Lev Davidovich Landau Russische natuurkundige

Lev Davidovich Landau, (geboren op 9 januari [22 januari, nieuwe stijl], 1908, Baku, het Russische rijk (nu Azerbeidzjan) - overleden op 1 april 1968, Moskou, Rusland, de USSR), theoretisch Sovjetfysicus, een van de oprichters van de kwantumtheorie van gecondenseerde materie waarvan baanbrekend onderzoek op dit gebied werd erkend met de Nobelprijs voor natuurkunde van 1962.

Landau was een wiskundig wonderkind en verschrikkelijk verschrikkelijk. Zijn scholing weerspiegelde de zigzaggen van radicale onderwijshervormingen tijdens de turbulente periode na de Russische revolutie van 1917. Zoals vele wetenschappers van de eerste Sovjet-generatie voltooide Landau sommige onderwijsfasen, zoals de middelbare school, niet formeel. Hij schreef ook nooit een proefschrift, aangezien de academische graden waren afgeschaft en pas in 1934 werden hersteld. Hij voltooide de bacheloropleiding natuurkunde aan de Leningrad State University, waar hij studeerde van 1924 tot 1927. In 1934 promoveerde Landau op een reeds gevestigde geleerde.

Terwijl hij nog student was, publiceerde Landau zijn eerste artikelen. In die jaren verscheen in Duitsland een nieuwe theorie van de kwantummechanica, en de 20-jarige klaagde dat hij iets te laat was aangekomen om deel te nemen aan de grote wetenschappelijke revolutie. Tegen 1927 was de kwantummechanica in wezen voltooid, en natuurkundigen begonnen te werken aan de relativistische generalisatie en toepassingen ervan op de vaste en kernfysica. Landau werd professioneel volwassen in het seminar van Yakov I. Frenkel aan het Leningrad Physico-Technical Institute en vervolgens tijdens zijn buitenlandse reis van 1929–31. Gesteund door een Sovjet-stipendium en een Rockefeller-fellowship bezocht hij universiteiten in Zürich, Kopenhagen en Cambridge, waarbij hij vooral leerde van natuurkundigen Wolfgang Pauli en Niels Bohr. In 1930 wees Landau op een nieuw effect als gevolg van de kwantisering van vrije elektronen in kristallen: het Landau-diamagnetisme, tegengesteld aan het spinparamagnetisme dat eerder door Pauli was behandeld. In een gezamenlijke paper met natuurkundige Rudolf Peierls, pleitte Landau voor de noodzaak van nog een radicale conceptuele revolutie in de natuurkunde om de toenemende moeilijkheden in de relativistische kwantumtheorie op te lossen.

In 1932, kort na zijn terugkeer in de Sovjet-Unie, verhuisde Landau naar het Oekraïense Physico-Technical Institute (UFTI) in Kharkov (nu Kharkiv). Onlangs georganiseerd en gerund door een groep jonge natuurkundigen, brak UFTI de nieuwe gebieden van de nucleaire, theoretische en lage-temperatuurfysica in. Samen met zijn eerste studenten - Evgeny Lifshits, Isaak Pomeranchuk en Aleksandr Akhiezer - berekende Landau effecten in de kwantumelektrodynamica en werkte hij aan de theorie van metalen, ferromagnetisme en supergeleiding in nauwe samenwerking met Lev Shubnikovs experimentele cryogene laboratorium aan het instituut. In 1937 publiceerde Landau zijn theorie van faseovergangen van de tweede orde, waarin de thermodynamische parameters van het systeem continu veranderen maar de symmetrie abrupt verandert.

Datzelfde jaar veroorzaakten politieke problemen zijn abrupte verhuizing naar Pyotr Kapitsa's Institute of Physical Problems in Moskou. Institutionele conflicten aan de UFTI en de Kharkov Universiteit, en Landau's eigen iconoclastische gedrag, werden gepolitiseerd in de context van de stalinistische zuivering, wat een levensbedreigende situatie veroorzaakte. Later in 1937 werden verschillende UFTI-wetenschappers gearresteerd door de politieke politie en sommige, waaronder Shubnikov, werden geëxecuteerd. Surveillance volgde Landau naar Moskou, waar hij in april 1938 werd gearresteerd nadat hij met twee collega's een anti-stalinistische folder had besproken. Een jaar later slaagde Kapitsa erin Landau uit de gevangenis te krijgen door aan de Russische premier Vyacheslav M. Molotov te schrijven dat hij de hulp van de theoreticus nodig had om nieuwe fenomenen in vloeibaar helium te begrijpen.

Een kwantumtheoretische verklaring van Kapitsa's ontdekking van superfluïditeit in vloeibaar helium werd in 1941 door Landau gepubliceerd. De theorie van Landau was gebaseerd op een concept van collectieve excitaties dat iets eerder door Frenkel en natuurkundige Igor Tamm was gesuggereerd. Een dergelijke gekwantificeerde eenheid, een gekwantificeerde eenheid van collectieve beweging van vele atoomdeeltjes, kan wiskundig worden beschreven alsof het een enkel deeltje van een nieuw soort is, vaak een 'quasideeltje' genoemd. Om superfluïditeit te verklaren, postuleerde Landau dat er naast het fonon (het kwantum van een geluidsgolf) nog een andere collectieve excitatie bestaat, het roton (het quantum van de vortexbeweging). Landau's theorie van superfluïditeit werd in de jaren vijftig geaccepteerd nadat verschillende experimenten enkele nieuwe effecten en daarop gebaseerde kwantitatieve voorspellingen bevestigden.

In 1946 werd Landau verkozen tot volwaardig lid van de USSR Academy of Sciences. Hij organiseerde een theoretische groep in het Instituut voor Fysieke Problemen met Isaak Khalatnikov en later Alexey A. Abrikosov. Nieuwe studenten moesten slagen voor een reeks uitdagende examens, het Landau-minimum genoemd, om zich bij de groep aan te sluiten. Het wekelijkse colloquium van de groep diende als het belangrijkste discussiecentrum voor theoretische natuurkunde in Moskou, hoewel veel sprekers het verwoestende niveau van kritiek dat tijdens haar vergaderingen als normaal werd beschouwd, niet aankon. In de loop der jaren hebben Landau en Lifshits hun multivolume cursus theoretische fysica gepubliceerd, een belangrijk leermiddel voor verschillende generaties van onderzoekstudenten wereldwijd.

Het collectieve werk van Landau's groep omvatte praktisch elke tak van de theoretische fysica. In 1946 beschreef hij het fenomeen van Landau-demping van elektromagnetische golven in plasma. Samen met Vitaly L. Ginzburg verkreeg Landau in 1950 de juiste vergelijkingen van de macroscopische (fenomenologische) theorie van supergeleiding. In de jaren vijftig ontdekten hij en medewerkers dat zelfs in de opnieuw genormaliseerde kwantumelektrodynamica een nieuwe divergentie-moeilijkheid optreedt (de Moskou-nul of de Landau-pool). Het fenomeen dat de koppelingsconstante oneindig wordt of verdwijnt bij een bepaalde energie is een belangrijk kenmerk van moderne kwantumveldentheorieën. Naast zijn theorie van superfluïditeit uit 1941 introduceerde Landau in 1956–58 een ander soort kwantumvloeistof, waarvan de collectieve excitaties zich statistisch gedragen als fermionen (zoals elektronen, neutronen en protonen) in plaats van bosonen (zoals mesonen). Zijn Fermi-vloeistof theorie leverde de basis voor de moderne theorie van elektronen in metalen en hielp ook bij het verklaren van superfluïditeit in He-3, de lichtere isotoop van helium. In de werken van Landau en zijn studenten werd de methode van quasideeltjes met succes toegepast op verschillende problemen en ontwikkelde zich tot een onmisbare basis van de theorie van de gecondenseerde materie.

Zelfs na zijn huwelijk in 1939 hield Landau vast aan de theorie dat een vakbond de seksuele vrijheid van beide partners niet mag beperken. Hij hield niet van de natuurlijke filosofie van het dialectisch materialisme, vooral niet wanneer toegepast op de natuurkunde, maar hij handhaafde het historisch materialisme - de marxistische politieke filosofie - als een voorbeeld van wetenschappelijke waarheid. Hij haatte Joseph Stalin vanwege het verraad van de idealen van de revolutie van 1917 en na de jaren dertig bekritiseerde hij het Sovjetregime als niet langer socialistisch maar fascistisch. Zich ervan bewust dat de eerdere politieke beschuldigingen tegen hem niet officieel waren ingetrokken, voerde Landau enkele berekeningen uit voor het Sovjet-atoomwapenproject, maar na Stalins dood in 1953 weigerde hij geclassificeerd werk als niet langer nodig voor zijn persoonlijke bescherming. De naoorlogse wetenschapscultuur droeg bij aan de publieke erkenning en heldenverering die hij tijdens zijn latere jaren ontving. In 1962 raakte Landau ernstig gewond bij een auto-ongeluk. Artsen wisten zijn leven te redden, maar hij herstelde nooit genoeg om weer aan het werk te gaan en hij stierf aan complicaties.