LEV DAVIDOVICH LANDAU
Vào tháng chạp năm 1929 thư ký giám đốc Viện vật lý lý thuyết ở Copenhagen ghi trong sổ đăng ký danh sách khách nước ngoài một dòng ngắn ngủi: ''Tiến sĩ Landau từ Leningrad''. Lúc đó tiến sĩ chưa đầy 22 tuổi, nhưng có ai ngạc nhiên về điều đó ở cái Viện nổi tiếng này, cũng như ngạc nhiên về dáng vẻ nhỏ thó như một cậu bé, về tính, quyết đoán trong các lập luận của ông? Copenhagen khi đó đã nổi danh là thủ đô thế giới của vật lý lượng tử. Và nếu cứ tiếp tục cách ví như thế thì vị thị trưởng không thể thay thế của thủ đô này đã là Niels Bohr vĩ đại. Lev Landau đã tới gặp ông.
Chuyện tưởng như đùa trở thành phổ biến là cuộc cách mạng lượng tử trong khoa học tự nhiên vào thế kỷ XX đã diễn ra ở các vườn trẻ ở Anh quốc, ở Đức, Đan Mạch, Nga, Thụy Sĩ... (ý nói có nhiều nhà khoa học trẻ xuất hiện ở các nước này) Einstein ở tuổi 26 ngoài lý thuyết tương đối còn đưa ra lý thuyết lượng tử về ánh sáng. Niels Bohr lúc 28 tuổi đã xây dựng mô hình lượng tử của nguyên tử, Werner Heisenberg 24 tuổi đã đưa ra phương án cơ học lượng tử ma trận của mình...
Cho nên không ai ngạc nhiên về độ tuổi quá trẻ của vị tiến sĩ tới đây từ Leningrad. Trong khi đó người ta đã biết Landau là tác giả của ít nhất là một chục công trình độc lập về các vấn đề lượng tử. Công trình đầu tiên được ông viết năm 18 tuổi khi còn đang học ở khoa toán lý trường đại học Leningrad.
Người ta gọi thời kỳ này của sự phát triển của khoa học về thế giới vi mô là ''thời kỳ bão tố và xung kích''. Thời đoạn chuyển tiếp giữa hai thế kỷ XIX-XX đã diễn ra cuộc đấu tranh chống lại các quan niệm cổ điển trong khoa học tự nhiên. Landau là một trong số những người được sinh ra cho con bão tố và xung kích khoa học ấy.
Lev Đavidovich Landau sinh ngày 22 tháng giêng năm 1908 ở Baku (nay thuộc Azecbaijan) trong một gia đình kỹ sư dầu mỏ. Năng khiếu toán học của ông phát tiết rất sớm: năm 12 tuổi Landau đã học được phép tính vi phân rồi năm còn l 3 tuổi biết phép tách phần, năm 1922 (14 tuổi) vào Trường đại học tổng hợp, ở đó ông theo học đồng thời hai khoa: khoa toán lý và khoa hóa. Sau đó Landau chuyển sang trường đại học tổng hợp Leningrad, tốt nghiệp ở đó. Năm 1927 ông làm nghiên cứu sinh ở Viện vật lý kỹ thuật Leningrad. Tháng mười năm 1929 theo quyết định của Bộ dân ủy về giáo dục Landau được cử đi tu nghiệp ở nước ngoài. Ông đã tới Đức, Đan Mạch và Anh quốc.
Trong đợt tu nghiệp nửa năm, nhà vật lý trẻ đã làm việc ở Viện của Niels Bohr cả thảy 110 ngày. Những ngày này diễn ra như thế nào được phản ánh rất ấn tượng qua bức biếm họa của nhà bác học Nga có tuổi là George Gamow, khi đó cũng đã thành danh nhờ lý thuyết phân rã 
của các hạt nhân. Landau được vẽ ở tư thế đang bị buộc chặt vào ghế sau lưng miệng thì bị bịt giẻ còn Niels Bohr đứng cao hơn, ngón tay chỉ thẳng và lớn tiếng đầy vẻ giáo huấn: ''Gượm đã, gượm đã Landau, hãy cho tôi nói một lời!''. ''Cuộc tranh luận kiểu như thế diễn ra như cơm bữa'' - Gamow giải thích bức biếm họa của mình, và còn nói thêm là thực ra thì chính Bohr, con người đáng kính nhất chẳng cho ai nói lời nào.
Và dù sao thì sự thật một trăm phần trăm vẫn chỉ là tính hăng hái không chịu lép của lớp trẻ và tính kiên nhẫn của người thầy. Phu nhân của Bohr, bà Margaret kể rằng: ''Niels đánh giả cao và yêu quý Landau từ ngày đầu tiên. Và ông hiểu tính nết anh ta... Ông biết không, anh ta thường nóng nảy, không cho Niels nói, chế nhạo những người nhiều tuổi hơn, giống như một cậu bé tóc bù xù. . . Đại loại người ta gọi những người như thế là một enfant terrible (tiếng Pháp: cậu bé khó chịu...). Nhưng anh ta mới tài ba làm sao, chân thành làm sao! Tôi rất yêu mến anh ta và biết rằng anh ta yêu quý Niels như thế nào...''
Landau thích nói đùa rằng ông bị sinh ra chậm mất một số năm. Vào những năm 20 của thế kỷ XX, nền vật lý mới đã phát triển nhanh chóng đến mức đúng là những người sinh ra trước ông một chút đã kịp chinh phục tất cả ''các ngọn núi cao tám ngàn mét trong dãy Himalaya lượng tử”. Ông nói đùa với Yuri Rumer bạn cùng đi tu nghiệp ở Châu Âu: ''Cũng giống như chuyện tất cả các cô gái đẹp đều đã có nơi có chân tất cả các bài toán hay đều đã được giải quyết cả rồi!''
Tới lúc bấy giờ về cơ bản đã hoàn tất hai phương án tương đương của cơ học lượng tử - phương án Heisenberg và phương án Schrôdinger, đã khám phá và phát biểu ba nguyên lý then chốt của nền khoa học mới: nguyên lý bổ sung, nguyên lý cấm và hệ thức bất định. Tuy nhiên toàn bộ cuộc đời sáng tạo sau này của Lev Landau đã chứng tỏ thế giới vi mô và thế giới vĩ mô vẫn còn dành phần cho ông nhiều điều còn chưa ai khám phá. Trong phái Landau ra đời vào giữa những năm 30 mà người sáng lập ra nó không phải bao giờ cũng già hơn những học trò của mình. Vì vậy ở trường phái này có một kỷ luật rất nghiêm ngặt trong xưng hô, mọi học trò đều gọi nhau ''cậu, mình'', nhiều người còn xưng hô như thế với cả thầy mình (ý nói Landau). Trong số này có người phụ tá gần gũi nhất của ông, viện sĩ hàn lâm tương lai Evgeni Mikhailovich Lifshits (1915 - 1985). Ông trở thành đồng tác giả với Landau trong bộ sách ''Giáo trình vật lý lý thuyết'' nổi tiếng.
Đối với các nhà bác học trên toàn thế giới giáo trình này từng tập một đã trở thành một thứ ''sách thánh'' độc đáo như có lần nhà vật lý tài ba nhất Vladimir Naumovich Gribov (1930 - 1997) đã nói một cách rất nghiêm túc. Ưu điểm của giáo trình này là tính bách khoa của nó. Tự mình nghiền ngẫm các tập sách lần lượt được xuất bản cả các nhà vật lý lý thuyết trẻ lẫn các nhà vật lý lý thuyết lão luyện đều bắt đầu cảm thấy mình thêm am hiểu bức tranh vật lý hiện đại của thế giới vi mô và vĩ mô. ''Sau Enrico Fermi, tôi là người đa năng cuối cùng trong vật lý'', - Landau đã nhiều lần nói như thế và mọi người cũng thừa nhận là đúng.
Trường phái Landau, có lẽ là một cộng đồng dân chủ nhất trong nền khoa học nước Nga những năm 30 - 60 của thế kỷ XX. Bất kỳ ai cũng có thể tham gia vào đó, từ các tiến sĩ khoa học đến cậu học sinh, từ vị giáo sư đến nhân viên phòng thí nghiệm. Điều duy nhất đòi hỏi ở người muốn tham gia chỉ là qua được kỳ thi với người thầy (hoặc cộng tác viên được ủy quyền của ông) theo nội dung gọi là lý thuyết tối thiểu của Landau. Nhưng mọi người đều hiểu rằng, điều ''duy nhất'' ấy là một thử thách khắc nghiệt đối với khả năng, ý chí, lòng yêu lao động và sự tận tâm với khoa học. Chương trình thi lý thuyết tối thiểu gồm chín cuộc thi -
hai cuộc thi toán và bảy cuộc thi vật lý. Nó bao quát tất cả những gì cần phải biết, trước khi bắt tay vào quá trình tự làm việc trong vật lý lý thuyết. Không được dự thi quá ba lần - Landau không cho phép ai thi đến lần thứ tư. Ở đây ông là người nghiêm túc và nghiệt ngã. Ông có thể nói với thí sinh thi trượt: ''Anh (chị) chẳng thể nào trở thành nhà vật lý được. Phải gọi đúng sự vật bằng cái tên của nó. Sẽ tệ hại hơn nếu tôi làm anh (chị) tưởng lầm về khả năng của mình''.
Evgeni Lifchits kể rằng bắt đầu từ năm 1934 Landau đã tự lập danh sách những người qua được kỳ thi sát hạch về lý thuyết tối thiểu. Và đến tháng giêng năm 1962 danh sách các ''đại kiện tướng'' ghi được cả thảy 43 người thế nhưng đã có 10 người trong số này trở thành viện sĩ và có người có học vị tiến sĩ khoa học.
Chương trình lý thuyết tối thiểu - giáo trình vật lý lý thuyết - xêmina lý thuyết... Trên khắp thế giới ba cụm từ này đã nổi tiếng như là ba lĩnh vực hoạt động sư phạm của Landau, qua đó ông trở thành người Thầy (viết hoa) đối với nhiều người, mặc dù tính cách của ông chẳng dễ dàng chút nào: không thoả hiệp gay gắt, thẳng thắn cùng vô khối nét ''phản sư phạm''.
Trường phái Landau nổi bật ở tính nghiêm khắc, ngay cả ở những biểu hiện bề ngoài. Không nên đến xêmina lý thuyết chậm hơn 11 giờ sáng, cho dù có những sự kiện quan trọng đến mấy cũng không ngăn cản được báo cáo viên đã được dự kiến thuyết trình vào ngày thứ năm phải có mặt đúng giờ tại Viện vật lý lý thuyết trên đồi Vorobyov. Nếu có ai đó vào lúc 10 giờ 59 phút nói: ''Này Dau (tức Landau) đã đến giờ bắt đầu xêmina rồi đấy!'' Landau liền trả lời: ''Không, vẫn còn một phút để Migdal không đến muộn''. Và quả nhiên người ta thấy Arkadi Beynusovich Migdal (1911 - 1991) lao như bay vào khuôn cửa mở toang. Cái phút cuối cùng này được mọi người gọi là ''phút Migdal''. ''Cậu sẽ chẳng bao giờ trở thành nhà vua được! Lew Landau đã trách yêu cậu tiến sĩ khoa học đầy hứa hẹn, một người luôn bị bê bối về giờ giấc. Tính chính xác là sự lịch thiệp của các bậc quân vương còn cậu lại không phải là người lịch thiệp''. Migdal không thành một ông vua nhưng trở thành một viện sĩ hàn lâm. Trên các buổi xêmina Landau bác bỏ không thương tiếc những tranh luận mang tính lý thuyết suông và xem đó là bệnh hoạn. Lập tức ông sôi động hẳn lên khi nghe được một ý tưởng bổ ích.
Năm 1958 các nhà vật lý long trọng kỷ niệm Landau tròn 50 tuổi mà đã không thể tổ chức được triển lãm các thiết bị thực nghiệm hay các dụng cụ do ông sáng chế ở Viện các vấn đề vật lý. Bù lại, các viện sĩ cùng sinh viên đua nhau nghĩ ra các hình thức kỷ niệm. Mọi người còn đặt hàng cho các thợ khéo tay ở các xưởng thợ của Viện năng lượng nguyên tử Kurchatov làm các tấm bảng bằng đá hoa cương trên đó khắc ''Mười điều răn của Landau''. Bắt chước mười điều răn Kinh Thánh, người ta đã cho khắc trên hai phiến đá hoa cương mười công thức vật lý cơ bản của Landau mà có lần học trò của ông là Yuri Moiseyevich Kagan (sinh năm 1928) đã nói: ''Đó là những gì cần dùng nhất trong những cái quan trọng nhất mà Dau đã khám phá ra''.
Bốn năm sau lễ kỷ niệm tính mạng của Landau như treo trên đầu sợi tóc.
Tiết trời quá xấu. Băng phủ dày trên mọi nẻo đường. Một bé gái chạy thẳng qua đường. Chiếc xe con của ông phanh đột ngột bất thình lình trượt khỏi đường va mạnh vào chiếc xe tải đi ngược chiều ô bên cạnh. Và thế là Landau đang ngồi cạnh cửa xe phải chịu toàn bộ sức va đập của xe. Xe ''cấp cứu'' đã đưa Landau vào bệnh viện. Nhà phẫu thuật thần kinh nổi tiếng người Sec Zdenek Kunz được cử gấp sang Moskva, tuyên bố: ''Sự sống của người bệnh trái ngược với những chấn thương để lại''. Vậy mà Landau đã thoát chết!
Cùng với các bác sĩ các nhà vật lý đã làm nên điều kỳ diệu đó. Góp công sức cứu chữa cho Landau có các bác sĩ như nhà phẫu thuật thần kinh người Canađa Penfield và các nhà vật lý ưu tú, trong đó có cả bản thân Niels Bohr. Theo yêu cầu của họ người ta gửi thuốc tới Moskva từ Mỹ, Anh, Bỉ, Canađa, Pháp, Tiệp Khắc. Phi công của các đường bay quốc tế tham gia vào đường dây vận chuyển nhanh chóng các thuốc men cần thiết tới nước Nga.
Các viện sĩ Nikolai Nikolayevich Semyonov và Vladimir Aleksandrovich Engelgardt vào cái ngày chủ nhật rủi ro ấy, ngày 7 tháng giêng năm 1962, đã tiến hành tổng hợp chất chống phù não cho Landau. Vượt trước họ về thời gian từ Anh quốc người ta đã gửi thuốc chế sẵn vì thế mà giờ máy bay đi Nga bị lùi lại một tiếng đồng hồ, chưa kể việc hai đồng nghiệp tuổi 70 đã hoạt động tất bật để có thuốc cứu người bị nạn.
Vào một ngày mùa thu khi mọi người có cảm giác đã chiến thắng được tử thần, Peter Kapitza đã nói:… đó là một cuốn phim cao cả mà phải được đặt tên là ''Nếu như các chàng trai trên toàn thế giới!'' (tên một bộ phim) và lập tức ông sửa lại - tốt hơn nên đặt là ''Các chàng trai thông thái trên toàn thế giới!''. Và ông đã đề nghị lấy tên đó đặt cho một bài phóng sự đăng báo về điều kỳ diệu đã xảy ra vào ngày chủ nhật bất hạnh của Landau.
Niels Bohr lập tức quyết định hỗ trợ tâm lý cho Landau. Một lá thư do Niels Bohr 77 tuổi ký, từ Copenhagen được gửi cho Viện hàn lâm khoa học hoàng gia Thụy Điển với lời đề nghị: … Giải thưởng Nobel trong lĩnh vực vật lý cho năm 1962 cần được trao cho Lev Davidovich Landau vì ảnh hưởng quyết định thực sự được tạo ra bởi các ý tưởng độc đáo và các công trình xuất sắc của ông tới ngành vật lý nguyên tử ở thời đại chúng ta''.
Trái với truyền thống, những người Thụy Điển đã trao giải cho Landau không phải ở Stockholm mà ở Moskva, tại bệnh viện của Viện hàn lâm khoa học. Ông đã không thể chuẩn bị và đọc bài giảng nhận giải Nobel bắt buộc đối với người nhận giải: Và cũng thật đáng tiếc cho Landau, Niels Bohr, người nêu sáng kiến trao giải cho Landau lại không có mặt: ông đã mất vào cuối mùa thu năm 1962, không kịp biết chắc rằng thiện ý cuối cùng của ông đối với người học trò lớn Landau đã được thực hiện. Còn Lev Davidovich thì sống thêm được 6 năm và gặp đám học trò tại lễ kỷ niệm sinh nhật lần thứ 60 của ông. Đó là lần kỷ niệm sinh nhật cuối cùng đối với ông: Landau mất vào năm 1968.
Trong lịch sử khoa học ông vẫn là một trong những nhân vật huyền thoại của thế kỷ XX, - thế kỷ, xứng đáng với niềm vinh hạnh bi thương được gọi là thời đại nguyên tử. Theo xác nhận trực tiếp của Landau, ông chẳng mấy hăng hái khi tham gia vào thiên anh hùng ca không thể phủ nhận là việc xây dựng ngành năng lượng hạt nhân Xô viết. Động cơ thúc đẩy ông chỉ là nghĩa vụ công dân và lòng trung thực khoa học không thể mua chuộc.
CÁC HIỆU ỨNG LƯỢNG TỬ VĨ MÔ
Vật lý các môi trường liên tục đã tích cực sử dụng các thành quả của nền khoa học mới là cơ học lượng tử. Nhờ đó người ta đã hiểu được bản chất của các chất dẫn điện, các chất cách điện, các chất bán dẫn và nhiều vấn đề khác. Nhưng bài toán về tính siêu dẫn vẫn còn là bí ẩn thâm nghiêm trong trên ba thập kỷ.
Chỉ đến năm 1957 các nhà vật lý Mỹ là John Bardeen (1908 - 1991), Lon Cooper (sinh năm 1930) và John Schrieffer (sinh năm 1931) đã xây dựng được lý thuyết vi mô về tính siêu dẫn, mà người ta hay gọi tắt là lý thuyết BCS - theo các ký tự đầu trong tên họ của các nhà bác học. Họ đã được nhận giải thưởng Nobel về thành tựu này (năm 1972).
Dạng thức ban đầu của lý thuyết BCS chưa thật hoàn chỉnh, và nhà vật lý lý thuyết Xô viết Nikolai Nikolayevich Bogolyubov đã đem đến cho lý thuyết này dạng chính tắc bằng cách dựa trên ý tưởng đáng kinh ngạc của Cooper về sự ghép cặp của các electron. Người ta thấy rõ là tính siêu dẫn là hiệu ứng hết sức lượng tử, tuy nhiên nó lại thể hiện trên các quy mô vĩ mô. Theo các định luật lượng tử, dòng siêu dẫn không tắt dần chỉ có thể có với điều kiện là tập hợp rất đông các vật mang nó được mô tả bằng một hàm sóng thống nhất. Nhưng khi đó phải đòi hỏi là tất cả các phần tử mang dòng điện phải ở trong cùng một trạng thái lượng tử. Song đòi hỏi này không được thỏa mãn đối với các electron, vì chúng thuộc các hạt có spin bán nguyên (các fermion) và tuân theo nguyên lý cấm Pauli, nghĩa là chúng phải khác nhau ở một cái gì đó.
Ý tưởng của Cooper làm cho tình hình thay đổi hẳn. Các electron có hướng spin ngược nhau liên kết với nhau thành cặp, và spin tổng cộng của chúng trở nên bằng không. Các cặp hình thành như thế sẽ là các boson không tuân theo nguyên lý cấm và ở một trạng thái lượng tử, số lượng cặp có thể là bao nhiêu cũng được.
Sự ghép cặp của các electron không nên hiểu một cách quá máy móc: khoảng cách giữa các electron trong cặp lớn hơn rất nhiều khoảng cách giữa các cặp và sẽ đúng hơn nếu ta nói rằng trong chuyển động của các electron có sự liên kết cặp đặc thù. Khi giảm nhiệt độ, các dao động nhiệt của mạng tinh thể yếu dần, phá vỡ sự liên kết của các electron. Xuất hiện các cặp Cooper, chúng ngưng tụ (gom góp lại) ở trạng thái có năng lượng thấp nhất (trạng thái cơ bản). Phần ngưng tụ của các cặp Cooper tạo thành chất lỏng lượng tử (thuật ngữ của L. D. Landau) chảy qua kim loại không có ma sát.
Ta thấy rõ là để phá vỡ cặp Cooper, phải có năng lượng, nghĩa là các electron trong cặp hút nhau. Song làm sao điều đó xảy ra nếu chúng tích điện cùng dấu và theo định luật Coulomb trong tĩnh điện học, phải đẩy nhau. Vấn đề là ở chỗ trong kim loại ngoài các electron có điện tích âm còn có mạng tinh thể bao gồm các ion tích điện dương, trong khi di chuyển trong mạng electron hút về phía mình các ion dương (làm phân cực mạng tinh thể). Trong các điều kiện nhất định điện tích âm của electron bị che khuất. Các tính toán cho thấy chỉ cần sự hút hơi mạnh hơn sự đẩy một tý chút là đủ để hai điện tử ''láng giềng'' liên kết thành cặp. Điều đó đủ để giải thích hiện tượng siêu dẫn.
Tính siêu chảy là hiện tượng rất giống với tính siêu dẫn. Lý thuyết hiện tượng luận (vĩ mô về tính siêu chảy) của He II đã được đưa ra vào năm 1938 bởi Laslo Tissa và sau đó được Leo Landau kiện toàn năm 1941. Các nguyên tử heli, có spin bằng không, tuân theo thống kê Bose - Einstein, và không có gì ngăn cản chúng ở các nhiệt độ đủ thấp tích tụ ở trạng thái lượng tử cơ bản, nói cách khác, tạo thành chất lỏng lượng tử. Các tính chất của hàm số sóng chung ngăn cấm các nguyên tử riêng lẻ trong chuyển động tập thể của cả khối chịu sự hãm của thành bình chứa. Độ nhớt của các chất lỏng thông thường có liên quan với chính sự hãm này: chúng không có hàm sóng chung!
Khi nhiệt độ tăng lên, trong heli xuất hiện các dao động, giống như các dao động âm trong tinh thể được Landau xem như các phonon - các chuẩn hạt đặc biệt - các lượng tử của sóng âm. Ông giả định rằng năng lượng E của các phonon là một hàm bậc nhất của xung lượng của chúng: E = vp, ở đây v là vận tốc âm. Các phonon có thể được xem như một khí lý tưởng mà số lượng của chúng tạm thời vẫn chưa có nhiều lắm. Khi nhiệt độ tăng lên, số phonon tăng lên, còn đến nhiệt độ tới hạn 
(được gọi là điểm 
chất lỏng mất tính siêu chảy. Theo lý thuyết Landau thì chất lỏng không còn là siêu chảy cả khi vận tốc của nó vượt quá một giá trị ngưỡng nào đó, khi đó còn bắt đầu tạo thành một loại chuẩn hạt nữa - đó là những roton. Người ta cho rằng roton là các lượng tử độc đáo của các nhiễu loạn xoáy và sự tạo thành của chúng đưa đến sự hãm dòng chất lỏng. Đó chính là điều kiện duy trì tính siêu chảy (tiêu chuẩn Landau).
Năm 1947 N.N. Bogolyubov đã đưa ra lý thuyết vi mô về tính siêu chảy. Trong lý thuyết này heli được xem như khí Bose - Einstein không lý tưởng của các phonon với sự tương tác khá yếu giữa các chuẩn hạt. Nhờ việc giải chặt chẽ bài toán cơ học lượng tử nhiều vật, người ta đã xác nhận tiêu chuẩn Landau là đúng và loại bỏ tất cả các sai sót trong lý thuyết hiện tượng luận. Đặc biệt là việc phân chia các chuẩn hạt thành photon và roton trong lý thuyết là không đúng với lý thuyết chặt chẽ.
