列夫·朗道:主要发现、理论观点、生平故事、成长经历、成就贡献

列夫·朗道是一位“科学怪杰”。

有一次,爱因斯坦演讲,当主持者请听众对演讲者提问时,一个年轻人从座位上站起来说道:“爱因斯坦教授告诉我们的东西并不是那么愚蠢,但是第二个方程不能从第一个方程严格推出。 它需要一个未经证明的假设,而且它也不是按照应有的方式为不变的……”在大家都惊讶地回过头来注视这位似乎不知天高地厚的年轻人时,爱因斯坦对着黑板思索之后,却说到:“后面的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。 ”这位敢于提出爱因斯坦错误的年轻人就是苏联物理学家朗道。

从幼年起,朗道就表现出与众不同的夫才。 13岁已学完了中学课程。 当时他很想到大学去学习数学,但父母认为他年龄太小,特别是父亲希望他选一个更为“实用”些的专业,结果朗道被送进了一所经济专科学校。 由于缺乏兴趣,在那里呆了一年后,朗道终于在1922年转入巴库大学,同时在数理系和化学系学习,这时他才14岁,但他最终没有修完化学专业。

1924年,在巴库大学毕业后,朗道来到了圣彼得堡,此时正值列宁去逝,圣彼得堡被易名为列宁格勒,而朗道就进入了同时易名的列宁格勒大学。 在20年代,列宁格勒大学可以说是前苏联科学研究中心,特别是物理学研究的中心,当时前苏联一些很有名望的物理学家如约飞、福克、弗伦开耳等人都在此授课,并讲授当时正在发展中的量子理论。 在这里,朗道开始接触到了物理学的前沿领域,并投身于研究中。

1908年出生的朗道,比量子力学的奠基者们,例如海森堡、狄拉克、约尔丹等人小了七、八岁,比德布罗意、薛定谔等人小得更多。 当他在列宁格勒大学毕业时,新量子力学的数学表述和物理诠释都已经基本上形成了。 因此他曾经感叹许多最重要的基本原理问题已被别人抢先解决,大有“余生也晚”之憾。 然而,量子力学的具体应用当时还方兴未艾。 天赋非凡的朗道在理论物理学的许多领域中都作出了重大贡献。

旱在大学期间,1927年他就发表了第一篇学术论文,处理了双原子分子的光谱问题。 同一年,他在用波动力学来处理韧致辐射的论文中,首次使用了后来被称为密度矩阵的概念,在后来的量子力学和量子统计物理学中起了重要的作用。 在19岁生日的前两天,朗道从列宁格勒大学毕业,成为前苏联科学院列宁格勒技术物理研究所的研究生。

经过数次申请,1929年10月,朗道被批准出国。 在不到两年的时间中,朗道先后在德国、瑞士、荷兰、英国、比利时和丹麦进修访问。 他曾回忆说,在这段时间里,除了费米之外,他见到了几乎所有的量子物理学家。 在与这些著名科学家的交往中,朗道充分地展示了他的才能和个性。

在丹麦的哥本哈根,朗道深受“哥本哈根精神”的感染,并成为玻尔研究班上的活跃分子。 后来玻尔在谈到朗道时说:“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,使许多次讨论会的平上升了。 ”虽然朗道一生中接触过不计其数的物理学家,而他在玻尔那里只呆了四个月左右的时间,但他却对玻尔十分敬仰,终生只承认自己是玻尔的学生。

在欧洲的进修访问期间,朗道在金属理论方面做了重要的工作。 在1930年发表的《金属的抗磁性》这篇论文中,朗道应用量子力学来处理金属中的简并理想电子气,提出理想电子气具有抗磁性的磁化率。 这一性质现在被称为朗道抗磁性。 据说在瑞士苏黎世的一次讨论会上,当朗道作完了有关抗磁性的报告后,他的好友佩尔斯评论说:“朋友们,让我们面对现实吧,现在咱们只能靠朗道吃剩的面包皮维持生活了。 ”与此同时,朗道还和佩尔斯研究了将量子理论应用于电磁场的可能性,提出了在量子理论中电磁场量的可观测性问题。 他们二人曾经专程赶到哥本哈根,就此问题和玻尔进行了马拉松式的激烈讨论,结果导致玻尔和罗森菲耳德撰写了关于这个问题的著名论文。

1931年春天,朗道准备启程回国,虽然有人曾暗示他不要回去,但朗道自有主见,临行前,他对罗森菲耳德说:“我必须为我的国家工作。 这是一次长久的离别。 也许是永久的离别,除非你来访问我们。 ”后来,只在1933年和1934年,朗道再度短期访问过哥本哈根。

回国后,最初朗道仍在列宁格勒物理研究所工作。 朗道在内心深处是赞成革命的,并按自己的理解而相信马克思主义。 但他反对中世纪式的思想专制和愚昧残忍,于是与当权者有了矛盾。 另外由于他在学术问题上与研究所的领导约飞有分歧,虽然朗道是正确的,但却冒犯了这位权威。 在一次朗道作了学术报告后,约飞宣称朗道所讲的内容不得要领,而朗道则毫不客气地当众回敬道:“理论物理学是一门复杂的科学,不是任何人都能理解的”。 由于这样一些原因,朗道最后不得不离开了列宁格勒。

从1932年起,朗道在哈尔科夫的乌克兰科学院物理——技术研究所工作,并担任了理论物理部的主任。 1934年,在没有经过论文答辩的情况下,朗道获得了博士学位,1935年任哈尔科夫大学的教授,在哈尔科夫时,朗道开始计划写一部理论物理学的巨著。 这部主要由朗道来构思,由郎道和他的学生里弗席兹合作完成的多卷本《理论物理学教程》从1938年开始陆续出版。 这部几乎包罗万象的物理学名著,有近十种文字的译本,并于1962年获得列宁奖。

在哈尔科夫,朗道还创立了著名的理论物理学须知,后来也被称为“朗道位垒”,这个考试纲目除了数学内容之外,几乎囊括了理论物理学所有的重要分支。 在朗道逝世前,仅有43人冲过了这个“位垒”,其中许多人后来成为博士、教授和苏联科学院的院士。 在朗道周围,也开始形成了一个独具特色的“朗道学派”。 成为“朗道的学生”,则是苏联青年物理学家们既向往而又很有些望而生畏的目标。

在哈尔科夫期间,朗道的科学研究工作继续深入。 他发展了普遍的二级相变理论,不但说明了许多当时认为很奇特的现象,而且为此后各种新型相变的研究开辟了道路。 他就铁磁磁畴结构、铁磁共振理论和反铁磁态理论发表了一系列的重要文章。 此外,他还对原子碰撞理论、原子核物理学、天体物理学、量子电动力学、气体分子运动论、化学反应理论和有关库仑相互作用下的运动方程等方面作了研究。

1937年,又是在一次与理工学院的院长发生口角后,朗道断然离开了哈尔科夫,随后到了卡皮查所领导的莫斯科物理问题研究所工作。 他在哈尔科夫的一些最有才能的学生同事,也随他而去。 1938年冬,在当时的“清洗”中,朗道突然以“德国间谍”的罪名被捕,并被判处十年徒刑,送到莫斯科最严厉的监狱。 由于卡皮查等人的竭力营救,一年后,已经奄奄一息的朗道终于获释。

朗道从1937年开始的对于低温物理学中液氦超流动性问题的研究,使他在1962年获得诺贝尔物理学奖。 朗道提出了与理论不同的二流体模型,尤其是对液氦这种量子液体能谱的分析,显示了他深刻的物理洞察力。 他提出了“旋子”的概念,根据这一理论,可以很好的解释液氦Ⅱ的超流动性,并进而预言了超流氦中“第二声”(一种温度波)的存在。 这一预见于1944年得到了实验验证。

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