70 éve született L. D. Landau

A Svéd Tudományos Akadémia fi­zikai Nobel-díjat odaítélő bizott­ságának 1962-ben alighanem nehéz lehetett eldöntenie, vajon L. D. Lan­dau melyik műve szerepeljen a díj in­doklásaként. A bizottság a "bőség za­varában" végül is átfogóan "a szilárd és folyékony anyagra, különösképpen a folyékony héliumra vonatkozó út­törő elméletei"-t említi, de az elmé­leti fizika ismerői számára világos volt, hogy egyedül csak a szuperfo­lyékonyság magyarázatára kidolgozott elmélete, vagy a Fermi folya­dékok tulajdonságainak, így a zérus­hangnak a megjóslása, esetleg a má­sodfajú fázisátalakulások általános elmélete és a szupravezetők makrosz­kopikus leírására alkalmas egyenle­tek kidolgozása külön-külön is ele­gendően indokolná a díj odaítélését. Ezek, akárcsak a fémek diamágnes­ségénék Landau-elmélete, egyenként is "óriási hatást gyakoroltak korunk fizikájának fejlődésére" -, hogy ép­pen az említett bizottság jelentését idézzük.

Landau káprárzatos tehetségű és káprázatos teljesítményt nyújtó tu­dós volt. Eredetien újat alkotott a fizika egymástól teljesen távol eső ágaiban és az általa felvetett gondo­latok minden területen látványosan messzire vezettek. Amikor az elektrongáz diamágnességét vizsgálta, csak éppen megjegyezte, hogy "periodikus effektusok is léteznek" a mágneses tulajdonságokban. Hét év­vel később felfedezték a de Haas-van Alfven effektust, és ezek a periodi­kus effektusok ma a fémek elektron­jainak legfinomabb vizsgálatára al­kalmasak. Amikor a harmincas évek­ben "egyetlen atommagként viselke­dő égitest"-ről írt, még senki sem tudott a neutroncsillag-pulzárokról, hiszen ezeket csak a hatvanas évek végén pillantották meg az új, hatal­mas rádióteleszkópok segítségével. Elemirész-fizikában, hidrodinamiká­ban, plazmafizikában éppúgy otthon volt, mint az említett területeken: ő vetette fel komoly lehetőségként, hogy a tükrözésre szimmetrikus ter­mészetben a "tükörbe néző" balra forgó elektron jobbra forgó pozitront "lát", ő bizonyította be, hogy az elektronplazma rezgései mindig csil­lapodnak ….

Hogyan csinálta? A válasz egysze­rű: az említett területek csak ne­künk, a nézőknek tűnnek egymástól távol esőnek. Az örvénylő folyadék fodrozódása, a forgó atommagok rez­gései vagy a csillaganyag hullámzása Landau számára éppúgy magától ér­tetődően egyetlen dolog volt, mint ahogy a Renaissance művésze számá­ra a költészet, festészet, szobrászat és zene, csupán egymást kiegészítő részeit jelentette egyetlen dolognak: a művészetnek. Meggyőződése, hogy csak az képes igazán eredményes tu­dományos alkotó munkára, aki az elméleti fizika minden ágában mély, átfogó tudást szerez, egyszerűen en­nek a számára ösztönös kutatói stí­lusnak a tudatosulása.

Igen fiatalon már nemzetközi te­kintélyű tudósként tisztelték. Még a huszonévesen világhírűek nemzedé­kének korában, Heisenberg és Dirac kortársai között is szokatlanul ko­rán, 19 évesen írta nagy jelentőségű dolgozatát, melyben elsőként alkal­mazta a sűrűség-mátrix módszert statisztikus egyensúlyban levő kvan­tumrendszerek vizsgálatára. Még ugyanabban az évben megszerezte fizikus diplomáját a Leningrádi Egyetemen és két évig a leningrádi Fiziko- Technikai Intézetben dolgo­zott. Azután 21 évesen Koppenhá­gába ment, Niels Bohr meghívására. Ő magát később Bohr tanítványának vallotta, Bohr Landaut legkiválóbb tanítványaként emlegette - tartós barátság alakult ki közöttük. Landau Koppenhága után megfordult Angliában, Németországban, Svájcban is, külföldi tartózkodása alatt dolgozta ki a fémek diamágnességének elmé­letét, találta meg a fémbeni elektro­noknak azt az "energia-lépcső"-jét, amelyet a szakkönyvek azóta Lan­dau-nívók néven tárgyalnak. Ezek az energialépcsők okozzák, hogy a fém elektronjai pályamozgásuk során igyekeznek a behatoló mágneses tér erősségét csökkenteni, ez az ún. orbitális diamágnesség.

Nehéz volna folytatni a felsoro­lást. Hol a szilárd és folyékony anyag nem várt viselkedése, hol az elemi részek fizikájának valami érthetet­len aszimmetriája ragadta meg az ér­deklődését - és ebből az érdeklődés­ből legtöbbször átfogó új elmélet, új jelenségek megjóslása, új kísérletek tervezése következett. A kiinduló­pont mindig valami új, különös kí­sérleti eredmény, paradox jelenség.

Például a szuperfolyékony hélium megjelenése P. L. Kapitza laboratóriumában, a moszkvai Fizikai Prob­lémák Intézetében. A folyékony hé­lium, amelynek viselkedése hirtelen megváltozik, amikor 2,2 Kelvin fok hőmérséklet alá hűtik: egy része pl. minden súrlódás nélkül egyszerűen átsuhan a kapillárison. Ráadásul a hátrahagyott rész erősen felmeleg­szik, mintha a folyadék "hidegebbik fele" távozott volna az edényből. Landau ötlete, mely a kvantumfolya­dékok mai elméletének alapja, nem­csak hogy megmagyarázza ezeket a különös jelenségeket, de többet is "tud''; bebizonyítja, hogy az ilyen tulajdonságú ún. "szuperfolyékony" héliumban kétféle hullámok terjed­hetnek, pontosan megjósolja mindkét hanghullám tulajdonságait és egy­szerűen "kitalálja" a szuperfolyékony hélium mikroszkopikus örvényszerű gerjesztéseinek, a "roton"-oknak a tulajdonságait. Az ötlet pedig lénye­gében egyszerű - csak egy eredeti, újszerű látásmód kellett hozzá, hogy megszülessen. A szuperfolyékony héliumfolyadékban Landau nem egyes héliumatomok többé-kevésbé önálló, kavargó mozgását látta, hanem egyetlen, szigorúan rendezett kvantummechanikai rendszert, amelyben a közönséges folyadék kaotikus rendezetlenségét pontos illeszkedés, szi­gorú rend váltja fel. Ez nem azt je­lenti, hogy az atomok a térben hely­hez kötődnek - akkor szilárd kristályos anyaggal állnánk szemben -, hanem csak annyit, hogy nem be­szélhetünk atomokról, mint mozgó egységekről, az atomok mozgása be­leilleszkedik egy szervezett, az anyag egészét átfogó mozgásba. Ha most egy ilyen kvantumfolyadék-”darab" átfolyik egy kapillárison, belső álla­pota éppúgy nem változik meg, mint ahogy a szoba levegőjében egymás­nak ütköző oxigénmolekulák belső állapotában sem történik semmi vál­tozás. Az ok a két esetben ugyanaz: a kvantumrendszerek "merevek", ál­lapotuk megváltoztatásához, azaz a belső rend "felborításához" elegendő­en nagy külső hatásra van szükség.

Mindaddig amíg a kapillárison folyó hélium sebessége nem "túl" nagy, azaz kisebb a héliumban terjedő hang sebességénél, a cső falánál levő héliumatomok nem tudnak lelassul­ni, köti őket az "egész". A hatás ilyenkor egyszerűen nem elegendő a hélium belső állapotának legki­sebb megváltoztatására, egyetlen atom leszakítására-lelassítására sem - a folyadék így nem tud energiát veszíteni: nem súrlódik. Közönséges folyadék esetében persze a cső falá­nál levő molekulák átadják energiá­juk egy részét a csőnek, miközben lelassulnak, a szuperfolyékony álla­potban viszont az energiát vagy az egész folyadékmennyiség veszíti el, vagy egyetlen atomja sem. Ez a ,,rend" persze csak egy tulajdonság a sok közül, amelyet Landau meg­sejtett és felhasznált a szuperfolyé­kony anyag elméletének megalkotá­sánál. Az átfolyás során például ap­ró, örvényszerű mozgás is keletkez­het, ami "elvihetné" a folyadék, mint egész, mozgási energiáját és súrló­dáshoz vezethetne. Abból hogy az abszolút zérus hőmérséklet közelé­ben ez nincs így, Landau kikövetkez­tette az ilyen kis mikroszkopíkus ör­vényeknek, az ún. rotonok-nak a mozgástörvényeit, keletkezésük fel­tételeit, anélkül, hogy létezésükre a legkisebb közvetlen kísérleti bizonyí­ték állt volna rendelkezésre. Tizenöt-­húsz évvel később, amikor a szuper­folyékony héliumon igen lassú neut­rónok nyalábját bocsátották keresz­tül, a nyaláb "megbotlott" ezeken a kis örvényéken és a neutronsugár el­hajlásából világosan kiderült: a rotonok valóban léteznek és éppen úgy mozognak, ahogyan az elmélet alko­tója "neutron-mikroszkóp" nélkül, pusztán a hélium "látható" viselke­dése alapján megjósolta. A folyékony héliumhoz kapcsolódik Landau egy másik alapvető elméleti művének, a Fermi-folyadékok elméletének a megalkotása. Hélium-atom ugyanis kétféle van. A gyakori He(4) atommagjában 2 neutron van, perdülete 0, a ritkább izotóp He(3) magja csak 1 neutront tartalmaz, az atommagjá­nak perdülete 1/2. Ez a "kémiailag" szinte teljesen elhanyagolható kü­lönbség hirtelen jelentőséget nyer alacsony hőmérsékleten, minthogy a kétféle alapanyagból teljesen külön­böző "belső rend"-et mutató, külön­böző kvantumfolyadék jön létre. Landau a He(3)-ból 1 °K alatt kiala­kuló Fermi-típusú kvantumfolyadék tulajdonságait is megjósolta. Itt is kétféle hang terjedésére következte­tett, a közönséges hang mellett egy "gyorsabb" hullámmozgást, az ún. zéró-hangot jósolt. Valóban, öt-hat év múlva, a kísérleti technika fejlő­désével sikerült is a zéró-hang ész­lelése. Az elmélet ugyanakkor nem zárja ki, sőt valószínűsíti, hogy to­vább hűtve a Fermi-folyadék átalakuljon, a 1/2 perdületű atomok­ból párok alakuljanak ki, és ezekből a párokból, mint egységekből ismét egy szuperfolyékony tulajdonságú kvantumfolyadék épüljön, amely a He(4) szuperfolyadékra emlékeztet. És valóban, a hetvenes évek elején 2,6 ezred (!) Kelvin fok közelében végzett mérések szerint a He(3) Fer­mi-folyadék nem is egy, hanem két­féle szuperfolyékony változatba tud átalakulni, melyek a He(4) már is­mert szuperfolyékonyságán kívül más, sokkal változatosabb sajátságo­kat mutatnak ….

Landau a kvantumfolyadékok el­méletének kidolgozásán kívül sokat tett a kristályos anyag fázisátalaku­lásainak, a különböző fokú és jelle­gű rend megjelenésének és eltűnésé­nek megértéséért. A közönséges mág­neses rendezettség mellett először dolgozta ki az ún. antiferromágneses fázis termodinamikai elméletét, a ré­teges szupravezető anyagok elméle­tét. De dolgozatai jelentek meg az atommagok statisztikus elméletéről, továbbá a részecskék olyan gyors ütközéséről, ahol új részecskék töme­ge születik - eközben a protonok-­mezonok "felhőjének" mozgására a folyadékmozgás törvényeit alkalmaz­ta .... Először foglalkozott a kristály­rácsban saját "csapdájába" eső elekt­ron problémájával, az így kialakuló "polaron" mozgástörvényeivel.

Önálló tudományos munkássága mellett rendkívül nagy hatást gyako­rolt a fizika fejlődésére - tanítvá­nyain keresztül is. Pontosabban szól­va igazi fizikusiskolát, "elméleti műhelyt" alapított. Elkerülhetetlenül ismét eszünkbe jut a nagy hatású művészek körül kialakuló iskolák, stílusirányzatok analógíája .... A sze­mélyes munkatársak-tanítványok: Pomerancsuk, I. és E. Lifsic, Halat­nyikov, Ahiezer, Szmorogyinszkij, majd a fiatalabbak, Pitajevszkij, Ab­rikoszov, Dzjalosinszkij, Gorkov és a többiek kiemelkedő alakjai a szovjet elméleti fizikának. De a Landau-is­kola mégsem egyszerűen őket, vagy akár az ő tanítványaikat jelenti, ha­nem egyfajta szellemi közösséget, kö­zös stílust, hangot a tudományos vi­tákban és cikkekben a problémák megfogalmazásában. Stílust, mely a Fizikai Problémák Intézetében ne­gyedszázadon át hetenként megtar­tott szemináriumokon, elsősorban Landau személyiségének hatása alatt alakult ki. Éles, szenvedélyes viták zajlottak ezeken a szemináriumo­kon, semmiféle személyes tekintély nem védte azt, aki hibásan érvelt, de bárki megvédhette álláspontját akár Landauval szemben is. És köz­ben megszületett a Landau-iskola "alapokmánya" is, az a mintegy nyolckötetes E. M. Lifsíccel együtt írott könyvsorozat, amelyben Landau összegyűjtötte azt az "elméleti mini­mumot", amelyre a tanítványoknak az aktív kutatómunka megkezdésé­hez feltétlenül szükségük van .... A könyvsorozatnak, amely a modern elméleti fizika páratlanul széles lá­tókörű, eredeti és egységes stílusú összefoglalása, nemcsak belföldön van tartósan nagy sikere, hanem Eu­rópában és az Egyesült Államok egyetemein és kutatóintézeteiben is tankönyvként, kézikönyvként talán a leginkább használt és idézett forrás­munka.  

Valljuk meg, ebben az évszázad­ban még a zseniális fizikusnak is nagy konkurenciával kell számol­nia. Átalakult a fizika teljes világ­képe, az "atomkorszak" óriási tudós­egyéniségek megjelenését hozta: Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisen­berg, Dirac, Fermi, Pauli mellett ne­héz volt kitűnni éppen ebben a tu­dományban. Lev Davidovics Landau­nak sikerült.

Solt György