Газета Троицкий Вариант - Газета Троицкий Вариант # 42 (24_11_2009)
Фото В.Гинзбурга и И.Фабелинского из архива А.Леонтовича
Американцы взорвали первый термоядерный заряд на атолле Эниветок 1 ноября 1952 г. Однако следует заметить, что американская «бомба» представляла собой лабораторный образец, фактически «дом, наполненный жидким дейтерием», выполненный в виде специальной конструкции. В проекте советской водородной бомбы, разработанной группой И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова, изначально рассматривалось использование не жидкого дейтерия или тяжелой воды, а твердого соединения дейтерида лития. Эта идея связывается, и безусловно правильно связывается, с именем В.Л. Гинзбурга. Как утверждает в своих воспоминаниях один из непосредственных участников этого проекта В.И. Ритус, Виталий Лазаревич на его прямой вопрос, кто вообще предложил использовать именно дейтерид лития, т.е. твердое вещество, а не тяжелую воду, ответил: «Я не знаю». Далее он пишет: «Что же касается самой идеи использовать в качестве носителя дейтерия твердое вещество — дейтерид лития, а не тяжелую воду, то в какой-то степени она тривиальна. Почему? Потому что в любом химическом справочнике или даже Большой советской энциклопедии в статье на слово «литий» написано, что гидрид лития используется для безбаллонной транспортировки водорода. Иначе говоря, если вы хотите перевезти из одного места в другое какое-то количество водорода, то вместо того, чтобы везти сжатый водород в баллоне, удобнее взять твердое вещество — гидрид лития, перевезти его в нужное вам место, полить его там водичкой, и один килограмм LiH даст вам 2,8 м3 водорода». Иными словами, свой вклад В.Л. Гинзбург видит в следующем: кто-то уже сказал, что дейтерий нужно вносить в виде дейтерида лития — твердого вещества, а не в виде тяжелой воды. Однако основной изотоп лития 7Li, наиболее распространенный в природе, подавляет термоядерную реакцию. Виталий Лазаревич предложил использовать дейтерид лития, содержащий шестой изотоп лития 6Li, который охотно делится нейтроном n + Li — 4Не + t + 4.8 МэВ с выделением энергии. Более того, образующийся тритий вступает в термоядерную реакцию с дейтерием и снова с выделением энергии: t + d — n + 4Не + 17.6 МэВ. Существенно при этом, что сечение этой реакции в 100 раз больше сечения dd-реакции. Таким образом, предложение Гинзбурга состояло в том, чтобы очищать литий от его основного, седьмого изотопа и вносить дейтерий в виде твердого вещества 6LiD. Для реализации этой идеи в СССР были построены заводы по разделению изотопов лития.
Советская водородная бомба на основе 6LiD была взорвана 12 августа 1953 г. раньше, чем американская на атолле Бикини в 1954 г. Термоядерным топливом в устройстве американской водородной бомбы служила смесь 40 % дейтерида лития-6 и 60 % дейтерида лития-7. Таким образом, предложение Виталия Лазаревича, а также предложения Андрея Дмитриевича о методах сжатия термоядерного топлива, опередили американские исследования в этой области и позволили СССР достигнуть ядерного паритета с США. Следует отметить, что оба они считали до конца своих дней свое участие в этой работе делом правильным и нужным для своей страны и своего народа. Это мнение неоднократно высказывалось А.Д. Сахаровым (в том числе и во времена перестройки) примерно в такой форме: в то время и в той ситуации это было совершенно необходимо, иначе мир мог бы погрузиться в хаос. Монопольное обладание термоядерным оружием дает огромное преимущество над остальным миром и тем самым является огромным соблазном.
Теория Гинзбурга — Ландау
Михаил Кацнельсон
В большей части современной теоретической физики (статистическая механика, квантовая механика, квантовая теория поля) исходным объектом являются гамильтонианы. Это наш золотой запас, те кирпичики, из которых строится значительная часть нашей науки. Гамильтониан Изинга, гамильтониан Гейзенберга... Гамильтониан Гинзбурга-Ландау.
Ландау не любил гамильтонианы. В 50-е годы в связи с открытием «московского нуля» (утверждение об исчезновении, как тогда казалось, «любых разумных» взаимодействий в квантовой теории поля в результате перенормировок) он неоднократно писал о необходимости похоронить (правда, по первому разряду, со всем уважением) подход, основанный на гамильтонианах и лагранжианах. Гамильтонианы выжили. Более того, один из важнейших гамильтонианов второй половины ХХ в. был предложен самим Ландау — совместно с Виталием Лазаревичем Гинзбургом.
Когда редакция «Троицкого варианта» попросила меня написать про теорию Гинзбурга — Ландау, я первым делом перечитал их великую статью 1950 г., а заодно заново перелистал весь двухтомник Ландау. Ничего практически не знаю об истории создания этой работы, но как читатель сразу почувствовал: по стилю она выделяется. Детальное обсуждение конкретных примеров, попытки количественного сравнения с экспериментом для ртути, таблицы. По сравнению с другими статьями Ландау эта выглядит несколько приземленной. К общей теории фазовых переходов второго рода, развитой Ландау в 1930-е годы, добавлена возможная неоднородность «параметра порядка». Добавлена по вполне прагматическим соображениям: сверхпроводники нужно рассматривать в магнитном поле, магнитное поле проникает в сверхпроводник только в пределах поверхностного слоя (эффект Мейснера, феноменологически объясненный Фрицем и Гейнцем Лондонами), значит, «параметр порядка», какой бы он ни был, должен быть пространственно неоднородным.
Физика едина, и, чтобы пробиться к основам, копать можно чуть ли не в любом месте — но не с равным успехом, разумеется. Великое счастье — копнуть где надо. Решая конкретную задачу о проникновении магнитного поля в сверхпроводящие пленки, Гинзбург и Ландау по сути зацепили одну из главных тайн мироздания. Их теория основана на нелинейном гамильтониане для «параметра порядка», допускающем «спонтанное нарушение симметрии», а взаимодействие с магнитным полем выбрано из соображений «калибровочной инвариантности». В результате безмассовый исходно квант электромагнитного поля — фотон приобретает массу. Это и есть эффект Мейснера. Знаменитый «феномен Хиггса», основополагающий для современной физики высоких энергий, по сути уже содержится здесь; только «калибровочную инвариантность» нужно рассматривать более общего вида.
Это поразительное свойство теоретической физики: не только фундаментальная физика влияет на «физику вокруг нас», такую, как физика конденсированного состояния вообще и физика сверхпроводимости, в частности, — физика вокруг нас подсказывает нам глубочайшие идеи насчет основ. Познание начинается с середины, а потом мы копаем в обе стороны — в сторону приложения и в сторону фундамента. Теория Гинзбурга — Ландау есть один из ярких примеров этого удивительного свойства нашей науки. Недавний пример такого рода feed bаск'а — графен, «ЦЕРН на столе», позволяющий исследовать в простых и дешевых лабораторных экспериментах тончайшие эффекты релятивистской квантовой механики и квантовой теории поля.
Теория Гинзбурга — Ландау содержит некий безразмерный параметр каппа. Если он больше, чем критическое значение, равное 1 /V 2, поверхностная энергия между нормальной и сверхпроводящей фазой оказывается отрицательной. Гинзбург и Ландау не стали рассматривать «патологический» случай, но вскоре это было сделано в развитие их работы Алексеем Абрикосовым. Отсюда концепция «вихрей Абрикосова», первого (наряду с вихрями Онсагера — Фейнмана в сверхтекучем гелии) примера «топологических дефектов», играющих столь важную роль не только в современной физике конденсированного состояния, но и в теории поля, и даже в космологии. Следующий шаг, демонстрирующий единство нашей науки.
Постепенно пришло понимание, что неоднородность «параметра порядка» важна не только, когда она вызвана внешними причинами, такими, как магнитное поле в сверхпроводнике, — гамильтониан Гинзбурга-Ландау необходим для учета флуктуаций, играющих решающую роль вблизи точек фазовых переходов второго рода. Этот шаг был сделан в начале 1960-х годов Гинзбургом (еще один его выдающийся вклад в теоретическую физику!) и Аркадием Леванюком. Они установили критерий, когда теория фазовых переходов второго рода Ландау становится неприменимой и все определяется флуктуациями, — первый шаг к современной теории критического поведения. Метод реноргруппы, созданный Кеннетом Вильсоном, обосновал утверждение, что гамильтониан Гинзбурга-Ландау содержит все члены, необходимые для описания критического поведения в трехмерном пространстве. Исходное его применение именно к сверхпроводящему переходу — еще одна удача: критерий Гинзбурга-Леванюка показывает, что именно в этом случае флуктуационная область крайне мала!
