Академик Ландау; Как мы жили

ОТ НЕЙТРОНА К НЕЙТРОННОЙ ЗВЕЗДЕ

Я. Зельдович, академик, трижды Герой Социалистического Труда

И. Халатников, член-корреспондент АН СССР, директор Инсгитута теоретической физики имени Л.Д.Ландау

В этом году мы отмечаем семьдесят пять лет со дня рождения Героя Социалистического Труда, лауреата Ленинской и Государственных премий, лауреата Нобелевской премии, академика Льва Давидовича Ландау. Это был человек необычайно насыщенной и яркой судьбы.

В двадцать лет — мировое признание.

В пятьдесят четыре года Ландау попал в тяжелейшую автомобильную катастрофу, борьба за его жизнь стала примером солидарности ученых всего мира.

В шестьдесят лет его не стало… Однако сегодня мы еще и еще раз убеждаемся, сколь велик его вклад в современную науку: от физики твердого тела до астрономии. Остается непревзойденным задуманный и вдохновленный им "Курс теоретической физики", переведенный почти на все языки мира. Активно действует созданная им научная школа. Идеи Ландау живут и развиваются. Один из примеров тому — нейтронные звезды.

Человеку, далекому от физики, порой трудно пред- ставить, сколь фантастична и сколь неразрывна связь микро- и макромира мира элементарных частиц и мира Вселенной. Достаточно вспомнить хотя бы тот факт, что открытие таких фундаментальных положений, как скорость света и закон всемирного тяготения, было основано на астрономических исследованиях Солнечной системы!

Поэтому неудивительно, что, когда пятьдесят лет назад учеником Резерфорда Дж. Чедвиком был открыт нейтрон, это произвело настоящую революцию в астрономии. Однако не будем торопиться…

Итак, было известно, что при облучении бериллия альфа-частицами радия получается излучение со странными свойствами, которое легко проходит через свинец и вызывает сильную ионизацию в водороде. В 1932 году удалось доказать, что оно состоит из нейтральных частиц с массой приблизительно такой же, как и масса атома водорода…

…Сохранился рассказ о том, как молодой (24 года) Лев Ландау, находившийся тогда в Дании у Нильса Бора, уже в день получения известия об открытии нейтрона сделал вывод о существовании нейтронных звезд. Представьте себе Солнце, сжатое до размеров в 12 — 30 километров, Солнце, в котором почти все вещество превратилось в нейтроны, — это и есть нейтронная звезда.

На чем же основано замечательное предсказание? В 1932 году теория электронов уже была достаточно хорошо разработана. Ученые знали, что электроны могут двигаться с большими скоростями даже в том случае, когда температура низка. Если в каком-то объеме два электрона находятся в состоянии покоя, то уже следующая пара обязана двигаться с определенной энергией, следующая за ней — с еще большей энергией и так далее. Короче, две пары не могут находиться в одинаковом состоянии — это фундаментальное свойство электронов, так называемый принцип запрета. Отсюда важнейшее следствие: в сжатом веществе обязательно должны присутствовать электроны с высокими энергиями. Если одну тонну вещества сжать в объем, равный одному кубическому сантиметру, то энергия электронов станет настолько большой, что их масса удвоится. Однако для этого понадобится давление в миллиард атмосфер.

В земных условиях подобное невозможно. Только звезда, такая, как Солнце, может после исчерпания ядерной энергии остыть и сжаться до размеров Земли. Но это еще не нейтронная звезда, а лишь первый шаг на пути к ней. Такова теория звезд-карликов, которую независимо развили Л.Д.Ландау и американский астрофизик С.Чандрасекар.

В февральский вечер 1932 года Ландау пошел дальше. Он поставил вопрос о том, что произойдет со звездой тяжелее солнца. Простой ответ: вещество сожмется еще сильнее, энергия электронов еще увеличится. Принципиально новая идея Ландау состояла в том, что следствием этого обязательно должно быть еще и превращение обычного вещества в нейтроны. Таким образом на последнем этапе эволюции должны рождаться нейтронные звезды. При массе больше массы Солнца плотность вещества такой звезды достигает сотен миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Более того, превращение обычной звезды в нейтронную, то есть сильнейшее сжатие звезды, согласно теории, сопровождается выделением огромнейшей энергии и сбрасыванием внешней оболочки звезды, другими словами — взрывом. Именно так теперь объясняется появление «сверхновых» звезд, которые иногда — несколько раз за тысячу лет — вспыхивают так ярко, что видны даже на дневном небе. Упоминание об этом встречается в древних летописях.

Долгое время казалось, что вскоре после своего бурного рождения нейтронная звезда должна остыть и превратиться в мертвое тело, не представляющее интереса для астронома-наблюдателя. Положение изменилось лишь в начале шестидесятых годов, когда советские теоретики начали целеустремленный поиск методов обнаружения сверхплотных небесных тел, и в частности нейтронных звезд.

Самый простой, но ненадежный способ — обнаружить и следить за движением обычной звезды, рядом с которой находится сверхплотная. Можно, конечно, определить массу второй звезды, но трудно доказать, что она действительно сверхплотная. Но есть и другая идея. Нейтронная звезда после своего образования еще настолько горяча (температура поверхности достигает миллионов градусов), что должна обязательно испускать рентгеновские лучи. Однако она остывает быстро, за несколько месяцев, и становится невидимой. Значит, надо искать такое излучение или сигналы, которые продолжались бы многие тысячи лет.

В 1967 году были открыты пульсаторы — своеобразные источники пульсирующего, периодически меняющегося радиоизлучения. Сейчас можно утверждать: пульсары — это не что иное, как нейтронные звезды. Так подтвердилось блестящее предсказание Ландау. Однако, как часто это бывает в науке, задача постепенно обрастала все новыми и новыми сложностями. Например, поначалу думали, что нейтронная звезда — некий «спокойный», то есть невращающийся шар, который к тому же и не имеет магнитного поля. А ведь оказалось, именно эти два ее свойства, написанные нами с частицей «не», ответственны за радиоизлучение, которое удается наблюдать.

Так появился вопрос: почему нейтронная звезда быстро вращается и почему ее магнитное поле велико? Ответ заключен все в той же причине ее рождения — сжатии обычной звезды. А увеличение угловой скорости вращения при сжатии — хорошо известное явление, которым, кстати, часто пользуются балерины и фигуристы, прижимая руки к телу. Аналогичный закон имеет место для магнитного поля. При сжатии магнитное поле возрастает в той же пропорции, что и угловая скорость вращения, и возникает поле, в миллион миллионов раз больше поля Земли и Солнца.

При быстром вращении и при наличии магнитного поля электроны разгоняются до чудовищной энергии, и вступают в действие особые свойства сверхсильного магнитного поля: заряженные частицы испускают фотоны — кванты электромагнитного излучения, те в свою очередь рождают пары электронов и позитронов. Именно их колебания и дают то направленное радиоизлучение, которое воспринимается антеннами астрономов. Теряя энергию вращения, пульсар, естественно, постепенно замедляется. Но внутри пульсара находится сверхтекучая нейтронная жидкость, которая не сразу воспринимает изменения в скорости вращения. Поэтому при анализе этих явлений понадобилась теория сверхтекучести — замечательного свойства квантовых жидкостей, теоретически исследованного Л.Д.Ландау.

Еще через несколько лет был обнаружен новый тип пульсаров рентгеновские. Их можно было наблюдать только с помощью аппаратуры, выведенной в ближний космос (рентгеновское излучение поглощается атмосферой). Эти пульсары испускают рентгеновские лучи, и общий поток энергии от каждого такого объекта в сотни тысяч раз больше излучаемой Солнцем. Откуда же они черпают энергию? Оказывается, такие пульсары входят в состав двойных систем, то есть находятся рядом с обычными звездами. Нейтронная звезда перехватывает газ, истекающий с поверхности соседствующей нормальной звезды. Под действием тяготения газ ускоряется, нагревается и выделяет огромную энергию как раз в виде рентгеновского излучения. Процесс этот был предсказан теоретиками еще до открытия пульсаров.

И тут мы вновь должны обратиться к работам Ландау: в теории рентгеновских пульсаров важнейшую роль играет квантование движения электронов в магнитном поле, предсказанное Ландау. Именно путем наблюдения так называемых уровней Ландау в спектре рентгеновского излучения удалось определить величину магнитного поля пульсаров.

Прошло более пятидесяти лет с того дня, когда Ландау сделал первое предсказание о существовании нейтронных звезд. Многолетние усилия ученых подтвердили эту гипотезу, изменив тем самым лицо современной астрономии. Революционны были и многие другие работы Ландау. И потому сейчас, с высоты настоящего, нам особенно отчетливо виден научный подвиг Льва Давидовича.

К сожалению, его нет с нами… Но для нас он навсегда останется нашим учителем, примером преданного и плодотворного служения науке".