Боголюбов: Ученый божьей помощью

Путь ученого

Есть люди, ученые, значение трудов которых сразу и бесповоротно становится классикой науки. Проходящие годы только подтверждают непреходящую ценность сделанных ими открытий. Более того, чем больше временная перспектива, тем отчетливее значение их творчества, как для фундаментальной науки, так и для прогресса технологий. Имя выдающегося отечественного ученого, физика и математика, академика Николая Николаевича Боголюбова - из этого числа.

Николай Николаевич Боголюбов родился 21 августа 1909 г. в Нижнем Новгороде в семье священника. Математические способности проявились у мальчика необычайно рано. В 13 лет он приступил к научной работе под руководством известного русского ученого академика Николая Митрофановича Крылова (1879-1955). Их сотрудничество длилось более 20 лет и принесло ряд выдающихся результатов в области математики и механики, имеющих огромное научное значение.

В 1924 г. пятнадцатилетний ученый пишет первую научную работу - "О проведении решений линейных дифференциальных уравнений на бесконечности". Через шесть лет он уже доктор математики. В 1948 г. становится академик АН Украины, в 1953 г. - АН СССР.

В 1957 г. Боголюбову присуждается премия им. М.В. Ломоносова за исследования по теории сверхпроводимости, в 1958 г. - Ленинская премия за разработку нового метода в квантовой теории поля и статистической физике, приведшего, в частности, к обоснованию теории сверхтекучести и сверхпроводимости.

В 1963 г. Н.Н. Боголюбов избирается членом Президиума АН СССР и академиком-секретарем Отделения математики, он занимает эти ответ-ственные посты до 1988 г.

В 1983 г. Боголюбову присуждается Золотая медаль и премия им. М.А. Лаврентьева АН СССР, а в 1984 г. совместно с академиком А.А. Логуновым и Д.В. Ширковым он удостаивается Государственной премии СССР в области науки и техники за цикл работ "Метод ренормализационной группы в теории полей". В том же году Боголюбов награждается Золотой медалью им. М.В. Ломоносова АН СССР за выдающиеся достижения в области математики и теоретической физики.

В последние годы, не прекращая активной плодотворной научной деятельности, академик Боголюбов вел и научно-общественную работу, являясь советником при Президиуме АН СССР (с 1988 г.), почетным директором ОИЯИ и Математического института им. В.А. Стеклова АН СССР (с 1989 г.).

Заслуги Николая Николаевича Боголюбова в развитии математики, механики и теоретической физики, подготовке научных кадров были отмечены двумя Золотыми Звездами Героя Социалистического Труда, пятью орденами Ленина, другими государственными наградами СССР, Болгарии, ГДР, КНДР, Монголии, Польши, Чехословакии.

Он был избран иностранным членом многих академий наук: Американской академии искусств и наук в Бостоне (1960), Болгарской академии наук (1961), Польской академии наук (1962), Академии наук ГДР (1966), Гейдельбергской академии наук, ФРГ (1968), Национальной академии наук США (1969), Венгерской академии наук (1979), Чехословацкой академии наук (1980), Академии наук МНР (1983), Академии наук Индии (1983).

Исследования Боголюбова были высоко оценены в мире многочисленными престижными премиями и медалями: премия Академии наук Болоньи, Италия (1930), премия им. Д. Хайнеманна Американского физического общества (1966), Золотая медаль им. Г. Гельмгольца Академии наук ГДР (1969), Золотая медаль Макса Планка Физического общества ФРГ (1973), Золотая медаль им. Б. Франклина, США (1974), Золотая медаль "За заслуги перед наукой и человечеством" Словацкой академии наук, ЧССР (1975), премия им. А.П. Карпинского, ФРГ (1981), медаль П. Дирака (1992, посмертно).

В 1987 г. Ученый совет Международного центра теоретической физики в Триесте учредил премию им. Н.Н. Боголюбова "За выдающиеся заслуги в деле развития научных исследований в области математики, физики твердого тела для ученых из развивающихся стран".

Сверхтекучесть и сверхпроводимость

В октябре 1946 года на собрании Отделения физики и математики Академии наук СССР Боголюбов сделал исторический доклад, в котором на микроскопическом уровне было впервые объяснено явление сверхтекучести. Макроскопический эффект сверхтекучести, экспериментально открытой Петром Леонидовичем Капицей в 1938 году, заключается в исчезновении вязкости жидкого гелия при крайне низких температурах вблизи абсолютного нуля.

Микроскопическая теория сверхтекучести - это уже классика мировой физики 20 века. Но помимо создания нового математического метода было достигнуто и физическое понимание явления сверхтекучести: в отличие от обычных жидкости или газа, характеризуемых хаотическим движением частиц, сверхтекучая жидкость обнаруживает необычайно высокую степень упорядочения.

Причина его - во взаимодействии частиц, причем наиболее сильно взаимодействуют частицы с противоположными импульсами. В результате взаимодействия образуется сверхтекучий конденсат, частицы которого не могут передавать свою энергию частицам вне конденсата, следствием чего и является исчезновение вязкости. Было также установлено, что подобный конденсат может образовываться лишь при очень низких температурах.

Другим выдающимся вкладом Николая Боголюбова и его учеников в статистическую механику было создание в 1957 г. микроскопической теории сверхпроводимости. Тогда впервые было установлено существование глубокой физической и математической аналогии между явлениями сверхпроводимости и сверхтекучести электронов в металлах. Подобная же идея скоррелированных пар частиц с нулевым суммарным импульсом сыграла важнейшую роль в построении микроскопической теории ядра, где пары нейтронов и протонов также оказываются скоррелированными.

В наши дни идеи Николая Николаевича Боголюбова используются при создании микроскопической теории высокотемпературной сверхпроводимости. И хотя многие вопросы все еще ждут ответа теоретиков, решение проблемы высокотемпературной сверхпроводимости - вопрос ближайшего будущего, сравнимый по своему воздействию на развитие человеческого общества лишь, пожалуй, с открытием цепной реакции деления атомов.

Математические методы, созданные под руководством академика Боголюбова в микроскопической теории сверхтекучести и сверхпроводимости, нашли свое дальнейшее развитие в квантовой физике и, в частности, в квантовой теории поля - науке о строении микромира.

Квазисредние

Основы изучения квантово-статистических систем с вырожденным вакуумом были заложены Николаем Николаевичем Боголюбовым в его замечательных работах по квазисредним.

В частности, метод квазисредних оказался необычайно плодотворным при исследовании свойств многочастичных систем с вырождением статистического равновесия. Этот метод сделал возможным исследование необычайно деликатной проблемы существования дальнего порядка в статистических системах одного, двух и трех измерений, а также получение спектра элементарных возбуждений.

Метод квазисредних успешно развивается и в наши дни, став одним из наиболее эффективных методов статистической физики. В частности, на его основе был создан метод, позволяющий асимптотически точно находить термодинамические потенциалы, многовременные корреляционные функции и функции Грина для различных модельных систем, изучаемых в теории сверхпроводимости, магнетизма, взаимодействия когерентного электромагнитного излучения с веществом и т.д.

Идея о спонтанном нарушении симметрии, высказанная Боголюбовым еще в 1961 г., оказалась незаменимой при построении современной теории критических явлений. С помощью концепции квазисредних удалось исследовать весьма сложный вопрос о существовании дальнего порядка в статистических системах одного и двух измерений. Концепция квазисредних также нашла широкое применение в теории ядра и ядерной материи, где с ее помощью удалось обосновать ряд методов, описывающих нарушение законов сохранения.

Спонтанное нарушение непрерывной симметрии в квантовых системах также математически строго описывается на языке квазисредних. Фундаментальная теорема, доказанная Боголюбовым, гласит, что в системах со спонтанным нарушением непрерывной симметрии всегда возникает эффективное дальнодействующее взаимодействие.

Иными словами, появляются элементарные безмассовые возбуждения - кванты фотонного или фононного типа с энергией, обращающейся в нуль в длинноволновом пределе, обмен которыми и ведет к взаимодействию бесконечного радиуса. Вскоре после этого аналогичный результат в квантовой теории поля был получен и другими исследователями (Дж. Голдстоун, П. Хиггс).

Дальнейшее последовательное развитие этих идей в квантовой теории поля привело к построению теории электромагнитных и слабых взаимодействий, за что в 1979 г. Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам были удостоены Нобелевской премии.

Проблема полярона

В качестве одного из примеров развития идей Николая Николаевича Боголюбова вплоть до настоящего времени можно привести так называемую проблему полярона - одной из простейших и в то же самое время одной из важнейших проблем квантовой физики. Возникла она в конце сороковых годов при попытке построения строгой квантовой теории частицы, взаимодействующей с элементарными возбуждениями в твердом теле.

Подобная теория стала крайне необходимой для объяснения эффектов проводимости и электросопротивления ионных кристаллов, а также подвижности носителей тока в них, явившись прообразом созданной позднее теории сверхпроводимости.

Привлекая исследователей простотой своей формулировки и важностью для физических приложений, проблема полярона оказалась весьма коварной, оставшись нерешенной до наших дней. Она стала своеобразной лабораторией, в которой создавались и опробовались новые методы квантовой физики перед тем, как они получали широкое применение в других ее областях.

Важнейшим фундаментальным вкладом Боголюбова в построение теории полярона стала созданная им в 1950 г. строгая адиабатическая теория возмущений, в которой кинетическая энергия фононного поля рассматривалась как малое возмущение.

Будучи трансляционно-инвариантной, что само по себе является важным вкладом в построение теории сильной связи, адиабатическая теория возмущений в нулевом порядке воспроизводила существовавшие ранее результаты в области больших значений константы взаимодействия. Несмотря на то, что был предложен систематический метод построения высших порядков теории возмущений, и несмотря на многие усилия исследователей, высшие порядки не найдены до сих пор, так и оставшись нерешенной задачей.

Боголюбов вернулся к проблеме полярона в семидесятые годы, когда он создал и применил известный метод, основанный на статистическом усреднении хронологических, или Т-произведений, операторов.

Этот метод оказался необычайно эффективным при построении теории промежуточной связи в проблеме полярона, а также при нахождении высших членов рядов теории возмущений в пределе малых значений константы взаимодействия. Также как и метод функционального интегрирования, метод хронологических произведений нашел широкое применение во многих областях квантовой физики.

Не ослабевает интерес к проблеме полярона и в наши дни. Сейчас первостепенную важность приобретает изучение взаимодействия заряженных частиц с элементарными возбуждениями в пространственно-неоднородных системах пониженной размерности, таких, как, например, квантовые ямы, нити и коробки. В подобных системах с размерами пространственной неоднородности, сопоставимыми с длиной волны де Бройля носителей электрического тока, наступает квантовый конфайнмент, ведущий к образованию связанных состояний и дискретного спектра энергии.

Экспериментальная техника создания подобных систем достигла поистине впечатляющих результатов, сделав возможным получение искусственных полупроводниковых структур с хорошо контролируемыми параметрами, по своим размерам сопоставимых с размерами атома. Перспектива ближайшего будущего - создание искусственных атомов и решеток подобных атомов с заданными свойствами.

Особое место в научном наследии Николая Боголюбова занимают проблемы квантовой теории. Он внес основополагающий вклад в развитие статистической механики равновесных и неравновесных процессов, где им были получены многочисленные важнейшие результаты, ставшие в настоящее время классическими и носящие имя Боголюбова. Все эти методы и полученные в их рамках результаты нашли широкое применение в физике конденсированного состояния и квантовой физике, они лежат в основе решения важнейших проблем прикладной математической физики.

Все перечисленные выше идеи и методы легли в основание современной физики и успешно используются при исследовании широчайшего спектра проблем: от строгого математического решения задач статистической механики и квантовой теории поля до важнейших прикладных работ по теории сверхтекучести и сверхпроводимости, квантовой оптики, теории упорядочения в конденсированном состоянии.