Теория Ландау: как вещество приобретает порядок

Как это было

Фазовым переходом называют изменение состояния вещества при изменении температуры, давления или других условий. Плавление льда легко заметить: твёрдая и жидкая фазы отличаются наглядно. Но существуют переходы, при которых вещество не разделяется на две видимые части и свойства меняются непрерывно.

Ландау исследовал переходы, которые в принятой тогда классификации называли переходами второго рода. В центре его подхода оказалась симметрия: при определённой температуре система может перейти из более симметричного состояния в менее симметричное. Для описания таких изменений он ввёл особую величину — параметр порядка.

В 1937 году в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» вышли две части работы «К теории фазовых переходов». Они превратили качественную идею об упорядочении в способ рассчитывать свойства вещества рядом с точкой перехода.

Как это работало

Параметр порядка показывает, возникло ли в системе определённое упорядоченное состояние. Для простого примера можно взять магнит: выше температуры перехода согласованное направление намагниченности отсутствует, а ниже появляется. В теории это отражается переходом параметра порядка от нуля к ненулевому значению.

Ландау предложил рассматривать термодинамический потенциал как функцию параметра порядка. При изменении температуры меняется положение его минимума — то есть состояние, которое выгоднее для системы. Так можно описывать, когда появляется новый порядок и как он изменяется около перехода.

Что было дальше

Подход Ландау стал основой для исследования магнитных, структурных и других фазовых переходов. В 1950 году Ландау и Виталий Гинзбург развили близкие идеи в теории сверхпроводимости.

У исходной схемы есть границы применимости, особенно вблизи некоторых критических точек, где существенны флуктуации. Тем не менее понятия параметра порядка, симметрии и термодинамического потенциала продолжают использоваться в физике конденсированного состояния.