Читать онлайн «События и люди. Издание пятое, исправленное и дополненное.». Страница 109

где a0 — размер атома (молекулы) газа, n0 — его плотность (число частиц в единице объема). Это условие, получившее название условия газовости, гласит, что среднее расстояние между атомами в газе значительно больше размера атома, а потому атомы основное время проводят в свободном (тепловом) полете и лишь малую долю времени находятся в процессе столкновений, или

где vT = √T/m — средняя тепловая скорость атома, m — его масса а T — температура газа, измеряемая в энергетических единицах. Вместе с тем А. Пуанкаре категорически не мог понять, как из гамильтоновой системы, сохраняющей энергию, можно получить уравнение, описывающее диссипацию. По-видимому, Н. Н. Боголюбов имел ответ на вопрос А. Пуанкаре еще до начала дискуссий с А. А. Власовым. В начале 1940-х он уже разрабатывал временную иерархию корреляционных функций для газа из короткодействующих частиц (знаменитые боголюбовские цепочки) и понимал, что при условии (1) (или, что тоже самое, (2)) эту цепочку можно оборвать и получить замкнутую конечную систему уравнений. При этом в нулевом приближении по параметру (1) получается уравнение Лиувилля, описывающее газ из невзаимодействующих между собой частиц (идеальный газ). В первом приближении по параметру (1) учитываются только парные корреляционные функции, а тройные и высшие корреляции отбрасываются). В результате получается кинетическое уравнение, описывающее газ с учетом только парных столкновений частиц, известное как уравнение Больцмана.

Но как быть с газом с кулоновским взаимодействием частиц? Такой газ с благословения И. Ленгмюра в 1929 году получил название плазмы. Ленгмюр не только придумал название ионизованному газу (состоящему из подавляюще большого числа заряженных частиц), но и провел фундаментальные экспериментальные и теоретические исследования плазмы, за что был в 1932 году удостоен Нобелевской премии. Высокая награда свидетельствовала о важности исследуемого объекта — плазмы. Слишком уж широко распространена плазма в природе — это и молния, т. е. разряд в атмосфере, и лабораторно изучаемые разряды в газах, это ионосфера Земли и межпланетный газ, звезды и туманности и, наконец, твердотельная плазма (в металлах и полупроводниках). Не случайно Д. А. Франк-Каменецкий, написавший один из первых учебников по физике плазмы, назвал плазму четвертым агрегатным состоянием вещества. Между тем простая гидродинамическая модель плазмы, предложенная И. Ленгмюром для объяснения его экспериментов, работала в каких-то случаях блестяще, а в каких-то, что называется, «ни в какие ворота».

Первым, кто понял необходимость описания плазмы с помощью кинетического уравнения, был Л. Д. Ландау. В 1937 году (ЖЭТФ, 1937) он обратил внимание, что условие газовости (1) в случае плазмы не выполняется, поскольку характерный радиус взаимодействия между частицами в плазме — радиус Дебая — намного больше среднего расстояния между частицами, т. е. имеет место обратное (1) неравенство

Здесь e — заряд частицы, а T — температура плазмы. Но условие (2) гласит, что средняя потенциальная энергия взаимодействия между заряженными частицами намного меньше средней кинетической (тепловой) их энергии, т. е.

что эквивалентно неравенству (3). Именно это условие ввел как условие газовости для плазмы Л. Д. Ландау.

Однако следующий шаг, который он сделал, а именно пошел по пути Л. Больцмана и записал уравнение Больцмана (уравнение Лиувилля с учетом парных столкновений) для плазмы как газа заряженных частиц, был, строго говоря, неверным. При этом он мастерски расправился с известной кулоновской расходимостью — записал конечный интеграл кулоновских столкновений, введя этом знаменитый кулоновский логарифм (по существу, логарифм обратного газового параметра η, см. (3')).

Буквально через год в цитированной выше статье А. А. Власов публикует свое знаменитое уравнение с самосогласованным полем, аргументируя его буквально теми же словами, что и Л. Д. Ландау. Именно, в сфере взаимодействия должно быть много частиц, т. е. выполняется условие (3). Но далее следуют совсем другие слова. Раз так, следуя рассуждениям А. А. Власова, то каждая частица в первом приближении взаимодействует сразу со всеми частицами, или, другими словами, с электромагнитным полем, создаваемыми всеми частицами плазмы. В результате в первом приближении мы имеем систему уравнений, состоящую из кинетического уравнения Лиувилля, в котором в качестве силы фигурирует сила Лоренца, и уравнения Максвелла для полей, соответствующих силе Лоренца. Источниками же полей в уравнениях Максвелла являются плотности зарядов и токов, создаваемых всеми заряженными частицами плазмы. Это и есть система уравнений Власова-Максвелла, или уравнения с самосогласованным полем.

А как быть дальше, как записать уравнения с учетом следующего порядка? Этот вопрос волнует Н. Н. Боголюбова и является предметом жарких споров его с А. А. Власовым в начале 1940-х годов в университетской аудитории на Моховой улице в Москве, куда несколько раз приезжал Н. Н. Боголюбов из Киева. Результатом горячих дискуссий Н. Н. Боголюбова и А. А. Власова и явилась упомянутая выше монография Н. Н. Боголюбова. В этой монографии он впервые применяет квантово-электродинамический метод в статистической физике. Н. Н. Боголюбов исходит из гамильтониана, состоящего из суммы гамильтонианов свободных частиц, поля и взаимодействия между ними (и только). Применяя к своей знаменитой цепочке уравнений для корреляционных функций теорию возмущений (разложение по степеням е2), он получает в первом приближении по е2 кинетическое уравнение Власова, а в следующем приближении (с точностью до е4) — уравнение Власова с интегралом столкновений Ландау. Этим был завершен последовательный вывод кинетических уравнений для газов Н. Н. Боголюбовым. Но почему-то этот метод известен как метод ББГК (Боголюбова-Бома-Гросса-Крука). Хотя работы последних трех ученых появились независимо, однако несколько позже!

И уже значительно позже, когда квантовая электродинамика была создана, Р. Балеску, используя метод фейнмановских диаграмм, показал:

1) при учете только вершинной диаграммы (частица излучает или поглощает поле) получается уравнение Власова;

2) при учете наряду с вершинной диаграммой также и обменной диаграммы (одна частица излучает поле, а вторая его поглощает) — уравнение Власова с интегралом столкновений Ландау;

3) а просуммировав все пересекающиеся обменные диаграммы («лестничное» приближение), придем к уравнению Власова с интегралом столкновений Ленарда-Балеску (с учетом поляризации плазмы при взаимодействии частиц).