,朗道因参与起草一份把斯大林政权与法西斯相提并论的传单被内务人民委员部逮捕,关进卢比扬卡监狱。在大清洗的年代,这几乎等于死刑。营救他的是实验物理学家卡皮察:逮捕当天他就致信斯大林,一年后又上书莫洛托夫,以自己的名誉担保朗道,并以辞职相胁;玻尔也从丹麦写信给斯大林求情。1939 年 4 月,入狱整整一年零一天的朗道获释。他后来说,再关几个月,自己就活不出来了。

让液氦开口说话

出狱后的朗道很快报答了卡皮察——用理论。卡皮察 1937 年底发现液氦在低温下变成毫无粘滞的「超流体」,经典物理对此束手无策。1941 年,朗道给出了答案:不必追踪每个原子,只需把整团液体的集体运动量子化成少数几种「元激发」——声子与旋子。这套理论不仅解释了超流,还预言了在液氦中传播的温度波「第二声」,几年后被实验证实。「元激发」由此成为整个凝聚态物理的通用语言。

迟来的桂冠

1962 年 1 月 7 日,朗道乘车前往杜布纳,在结冰的公路上与卡车相撞,颅脑重伤,昏迷数周。物理学界发起了一场跨国营救:同行们在医院轮班值守,急需的药品从欧美空运而来,各国名医赶赴莫斯科会诊。他保住了性命,却再也没能回到物理研究。同年 12 月,瑞典驻苏大使在莫斯科向病榻上的朗道颁授了诺贝尔物理学奖——表彰他关于凝聚态物质特别是液氦的开创性理论。1968 年 4 月 1 日,朗道因车祸后遗症引发的并发症逝世,终年六十岁。他的教程、他的考试和他的学生们,至今仍在训练着一代代理论物理学家。

思想的传承

曾受影响于

深刻影响了

叶夫根尼·利夫希茨

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