Еженедельник
Объединенного института ядерных исследований
(Электронная версия с 1997 года)
Архив Содержание номера О газете На главную Фотогалерея KOI8

№ 31-32 (3970-3971) от 7 августа 2009:

Версия № 31-32 в формате pdf (~3.6 Mb)

Год академика Боголюбова

"Veni, vidi, vici!"

Академик Дмитрий ШИРКОВ, почетный директор Лаборатории теоретической физики имени Н.Н.Боголюбова

...Николай Николаевич очень не любил лишних слов. Другим человеком такого же типа был научный руководитель "объекта" и Главный конструктор ядерного оружия Юлий Борисович Харитон (академик с 1953 года). Когда у НН возникала надобность в его помощи или совете, шеф отправлялся к нему на прием и излагал суть вопроса. Как правило, Харитон ничего не отвечал и после легкой паузы переводил разговор на другую тему. Через несколько дней, при очередной встрече, он мог вернуться к вопросу и предложить решение. А мог и не вернуться. Для "закладки" информации в голову Харитона и постепенной кристаллизации решения НН использовал глагол "захаритонизовать".

Приведу эпизод из 1970-х годов со слов свидетеля сцены, ученика Боголюбова. Кабинет директора ОИЯИ. Секретарша докладывает Николаю Николаевичу, что к нему пришел и просится на прием академик N, директор одной из лабораторий. Войдя, он экспансивно объясняет, что крупное открытие, сделанное недавно в лаборатории, не встречает признания западных коллег и предлагает обсудить ситуацию на ближайшем заседании Международного ученого совета Института, с тем чтобы Совет принял решение о реальности открытия. НН невозмутимо выслушал эмоционального собеседника и... предложил выпить чаю. За чаем он рассказал о некоторых научных новостях. Чай выпит, N возвращается к изложению своей просьбы. Тогда НН говорит: "Я тут попытался представить, что директор Математического института академик Виноградов ставит перед ученым советом предложение - считать такую-то теорему доказанной ...". Не дослушав до конца, академик N, как ошпаренный, выскочил из кабинета.

Н.Н.Боголюбов в Математическом институте имени В.А.Стеклова с молодыми учеными. 1961 год.

Боголюбов и Ландау

Взаимоотношения двух великих ученых - предмет, несомненно, деликатный. Вокруг них, как личных, так и на уровне школ, уже давно накручено много разного. Поскольку моим первым учителем в современной физике был Лев Давидович, считаю уместным изложить некоторые впечатления и свое понимание истории развития этих отношений.

Начну с характеристики личности Дау (так часто называли Ландау), с которым я познакомился в 1946 году, будучи студентом 2-го курса. После краткого телефонного разговора со знаменитым ученым я сходу был приглашен к нему в дом для сдачи вступительного математического собеседования по известному его теорминимуму. Пронзительный и веселый взгляд, орлиный профиль и кудрявый чуб, стремительность речи, быстрота реакции и резвость, с которой он взлетал по лестнице к себе в кабинет на второй этаж, оставив меня размышлять над очередным вопросом, произвели яркое впечатление. Я втянулся в работу по изучению "Механики" (первое довоенное издание, написанное Львом Ландау и Леонидом Пятигорским) и начал посещать теоретический семинар в Институте физических проблем АН СССР, известный как "Капичник".

В отличие от многих именитых теоретиков Дау прекрасно понимал значение математики для теоретической физики и часто использовал ее виртуозным образом. Показательно, что среди первых этапов его теорминимума было два математических, в том числе экзамен по качественной теории дифференциальных уравнений с упором на анализ сингулярностей. Известна максима Льва Давидовича: "Там где встречается сингулярность, начинается физика".

Первый эпизод относится к октябрю 1946 года, когда НН доложил свою работу по теории сверхтекучести гелия на общем собрании Отделения физико-математических наук АН СССР. К этому моменту Ландау уже около пяти лет был классиком сверхтекучести и, по воспоминаниям участников упомянутого общего собрания, резко критиковал докладчика. Однако быстро переварил и оценил услышанное и спустя всего две-три недели направил в печать статью, в которой учитывалась точка зрения Боголюбова. Предложенная феноменологическая кривая Ландау вытекает из формулы Боголюбова при некотором предположении о характере взаимодействия между атомами гелия II. Однако какой-либо ссылки на его работу в публикации Льва Давидовича не содержится. Правда, позже, в более подробной статье, он отметил приоритет Боголюбова: "Полезно указать, что Н.Н.Боголюбову недавно удалось с помощью остроумного применения вторичного квантования определить в общем виде энергетический спектр бозе-эйнштейновского газа со слабым взаимодействием между частицами". Поэтому я вместе с коллегами полагаю уместным называть данную кривую спектром Боголюбова-Ландау.

Второй "раунд" происходил в 1955 году в связи с сюжетом "нуля заряда" в квантовой электродинамике. Не вдаваясь в детали, отмечу, что анализ этой проблемы, проведенный НН с помощью только что развитого им аппарата ренормгруппы, привел к выводу, что заключение Ландау и Померанчука о внутренней противоречивости локальной квантовой теории поля не имеет статуса строгого результата, не зависимого от теории возмущений. В определенном смысле, повторилась психологическая схема коллизии 46-го года, когда строгое математическое рассуждение на более глубоком уровне существенно уточнило результаты полуинтуитивных построений. Как известно, спустя 10-15 лет локальная лагранжева теория возмущений полностью вернула себе статус основного метода исследований в теории частиц. Однако категоричность заключения знаменитого теоретика существенно затормозила развитие теории и привела к развитию некоторых тупиковых направлений типа теории "бутстрапа".

Наиболее серьезному испытанию самолюбие Дау подверглось в 1957 году при внезапном вторжении НН в теорию сверхпроводимости. Этот феномен, открытый в 1911 году, с конца 1920-х годов оказался болезненным вызовом ведущим теоретикам. Было ясно: речь идет о макроскопическом проявлении законов квантовой механики. Явление интенсивно изучали экспериментаторы, однако ключ теоретического понимания не давался в руки. Ландау работал в этой области с середины 1930-х и вместе с Виталием Гинзбургом построил феноменологическую теорию сверхпроводимости.

Запускающим импульсом для подключения Николая Николаевича к разработке теории сверхпроводимости явилось появление в 1956 году в одном из журналов краткой заметки американского физика Леона Купера. НН сразу увидел аналогию с феноменом парной корреляции бозонного типа, открытым им при создании теории сверхтекучести. Когда он закончил исследование и начал выступать с его результатами на семинарах, стало известно о появлении на Западе толстого препринта работы Бардина, Купера и Шриффера. Однако до Москвы он не дошел. Как помнится, Ландау быстро оценил работу Боголюбова. Было даже объявлено об образовании совместного семинара по теории сверхпроводимости. На первом заседании после доклада НН Дау сказал: "Николай Николаевич, я не знаю, что там содержит работа Бардина и других, но думаю, что такого красивого и убедительного результата у них нет".

Этот эпизод показывает, что в описываемое время Лев Давидович уже рассматривал Боголюбова как крупного физика-теоретика, сумев преодолеть свои эмоции. Тем не менее, семинар Ландау-Боголюбова просуществовал недолго и прекратился после появления журнала "Physical Review" со статьей вышеуказанных американских авторов. И огорчительно, что в публикациях представителей школы Ландау по сверхпроводимости работы Боголюбова упоминаются редко, микроскопическая теория сверхпроводимости именуется "теорией Бардина-Купера-Шриффера", а термин "теория сверхтекучести" связывается только с именем Ландау.

Объединяя гигантов мысли

Спонтанное нарушение симметрии - один из двух сюжетов Нобелевской премии 2008 года по физике. В свое время эта тема, в известном смысле, объединила великих физиков-теоретиков Боголюбова и Ландау общим вкладом в объяснение причин спонтанного нарушения симметрии в мире элементарных частиц.

Речь идет о системах, описываемых математическими выражениями, обладающими некоторой симметрией, тогда как реальное физическое состояние системы, отвечающее частному решению уравнений движения, этим не обладает. Подобное положение возникает тогда, когда наинизшее из симметричных состояний не доставляет системе абсолютный минимум энергии и является неустойчивым. Причем частное низшее состояние не единственное, а их совокупность образует симметричный набор.

Для простейшей иллюстрации возьмем систему, состоящую из пустого сосуда с выпуклым дном (бутылку из-под шампанского) и маленького шарика. Сосуд, представляющий тело вращения, поставим вертикально и над ним точно по оси поместим шарик. Оба они симметричны относительно операции вращения вокруг вертикальной оси. Отпустим шарик, чтобы он упал на дно. Достигнув его, он не удержится на центральной выпуклости и скатится в какую-то сторону. То есть начальные условия симметричны, а конечное состояние - нет.

Боголюбову и Ландау удалось внести основополагающий вклад в объяснение причины возникновения сверхтекучести и сверхпроводимости - явлений спонтанного нарушения симметрии в квантовых системах. Охватывая взглядом жизнь гениев, всегда интересно и полезно проследить за логикой их мышления, расширяющей привычные горизонты. Вот и попробуем следовать мысли Николая Николаевича в решении загадки этих явлений.

Исходный материал нашей науки, данные наблюдений подлежат упорядочению и осмыслению. Способ упорядочения обычно состоит в построении феноменологической схемы, в основе которой - представление о природе явления, облеченное в форму физического закона. Важный критерий успеха схемы - не только описание уже имеющихся сведений, но и возможность предсказания результатов новых опытов и указания способа их проведения. Таков путь теоретика-феноменолога: от явления к теоретической схеме и обратно.

Но в построении физической теории многие существенные результаты достигнуты другим, более умозрительным путем. Вспомним объединение силы земной тяжести и небесной гравитации (Ньютон), электричества и магнетизма (Максвелл), а также открытый не столь давно в квантовой теории поля принцип динамики из симметрии (Янг и Миллс), приведший к построению теории электрослабых взаимодействий и квантовой хромодинамики. Приверженцев подобного образа действий, старающихся исходить из некоторых более глубоких физических представлений, первоначальных принципов (ab initio), часто называют "редукционистами". Имеется в виду стремление свести (редуцировать) описание всего наблюдаемого многообразия явлений к небольшому числу простых и общих понятий и принципов. В статистической физике "редукционисты", как правило, - авторы микроскопического подхода. Приведу определение, данное Боголюбовым в 1958 г. в работе "Основные принципы теории сверхтекучести и сверхпроводимости": "Задачей макроскопической теории является получение уравнений типа классических уравнений математической физики, которые отображали бы всю совокупность экспериментальных фактов, относящихся к изучаемым макроскопическим объектам. ...В микроскопической теории ставится более глубокая задача, заключающаяся в том, чтобы понять внутренний механизм явления, исходя из законов квантовой механики. При этом, в частности, надлежит получить также те связи между динамическими величинами, из которых вытекают уравнения макроскопической теории".

Не следует, однако, излишне увлекаться противопоставлением этих двух способов мышления. Например, между классическими уравнениями механики или уравнениями Максвелла в среде и законами, управляющими последовательностью событий - такими, как законы движения планет Солнечной системы, лежит промежуток - большая щель. Именно в подобных ситуациях проявляется сила феноменологии. Поэтому усилия феноменологов и редукционистов дополняют друг друга. Открытие и объяснение сверхтекучести и сверхпроводимости - яркое тому свидетельство.

Теория сверхтекучести - пример взаимного влияния феноменологических идей и математических конструкций. Первоначальное объяснение этого явления, данное Ландау, основано на представлении, что при низких температурах свойства жидкого 4He определяются коллективными возбуждениями (фононами), а не квадратичным спектром возбуждений отдельных частиц. Значит, при движении со скоростью, не превосходящей некоторого критического значения, нельзя затормозить жидкость путем передачи отдельным атомам энергии и импульса от стенки, поскольку линейный вид спектра фононов не позволяет соблюсти одновременно законы сохранения энергии и импульса. Необходимость согласования вида спектра и термодинамических свойств жидкого гелия привела Ландау к решению - в дополнение к фононам ввести возбуждения с квадратичным спектром, начинающимся с некоторой энергетической щели, возбуждения. Их он назвал ротонами.

Теория Боголюбова основана на физическом допущении, что в слабо неидеальном бозе-газе имеется конденсат подобно случаю идеального бозе-газа. Наличие бозе-конденсата приводит к единой волновой функции всей системы, т.е. коллективному эффекту, и поэтому даже очень слабое взаимодействие преобразует одночастичные возбуждения в спектр коллективных возбуждений. Для вычисления этого спектра Боголюбов предположил, что при низких температурах именно бозе-конденсат играет определяющую роль, поскольку содержит макроскопически большое число частиц. Эта гениальная догадка получила прямое экспериментальное подтверждение лишь спустя полвека. Полученное Николаем Николаевичем решение объединило звуковые возбуждения (фононы) и так называемые ротоны в единый спектр. Нарушение симметрии на квантовом уровне оказалось связанным со "сбоем" так называемой фазовой инвариантности, отвечающей за закон сохранения числа частиц.

Другой пример спонтанного нарушения симметрии - явление сверхпроводимости, где, как и при фазовом переходе в сверхтекучее состояние, происходит нарушение фазовой инвариантности. Хотя феномен открыт в 1911 г. (значительно раньше сверхтекучести 4He), теоретическое его понимание достигнуто существенно позже объяснения сверхтекучести. И значительным успехом была предложенная Гинзбургом и Ландау феноменологическая теория. В ее рамках удалось успешно описать поведение сверхпроводника во внешнем магнитном поле. В теории Гинзбурга-Ландау нарушение симметрии соответствует появлению выпуклости на дне бутылки из-под шампанского. Однако природа явления остается невыясненной. Микроскопическая же теория была разработана лишь в 1957 г. в работах Бардина, Купера, Шриффера и Боголюбова. Здесь нарушение симметрии, как и в сверхтекучести, связано с фазовой инвариантностью. Николай Николаевич пришел к представлению о сродстве двух явлений: сверхтекучесть куперовских пар и создает сверхпроводящий ток. Вот цитата из его обзора того времени: "Свойство сверхпроводимости может трактоваться как свойство сверхтекучести системы электронов в металле".

Единство явлений сверхтекучести и сверхпроводимости совсем недавно (1999-2006 гг.) было подтверждено прямым образом в опытах с ультрахолодными фермионными газами в ловушках. И это яркое свидетельство того, как взаимное влияние творческих методов грандиозных фигур Ландау и Боголюбова пророчески обогатило науку и направило ее развитие в верное русло.

Вообще за десятилетие 50-х Николай Николаевич потрудился примерно в дюжине направлений, написав около 50 работ и 5 монографий. Обращает внимание то обстоятельство, что над каждым из сюжетов он работал в среднем не более двух-трех лет, а в некоторые годы публиковался по 4-5 направлениям. Особенно плодотворной была середина этого десятилетия.

На Рочестерской конференции в Тбилиси 1976 год.

Образно говоря, Боголюбов в те годы представлял собой фонтан научных открытий первостепенной важности. Доброжелательность к людям, щедрость натуры приводила к тому, что этот фонтан оплодотворял всех, кто захотел к нему приблизиться и сумел впитать живительную влагу.

Как раз на эти годы пришлось создание Николаем Николаевичем Лаборатории теоретической физики в составе Объединенного института ядерных исследований в Дубне и закладка фундамента его школы в физике взаимодействий частиц.

Для сравнения можно взять таких разносторонних корифеев как Гейзенберг и Ландау. Беглый взгляд на список работ показывает, что каждый из них возвращался к одной и той же теме на протяжении более чем десятка лет. К стилю творчества Николая Николаевича более подходит девиз "Veni, vidi, vici!" ("Пришел, увидел, победил!"). Он обращался к проблеме, исчерпывающе решал ее и переходил к другой задаче.


Редакция Веб-мастер