【教育资料】朗道百年学习专用

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1、朗道百年2019年是20世纪苏联最杰出的理论物理学家列夫达 维多维奇朗道(Lev D. Landau) 诞生100周年？逝世40周 年.事实上,作为理论物理学家的朗道在1962年1月7日的车祸后已经消逝.他在当年被授予诺贝尔物理学奖,并在多方救治之下乂存活了 6年,于1968年4月1日去世.四十年来,已经出版了许多关于朗道的书籍和文章.特别是 1989年由以朗道命名的俄国科学院理论物理研究所所长哈 拉特尼科夫主编的回忆朗道文集 1,相当详细地介绍了 朗道科学与生活的方方面面.2019年1月，俄国的高级科普刊 物自然为朗道白年出版了专辑2.俄国科学院物理学部在2019年1月22和23日举行了纪念

2、朗道白年的学术会议 , 会议文集已经发表在 2019年6月俄国的物理学进展杂 志第178卷第6期3.加之苏联解体以来，公布了大虽过去 的秘密档案,使人们对朗道经历中鲜为人知的方面有了较多 认识.这篇短文将较少复述公开文献,而扼要介绍一些笔者个人的所知所思.1生平1908年1月22日,朗道出生在石油之都巴库的一个工程师家 庭.他13岁修完全部中学课程,1922年进入巴库大学，同时上 化学系和物理数学系.两年后转入列宁格勒(今圣彼德堡)大 学物理系.学生时代即在列宁格勒技术物理研究所参加科研,1927年毕业后成为该所研究生.那里当时在约飞1）院士 周围聚集了苏联物理学界未来的一代精英.1926年,

3、朗道发表了科学生涯中的第一篇文章,关于双原子分子光谱谱线强 度的理论.1927年，他首先在论文中引入密度矩阵，作为比波 函数更普遍的虽子系统描述方式1929年,21岁的朗道被派往国外一年半，访问了丹麦？英国和 瑞士,特别是哥本哈根尼尔斯玻尔领导的研究所.玻尔很赏识年轻的朗道,朗道也把玻尔视为自己的老师.在以后数十年里，他们还多有交往.这次访问期间，他发展了金属电子 的“朗道抗磁”理论，从“泡利顺磁”分走了三分之一.电子在磁场中的“朗道能级”以及能级的态密度，这些在后来的虽子霍尔效应理论中使用的基本概念，都首次出现在这篇文章里.1931年,朗道回到列宁格勒,翌年转到哈尔科夫的乌克兰技 术物理研究

4、所,担任理论室主任,不久后被聘为哈尔科夫大 学理论物理教授.1937年，朗道转移到莫斯科，在卡皮查2）领 导的物理问题研究所担任理论研究室主任.朗道在1946年当选为苏联科学院院士 .除了在研究所工作外,朗道还多年在 莫斯科大学和莫斯科工程物理学院任教，直至1962年发生车祸.2对理论物理的贡献1958年朗道50寿辰时，研究所决定任何人都不要发表空洞演说,而要用独特的方式表示祝贺.原子能研究所的一位院士(I. K. Kikoin)带来一对大理石片,上面刻着朗道推导出的10个公式,称为“朗道十诫”.我们略去公式,列举“十诫” 如下：(1)密度矩阵；(2)电子的朗道抗磁;(3)二类相变理 论；(4

5、)铁磁畴理论;(5)超导中间态;(6)原子核统计理论： 液氮II的超流理论；(8)虽子电动力学中物理质虽与初始质 虽的关系;(9)费米液体理论;(10)组合宇称守恒原理.这里根本没有提到首先引进反铁磁态？无碰撞等离子体中的“朗道阻尼”等重要贡献.“十诫”中有近七项同凝聚态物 理有关.1962年授予朗道诺贝尔物理学奖的理由也是“他对 于凝聚态物质特别是液氮的先驱性理论”.这些理论并没有 冗长繁杂的数学推演,有些甚至是靠物理直觉“猜”出来的 我们只举几个例子.朗道最初考虑超流液氮中的元激发时,把旋子态能虽最低点 像光学声子那样画在动虽为零处,后来在一次讨论中才把它 移到动虽不为零处.这样的元激发谱

6、，多年后才被从微观理 论推导出来.朗道抗磁理论还有一项有趣的发展.实验中发现金属铉的电子磁化率随静磁场的倒数而周期性地振荡(de Haas-vanAlphen效应).派尔斯3)指出，朗道在计算抗磁磁化率时,使 用泊松求和公式做变换时只保留了打头项,其实振荡效应就在下一项中.朗道推导出描述该效应的公式,请在物理问题 研究所访问的英国低温物理学家 D. Shoenberg同其实验对 比,结果完全一致.这一成果从来没有单独发表,人们只能间 接引用Shoenberg发表在伦敦皇家学会会刊上的论文 ，派尔 斯为该文加了一个附录,说明公式的推导过程.朗道的二类相变理论,统一表述了相变现象的平均场理论.这是

7、现在人们熟知的事实.然而这一理论还有更具体的内涵 即相变前后的物理状态必须遵从若干对称限制.二类相变的群论分析是由栗弗席兹在1940年代初完成的.铁磁畴理论的物理图象十分简单 .由于散发在样品外的磁场 能虽和磁畴壁表面能的竞争，宏观磁体必定会自发分成磁化 方向互相交错的磁畴.这一理论由朗道在1935年提出，而由 栗弗席兹等详细实现.其实,朗道对理论物理的最重要的贡献是他所推崇的理论物 理的思维方法和解决问题的方式 .他明确区分“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.他厌恶并列各种因素？不突出物理关键的“理论”，把 后者称为“消防队长的基本公式”（“火灾原因等于

8、电线短 路加煤气泄漏加小孩玩火”）.在1938年出版的统计 物理学第一版序言中说,“本书不讨论所谓液体理论；这些理论通常包含足够多的参数,可以把任何不十分野蛮的实验 弄得同理论一致”.3朗道与苏联社会朗道思维敏锐？言辞尖刻，不能容忍科学上不正确的观点和 生活中的不诚实行为.他在年轻时甚至主动挑战某些不喜欢 的人和事.这给他的人生道路带来过曲折 .1932年离开列宁 格勒,1937年离开哈尔科夫，都有此类原因.特别是在乌克兰 技术物理研究所时,因所内人事变动引发的科学方向上的不 同意见,曾使他的一位助于短期被捕.朗道亲手写信给城市 的保安部门,为这位助于开脱.随后和哈尔科夫大学校长的 冲突,促使

9、他下决心离开哈尔科夫去莫斯科.到达莫斯科后,他写了一纸简短申请给卡皮查,就成为物理问题研究所的理论室负责人.1938年4月，朗道同另外两位物理学家,包括那个前助于,同 一天在莫斯科被逮捕.卡皮查当天就写信给斯大林,说明29 岁的朗道是苏联天才的理论物理学家,任何别人都不能代替 他的作用；他年轻气盛但决不会做不诚实的事，请求斯大林特别关注.后来知道,玻尔也曾为此写信给斯大林,请求释放 朗道.卡皮查后来还写信给莫洛托夫,信中提到他正在进行 的一项重要发现（指超流），只有朗道这样的理论家才能给以 解释.卡皮查向KG眺出个人担保，换得朗道继续在物理问题 研究所从事研究的自由.朗道在被释放之后，绝口不谈

10、监狱 生活.在正式文件里只提到他的研究工作曾经“中断” 一 年.据说朗道一直认为哈尔科夫时期的一个同事“告密”陷害他，但从来没有具体指出过.在由朗道本人挑选的科学论文 集4里，有5篇早期论文被抽掉.这5篇文章的合作者都是 伊万年科4）.朗道总是以轻蔑的语言提到伊万年科.任何人如果在朗道面前正面提及伊万年科的工作，就会损害同朗道的关系.朗道喜欢对物理学家？科学文章？乃至女性的美丽按对数尺 度打分.第一流物理学家的贡献比第二流多十倍,第二流比第三流多十倍.在这个标尺上，只有爱因斯坦独自处于“第 半流”的特殊地位.朗道最初把自己归入“第二流半”，据 说直到1950年代初，同金兹堡5）写完关于超导（朗

11、道-金兹堡 方程）的论文后,他把稿子往桌上一扔,叹道：“终于爬到了 第二流物理学家的位置”.朗道还用数学符号对理论物理学 家分类：拉普拉斯算子代表头脑尖乂坐得住者,如爱因斯 坦；达兰贝尔算子代表头脑笨但坐得住者,如莫斯科大学的某些教授；他本人由描述，头脑虽尖但坐不住.最后,？代 表头脑笨乂坐不住的人，例如伊万年科.从上世纪90年代以 来,某些人企图把朗道塑造成反斯大林的英雄.他们的主要根据是不久前被公开的 KG当案.档案中有朗道被捕后亲手 写的关于“反苏活动”的检查材料，也有在审讯后翻供的记录.见识过“文化大革命”中各种“逼供信”的中国知识分 子,更清楚这类材料的不可信程度 .在朗道身边工作过

12、的一 些学者也不赞成这种违背历史事实的夸张.例如，卡冈诺夫在其朗道学派5 一书中,用数页篇幅分析这些说法,并 说根本不相信朗道会书写和散发反苏传单.第二次世界大战期间,物理问题研究所撤退到后方.朗道间 接（通过为过去的学生出主意）和直接地参与了某些国防任 务的研究.他本人在被问及时,往往神秘地一笑了之.但是, 从1944年初版的连续介质力学一书中，有许多一般物理教科书中不大提及的内容，特别是燃烧？起爆？爆轰波传播？ 冲击波与固体碰撞等内容,可以窥见他在战争年代科学兴趣 的拓展.1945年12月18日,全面领导核武器研制的库尔恰托夫6）院士写信给苏共中央专门委员会负责人贝利亚，即那个1953年底

13、被处死的KGEB，请求让“我国最伟大的理论物理学家 朗道”参加领导与原子弹有关的理论工作6.在库尔恰托夫的坚持下,翌年2月此项提议被批准.朗道和他的理论组根 据美国最初的实验数据和苏联自己早期实验结果,推导了原子弹的能虽有效系数公式.此式曾经沿用多年.1949年10月 29 H ,苏联最局苏维埃决定为研制原子弹的808位有功人员颁发列宁勋章，其中包括朗道.1954年，朗道被授予苏联社会 主义劳动英雄称号.还应当提到，朗道在1939年由卡皮查担保从监狱中出来.早在1940年,卡皮查就准备提名朗道为苏联科学院院士候选人 由于朗道的特殊“保释”地位,卡皮查特地写信给莫洛托夫 征求意见,指出学术界一致

14、认为朗道是强有力的院士候选者 并说如果周末之前得不到答复,他就会行动.莫洛托夫没有 回信，于是卡皮查开始正式提名.1946年朗道当选为科学院 院士 ,没有经过通讯院士的阶段.1958年,在物理问题研究所 为朗道50寿辰举行的庆祝会上，所长卡皮查说，多年以来我 对我的理论室主任非常满意,也努力为他创造各种条件；只 有一件事我做不到,那就是为他提供出国机会,不过你们知 道我自己也无法出国.以朗道的锐敏,他不可能不觉察到苏联社会政治生活中存在 的问题.然而,他是一个爱国者,曾经出色完成过各种国防任 务，毕生致力于提高苏联的理论物理水平和培养理论物理人 才.用我们过去的政治术语，他是一位走“白专道路”

15、 ？被“控制使用”的杰出学者.在他周围，有过卡皮查？库尔恰托 夫这些勇于承担责任？坚持真理的科学家，为他撑起保护伞 尽虽发挥他的聪明才智.这不能不说是苏联物理学界的一件 幸事.4理论物理教程朗道在哈尔科夫工作期间,开始筹划在从低到高的几个层次 上撰写普通物理和理论物理的读物.他同另U人合作撰写的大众物理学曾经有过汉译本 .影响最大的着作当然是朗 道和栗弗席兹合着的理论物理教程.从开始酝酿到栗弗席兹在朗道身后坚持完成计划 ,前后历时40多年.这是一部空前而且很可能“绝后”的巨着.按朗道的设想,这套书用统一的“理论物理”风格 ,描述了 一个理论物理工作者应当具备的基础知识.不论今后在哪个方向发展,全面掌握理论物理的基础都是必要的.书中除了正文的系统论述，还有大虽习题.许多习题本身就曾是研究 成果.按照栗弗席兹的最后筹划,全书包括以下10卷，俄文版总虽 超过4600页.我们在括号中给出早期的出版年份 ,后来的年 份不尽完备：(1)力学(1940版是朗道与毕季哥尔斯基合着,1958,1965, 1973) 场论(1941, 1948, 1960, 1962, 1967, 1973)(3) 虽子力学(非相对论部分)(1948, 1963, 1974)(4) 虽子电动力学(1968, 1