歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1962

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撰文者:爾諾
發文日期:2022-01-12
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  • 1962年的諾貝爾物理獎頒給蘇聯物理學家列夫·蘭道,他得獎的理由是「關於凝體,特別是液氦的開創性理論」。雖然名義上,他是因發展了超流體的數學理論而獲得諾貝爾物理學獎,該理論解釋了溫度低於 2.17 K (-270.98 °C) 時液氦 II 的性質。但是實際上,蘭道早已名滿天下。卻一直與諾貝爾獎無緣,直到1962年1月7日,蘭道出了一次嚴重的車禍,昏迷了57天後才恢復意識。蘭道受重傷醒來後,被宣布得獎。頒獎委員會的人擔心他身體撐不住長途旅行,破例為他在莫斯科舉行了頒獎儀式。


    列夫·蘭道於1908年1月22日,出生於俄國裏海邊上的石油城巴庫(今亞塞拜然共和國首都)。1924年,蘭道進入列寧格勒國立大學。1927年從該校畢業後,他進入列寧格勒物理技術學院,並在1929年取得學位。同年,在蘇聯政府和洛克菲勒基金會的資助下,蘭道遊歷歐洲從事研究。蘭道來到哥本哈根波耳研究所,跟從著名物理學家尼爾斯·波耳等人研究量子力學。 22歲的蘭道提出了金屬電子的抗磁性理論。之後,蘭道還訪問了劍橋和蘇黎世。在劍橋時,參訪了歐尼斯特·拉塞福主持的卡文迪許實驗室,那裡結識了另一位蘇聯物理學家彼得·卡皮察。 1931年,蘭道回到蘇聯。1932年-1937年,他擔任哈爾科夫理工學院的理論部主任,在此遇上了得意門生葉夫根尼·利夫希茨,並一起開始籌劃編寫名著《理論物理學教程》。1937年,蘭道前往莫斯科,在卡皮察的物理問題研究所擔任理論部主任。 1938年4月28日,蘭道和他的兩位友人因「煽動反革命罪」被捕。為了把蘭道保出來,卡皮察私底下寫信給史達林擔保蘭道的行事作為,並親赴莫斯科克里姆林宮為蘭道說情。卡皮察擔保全蘇聯只有蘭道才能解決自己一年前在實驗中所發現的液氦超流態的物理機制問題,從而為蘇聯在國際上爭光。在卡皮察等人的努力下,蘭道一年後獲釋。蘭道不負眾望,成功建立了液氦超流性的理論。這項成就成為他後來獲得諾貝爾獎的理由。

     

    Landau (1)

    圖片來源:由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1962/landau-bio.html, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6147125
     

    蘭道是凝體物理學的主要開拓者。該學科在蘭道的推動下快速發展起來,現在已經形成一個熱門且應用價值廣泛的物理學主要分支,涵蓋固體物理、金屬物理、粘稠流體、超導物理、物態及相變、介觀物理學、巨磁阻效應等多個大的子研究領域,其中有多項重要觀點和概念都是蘭道首先提出的。在固態物理學方面,蘭道提出了著名的元激發(elementary excitation),引入了聲子的概念。在超導領域,蘭道將自己提出的二級相變觀點推廣到超導現象的量子機制研究中,得到了金茲堡-蘭道方程式。金茲堡-蘭道方程式是對倫敦方程式的進一步發展,也為後來更著名的超導BCS理論理論的先驅。
     

    在天體物理學方面,蘭道早在1931年春天同尼爾斯·波耳、萊昂·羅森菲爾德等人討論時猜想宇宙中會存在特别致密的天體,但其論文到1932年才發表。1932年,中子被發現後,蘭道隨即大膽地提出了「中子星」一詞。蘭道在只有4頁紙的簡短論文中,獨立推導出了著名的錢德拉塞卡極限。印度青年天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡當時因巨大質量星體演化理論不被認可而遭到孤立,而蘭道發表的緻密星體研究和命名中子星的舉動為他提供了支持。美國物理學家羅伯特·歐本海默當時也關注了蘭道的論文,並從中獲得靈感。歐本海默後來算出了同樣知名的歐本海默極限。

    蘭道的數學功底非常紮實,喜歡用簡單而深刻的物理模型說明問題。這種風格深深影響了後世的蘇聯物理學家。1958年,為了慶祝蘭道的50歲壽辰,蘇聯原子能研究所的伊薩克·基科因院士專程帶人贈送給他兩塊青石板,上面仿照《聖經》中的「摩西十誡」,刻著蘭道在物理學中作出的最重要的十項貢獻,被稱為「蘭道十誡」:



    截圖 2022-01-12 上午10.20.54


     

    由此可以看出蘭道對物理全方位的貢獻,涉及各個領域,令人驚嘆。

    蘭道對學生的要求極其嚴格,他的學生畢業之前還要通過蘭道難度極大的考試。他和學生葉夫根尼·利夫希茨編寫的《理論物理學教程》深度和難度都很大,被奉為20世紀物理學的古典著作。《 理論物理學教程》以行文簡練而又洞察深刻的風格著稱於世。這套教程對讀者的數學基本功要求相當高,但又不會讓讀者迷失在瑣碎繁難的數學細節中。蘭道展示了如何以最少的基本資訊,由基本原理出發,快速地猜出重要公式的「物理直覺」。 蘭道的學生在進行研究工作之前都要通讀此書,並通過基於這些教材的困難考試。蘭道稱通過其考試只是「理論最低要求」(theoretical minimum)。從1934年到蘭道出車禍前的1961年,在這近30年的時間內僅有43人成功通過考試。

    1968年4月1日,蘭道還是因於車禍後健康逐漸惡化去世,享年60歲。

     

     

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