Научная деятельность

      В 1931 г. Ландау возвратился в Ленинград, но вскоре переехал в Харьков, бывший тогда столицей Украины. Там Ландау становится руководителем теоретического отдела Украинского физико-технического института. Одновременно он заведует кафедрами теоретической физики в Харьковском инженерно- механическом институте и в Харьковском университете. В 1933 году Ландау предложил теорию антиферромагнетизма Академия наук СССР присудила ему в 1934 г. ученую степень доктора физико-математических наук без защиты диссертации, а в следующем году он получает звание профессора. В Харькове Ландау публикует работы на такие различные темы, как происхождение энергии звезд, дисперсия звука, передача энергии при столкновениях, рассеяние света, магнитные свойства материалов, сверхпроводимость, фазовые переходы веществ из одной формы в другую и движение потоков электрически заряженных частиц. Это создает ему репутацию необычайно разностороннего теоретика. Работы Ландау по электрически взаимодействующим частицам оказались полезными впоследствии, когда возникла физика плазмы – горячих, электрически заряженных газов. Заимствуя понятия из термодинамики, он высказал немало новаторских идей относительно низкотемпературных систем. Работы Ландау объединяет одна характерная черта – виртуозное применение математического аппарата для решения сложных задач. Ландау внес большой вклад в квантовую теорию и в исследования природы и взаимодействия элементарных частиц. В 1930 разработал теорию диамагнетизма свободных электронов (диамагнетизм Ландау), впервые объяснив природу диамагнетизма металлов. Ввел в 1933 понятие антиферромагнетизма как особой фазы магнетика. В 1935 Львом Давидовичем вместе с Е. М. Лифшицем разработал теорию доменной структуры ферромагнетиков и и ферромагнитного резонанса, и установил уравнение движения магнитного момента (уравнение Ландау — Лифшица).    В 1935  и Е. М. Лифшицем была разработана теория доменного строения ферромагнетиков . В том же, 1935 году Лев Давидович стал профессором.

   Существенных результатов достиг Ландау также и в области гидродинамики, физической кинетики и физики плазмы. В 1936 году Ландау занялся физикой конденсированного состояния вещества и сформулировал общую теорию фазовых переходов второго рода. Кроме того вывел кинетическое уравнение для электронной плазмы в случае кулоновского взаимодействия и установил вид интеграла столкновений для заряженных частиц. 

   Значительное место в наследии Ландау занимает созданный им вместе с Е.М.Лифшицем широко известный многотомный «Курс теоретической физики», который переиздавался на многих языках мира и сыграл большую роль, как для развития самой теоретической физики, так и для воспита­ния молодых теоретиков (Ленинская премия, 1962). 

   В 1937 году  Ландау возглавил теоретический отдел института Физических проблем в Москве, продолжая читать лекции на Физико-техническом факультете МГУ. В 1938 году Льва Давидовича арестовали по подозрению в шпионаже, вредительстве, составлении антисталинской листовки. Пётр Леонидович Капица и Нильс Бор написали Сталину письма в его защиту, причем Пётр Леонидович обратился к Берии с просьбой отпустить Ландау под его личное поручительство. В результате Ландау отпустили, но не реабилитировали. Произошло это только в 1990 году. В 1938 году Л.  Д. Ландау и Ю. Б. Румер разработали каскадную теорию электронных ливней в космических лучах. После того, как Пётр Леонидович Капица открыл сверхтекучесть гелия, Лев Давидович начал работать в этой области, разработав теорию "квантовой жидкости" при сверхнизких температурах. В период с 1941 по 1947 год Лев Ландау продолжил работу по исследованию "квантовой жидкости" Бозе-типа (именно к нему относится сверхтекучий гелий, изотоп 4He). В период с 1942 по 1965 годы Ландау и Е. М. Лифшиц издали курс теоретической физики, за которые они получили Ленинскую премию в 1962 году. В 1946 году Ландау определил затухание колебаний электронной плазмы ("затухание Ландау"). В 1946 году Ландау избрали членом-корреспондентом Академии Наук СССР, присвоили Сталинскую премию. В 1953 году  сформулировал теорию множественного рождения частиц при столкновении высокоэнергетических пучков. В 1956 году  ввел понятие комбинированной четности, а в 1957 - построил теорию двухкомпонентного нейтрино. В 1956-1958 годах  Ландау сформулировал теорию для "квантовой жидкости" Ферми-типа (изотоп гелия 3He).

   В 1961 году Лев Давидович получил медаль Макса Планка и премию Фрица Лондона. В 1962 году Ландау попал в тяжелую автомобильную аварию, с последствиями которой не смог справиться до конца жизни. Ландау присуждена Нобелевская премия по физике за 1962 год за "революционные теории в области физики конденсированного состояния, особенно жидкого гелия".

   Лев Давидович - лауреат трех Сталинских премий, Нобелевской премии, Ленинской премии, кавалер трех орденов Ленина, награжден другими орденами и медалями.  Являлся иностранным членом Лондонского Королевского Общества, Датской Королевской Академии Наук, Национальной Академии Наук США, Голландской Королевской Академии Наук, а также почетным членом Американской Академии Наук и Искусств, Лондонского Физического Общества, Французского Физического Общества.

   Лев Давидович создал то, что, может быть, является главным делом его научной жизни - теорию квантовых жидкостей. Как физик-теоретик Ландау был необычайно универсален. Гидродинамика и статистическая физика, физика плазмы, атомного ядра и твердого тела, магнетизм и низкие температуры — все было подвластно его выдающемуся уму.  Ученый мечтал написать книги об основах физики для самых разных читателей. Он успел создать первые тома “Курса общей физики” и “Физики для всех”. Школьникам особенно интересно познакомиться с его книгой “Что такое теория относительности” (написанной в соавторстве с Ю. Б. Румером), в которой основные идеи этой увлекательной теории изложены без единой формулы.

      Необычайно широкий диапазон его исследований, охватывающих почти все области теоретической физики, привлек в Харьков многих высокоодаренных студентов и молодых ученых, в том числе Евгения Михайловича Лифшица, ставшего не только ближайшим сотрудником Ландау, но и его личным другом. Выросшая вокруг Ландау школа превратила Харьков в ведущий центр советской теоретической физики. Убежденный в необходимости основательной подготовки теоретика во всех областях физики, Ландау разработал жесткую программу подготовки, которую он назвал «теоретическим минимумом». Требования, предъявляемые к претендентам на право участвовать в работе руководимого им семинара, были настолько высоки, что за тридцать лет, несмотря на неиссякающий поток желающих, экзамены по «теорминимуму» сдало лишь сорок человек. Тем, кто преодолел экзамены, Л. щедро уделял свое время, предоставлял им свободу в выборе предмета исследования. Со своими учениками и близкими сотрудниками, которые с любовью называли его Дау, он поддерживал дружеские отношения. 
Когда Ландау переехал из Харькова в Москву, эксперименты Капицы с жидким гелием шли полным ходом. Газообразный гелий переходит в жидкое состояние при охлаждении до температуры ниже 4,2К (в градусах Кельвина измеряется абсолютная температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, или от температуры – 273,18°С). В этом состоянии гелий называется гелием-1. При охлаждении до температуры ниже 2,17К гелий переходит в жидкость, называемую гелием-2 и обладающую необычными свойствами. Гелий-2 протекает сквозь мельчайшие отверстия с такой легкостью, как будто у него полностью отсутствует вязкость. Он поднимается по стенке сосуда, как будто на него не действует сила тяжести, и обладает теплопроводностью, в сотни раз превышающей теплопроводность меди. Капица назвал гелий-2 сверхтекучей жидкостью. Но при проверке стандартными методами, например измерением сопротивления крутильным колебаниям диска с заданной частотой, выяснилось, что гелий-2 не обладает нулевой вязкостью. Ученые высказали предположение о том, что необычное поведение гелия-2 обусловлено эффектами, относящимися к области квантовой теории, а не классической физики, которые проявляются только при низких температурах и обычно наблюдаются в твердых телах, так как большинство веществ при этих условиях замерзают. Гелий является исключением – если его не подвергать очень высокому давлению, остается жидким вплоть до абсолютного нуля. В 1938 г. Ласло Тисса предположил, что жидкий гелий в действительности представляет собой смесь двух форм: гелия-1 (нормальной жидкости) и гелия-2 (сверхтекучей жидкости). Когда температура падает почти до абсолютного нуля, доминирующей компонентой становится гелий-2. Эта гипотеза позволила объяснить, почему при разных условиях наблюдается различная вязкость.

   Ландау объяснил сверхтекучесть, используя принципиально новый математический аппарат. В то время как другие исследователи применяли квантовую механику к поведению отдельных атомов, он рассмотрел квантовые состояния объема жидкости почти так же, как если бы та была твердым телом. Ландау выдвинул гипотезу о существовании двух компонент движения, или возбуждения: фононов, описывающих относительно нормальное прямолинейное распространение звуковых волн при малых значениях импульса и энергии, и ротонов, описывающих вращательное движение, т.е. более сложное проявление возбуждений при более высоких значениях импульса и энергии. Наблюдаемые явления обусловлены вкладами фононов и ротонов и их взаимодействием. Жидкий гелий, утверждал Ландау, можно рассматривать как «нормальную» компоненту, погруженную в сверхтекучий «фон». В эксперименте по истечению жидкого гелия через узкую щель сверхтекучая компонента течет, в то время как фононы и ротоны сталкиваются со стенками, которые удерживают их. В эксперименте с крутильными колебаниями диска сверхтекучая компонента оказывает пренебрежимо слабое воздействие, тогда как фононы и ротоны сталкиваются с диском и замедляют его движение. Отношение концентраций нормальной и сверхтекучей компонент зависит от температуры. Ротоны доминируют при температуре выше 1К, фононы – ниже 0,6 К.
    Теория Ландау и ее последующие усовершенствования позволили не только объяснить наблюдаемые явления, но и предсказать другие необычные явления, например распространение двух различных волн, называемых первым и вторым звуком и обладающих различными свойствами. Первый звук – это обычные звуковые волны, второй – температурная волна. Теория Ландау помогла существенно продвинуться в понимании природы сверхпроводимости.

   Во время второй мировой войны Ландау занимался исследованием горения и взрывов, в особенности ударных волн на больших расстояниях от источника. После окончания войны и до 1962 г. он работал над решением различных задач, в том числе изучал редкий изотоп гелия с атомной массой 3 (вместо обычной массы 4), и предсказал для него существование нового типа распространения волн, который был назван им «нулевым звуком». Заметим, что скорость второго звука в смеси двух изотопов при температуре абсолютного нуля стремится к нулю. Ландау принимал участие и в создании атомной бомбы в Советском Союзе.

    Незадолго до того, как ему исполнилось пятьдесят четыре года, Ландау попал в автокатастрофу и получил тяжелые повреждения. Врачи из Канады, Франции, Чехословакии и Советского Союза боролись за его жизнь. В течение шести недель он оставался без сознания и почти три месяца не узнавал даже своих близких. По состоянию здоровья Ландау не мог отправиться в Стокгольм для получения Нобелевской премии 1962 г., которой он был удостоен «за основополагающие теории конденсированной материи, в особенности жидкого гелия». Премия была вручена ему в Москве послом Швеции в Советском Союзе. Ландау прожил еще шесть лет, но так и не смог вернуться к работе. Он умер в Москве от осложнений, возникших от полученных им травм.

Помимо Нобелевской и Ленинской премий Л. были присуждены три Государственные премии СССР (1946, 1949, 1953). Ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда (1954). В 1946 г. он был избран в Академию наук СССР. Своим членом его избрали академии наук Дании, Нидерландов и США, Американская академия наук и искусств. Французское физическое общество, Лондонское физическое общество и Лондонское королевское общество.   Медаль Ф. Лондона. Создал большую теоретическую школу.