—1/2m(—iħ∇ — e*A/e)Ψ,
вполне аналогичном соответствующему члену в уравнении Шрёдингера. Можно было бы думать, что в феноменологической теории параметр е* должен представлять собой некоторый эффективный заряд, не обязанный находиться в прямой связи с зарядом свободного электрона е. Ландау, однако, отверг эту мысль, указав, что эффективный заряд не универсален и должен был бы зависеть от различных факторов (давления, состава образца и т. п.); тогда в неоднородном образце е* было бы функцией координат, а это нарушило бы градиентную инвариантность теории. Поэтому в статье было сказано, что заряд е* «нет оснований считать отличным от заряда электрона». Мы знаем теперь, что в действительности е* совпадает с зарядом куперовской пары электронов, т. е. е* = 2е, а не е. Это значение можно было предвидеть, разумеется, лишь на основании идеи о спаривании электронов, лежащей в основе микроскопической теории сверхпроводимости. Но значение 2е также универсально, как и е, так что выдвинутый Ландау аргумент сам по себе был правилен.
Другой вклад Ландау в физику сверхпроводимости состоит в выяснении природы так называемого промежуточного состояния.
Понятие об этом состоянии было впервые введено Пайерлсом и Ф. Лондоном (1936 г.) для описания наблюдавшегося факта постепенности сверхпроводящего перехода в магнитном поле. Их теория, однако, имела чисто феноменологический характер„ и вопрос о природе промежуточного состояния оставался открытым. Ландау показал, что это состояние не является каким-либо новым, а в действительности сверхпроводник в нем состоит из последовательных тонких слоев нормальной и сверхпроводящих фаз. В 1937 г. [30] Ландау рассмотрел модель, в которой эти слои выходят на поверхность образца; изящным и остроумным методом ему удалось полностью определить форму и размеры слоев в такой модели[18]. В 1938 г. он предложил новый вариант теории, согласно которому при выходе к поверхности слои подвергаются многократному разветвлению; такая структура должна стать термодинамически более выгодной при достаточно больших размерах образца[19].
Но наиболее значительный вклад, которым физика обязана Ландау, — это создание им теории квантовых жидкостей. Значение этой новой области в настоящее время все более возрастает; несомненно, что ее развитие за последние десятилетия оказало революционизирующее влияние и на другие области физики — физику твердого тела и даже на физику ядра.
Теория сверхтекучести была создана Ландау в 1940—1941 гг., вскоре после открытия в конце 1937 г. П. Л. Капицей этого основного свойства гелия II. До этого предпосылки для понимания физической природы наблюдавшегося в жидком гелии фазового перехода по существу отсутствовали и неудивительно, что по этому поводу высказывались взгляды, которые в настоящее время могли бы даже показаться наивными[20]. Замечательна та полнота, с которой теория гелия II была создана с самого начала: уже в первой классической статье Ландау [44] содержатся почти все основные идеи как микроскопической теории гелия II, так и построенной на ее основе макроскопической теории — термодинамики и гидродинамики этой жидкости (последней посвящена также статья [51]).
В основе теории Ландау лежит представление о квазичастицах (элементарных возбуждениях), составляющих энергетический спектр гелия II. 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 типа, к которому относится жидкий гелий (изотоп Не4), — как теперь говорят, бозевского типа. В работе 1941 г. Ландау предполагал, что спектр элементарных возбуждений состоит из двух ветвей: фононов — с линейной зависимостью энергии ε от импульса р и «ротонов» — с квадратичной зависимостью, отделенной от основного состояния энергетической щелью. Впоследствии Ландау нашел, что такой вид спектра не удовлетворителен с теоретической точки зрения (так как был бы неустойчив), а тщательный анализ появившихся к тому времени более полных и точных экспериментальных данных привел его в 1946 г. к установлению знаменитого спектра, содержащего всего одну ветвь, в которой «ротонам» отвечает минимум на кривой ε(р). Макроскопические представления теории сверхтекучести широко известны. В своей основе они сводятся к представлению о двух одновременно происходящих в жидкости движениях — «нормальном» и «сверхтекучем», которые можно для наглядности рассматривать как движения двух «компонент жидкости»[21]. Нормальное движение сопровождается, как и у обычных жидкостей, внутренним трением. Определение коэффициента вязкости представляет собой кинетическую проблему, требующую анализа процессов установления равновесия в «газе квазичастиц»; основы теории вязкости гелия II были развиты Ландау (совместно с И. М. Халатниковым) в 1949 г. [67, 68]. Наконец, еще в одной работе (совместно с И. Я. Померанчуком) рассмотрен вопрос о поведении посторонних атомов в гелии [62]; было показано, в частности, что всякий такой атом войдет в состав «нормальной компоненты» жидкости вне зависимости от того, обнаружило бы само по себе вещество примеси свойство сверхтекучести, — в противоположность высказывавшемуся до того в литературе неправильному взгляду.
18
Сам Л. Д. писал по этому поводу, что «удивительным образом оказывется возможным точное определение формы слоев» [30].
20
Так, сам Ландау в своей работе по теории фазовых переходов [29] высказал предположение о том, не является ли гелий II жидким кристаллом, хотя и подчеркивал сомнительность такого представления.
21
Некоторые идеи «двухкомпонентного» макроскопического описания жидкого гелия (хотя и без ясной их физической интерпретации) были введены независимо от Ландау Л. Тиссой. Его подробная статья, опубликованная во Франции в 1940 г., в силу условий военного времени была получена в СССР лишь в 1943 г., а небольшая заметка 1938 г. в «Докладах Парижской академии» осталась, к сожалению, незамеченной. Критика количественной стороны теории Тиссы дана Ландау в статье [64].