A 21. század fizikai Nobel-díjasai. Fizikai Nobel-díj. Topológiai fázisátmenetek

A következő szöveggel: " az anyag topológiai fázisátalakulásának és topológiai fázisainak elméleti felfedezéséhez". E mögött kissé homályos és a nagyközönség számára érthetetlen kifejezés mögött a fizikusok számára sem triviális és meglepő hatások egész világa húzódik meg, amelyek elméleti feltárásában az 1970–1980-as években kulcsszerepet játszottak a díjazottak. Természetesen nem ők voltak az egyetlenek, akik akkoriban felismerték a topológia jelentőségét a fizikában. Így Vadim Berezinszkij szovjet fizikus egy évvel Kosterlitz és Thouless előtt megtette az első fontos lépést a topológiai fázisátmenetek felé. Haldane neve mellé sok más nevet is fel lehetne tenni. De akárhogy is legyen, mindhárom díjazott minden bizonnyal ikonikus alakja a fizika e ágának.

Lírai bevezetés a kondenzált anyag fizikába

Közérthető szavakkal elmagyarázni azoknak a műveknek a lényegét és fontosságát, amelyekért a 2016-os fizikai Nobel-díjat elnyerték, nem könnyű feladat. Nemcsak maguk a jelenségek összetettek, és ráadásul kvantuálisak, de sokfélék is. A díjat nem egy konkrét felfedezésért ítélték oda, hanem azoknak az úttörő munkáknak a teljes listájáért, amelyek az 1970-es és 1980-as években ösztönözték a kondenzált anyag fizikájának új irányvonalának kialakulását. Ebben a hírben egy szerényebb célt próbálok elérni: egy-két példával kifejteni lényeg hogy mi a topológiai fázisátmenet, és azt az érzést közvetíti, hogy ez egy igazán szép és fontos fizikai hatás. A sztori csak a díj egyik feléről szól majd, arról, amelyben Kosterlitz és Thouless bizonyított. Haldane munkája ugyanolyan lenyűgöző, de még kevésbé grafikus, és elég hosszú történetre lenne szükség, hogy megmagyarázzák.

Kezdjük egy gyors bevezetéssel a fizika legfenomenálisabb ágába - a kondenzált anyag fizikába.

A sűrített közeg a köznyelvben az, amikor sok azonos típusú részecske találkozik, és erősen befolyásolja egymást. Itt szinte minden szó kulcsfontosságú. Maguknak a részecskéknek és a köztük lévő kölcsönhatás törvényének azonos típusúaknak kell lenniük. Kérem, vegyen több különböző atomot, de a lényeg az, hogy ez a rögzített halmaz ismétlődik újra és újra. Biztosan sok részecske van; egy-két tucat még nem sűrített közeg. És végül erősen befolyásolniuk kell egymást: lökdösni, húzni, zavarni egymást, esetleg cserélni valamit egymással. A ritkított gáz nem tekinthető kondenzált közegnek.

A sűrített anyag fizikájának fő kinyilatkoztatása: ilyen nagyon egyszerű „játékszabályokkal” a jelenségek és hatások végtelen sokaságát tárta fel. A jelenségek ilyen változatossága egyáltalán nem a tarka összetétel miatt jön létre - a részecskék azonos típusúak -, hanem spontán módon, dinamikusan, a kollektív hatások. Valójában, mivel a kölcsönhatás erős, nincs értelme az egyes atomok vagy elektronok mozgását nézni, mert az azonnal hatással van az összes legközelebbi szomszéd viselkedésére, sőt talán a távoli részecskékre is. Amikor egy könyvet olvasol, az nem az egyes betűk szórványában "szól" hozzád, hanem egymáshoz kapcsolódó szavak halmazában, a betűk "kollektív hatása" formájában közvetít egy gondolatot feléd. Hasonlóképpen a sűrített közeg a szinkron kollektív mozgások nyelvét "beszéli", és egyáltalán nem az egyes részecskéket. És ezek a kollektív mozgalmak, mint kiderült, óriási változatosságot mutatnak.

Jelenlegi Nóbel díj felhívja a figyelmet a teoretikusok munkája egy másik „nyelv” megfejtésére, amelyen a tömörített média „beszélhet” – a nyelv topológiailag nem triviális gerjesztések(mi ez - csak lent). Jó néhány konkrét fizikai rendszert találtak már, amelyekben ilyen gerjesztések keletkeznek, és sokukban a díjazott is közreműködött. De a legfontosabb itt az konkrét példák, hanem maga a tény, hogy ez a természetben is megtörténik.

A kondenzált anyagban előforduló sok topológiai jelenséget először a teoretikusok találták ki, és úgy tűnt, hogy csak matematikai csínytevés, nem kapcsolódik a mi világunkhoz. Ám ekkor a kísérletezők valódi környezetet fedeztek fel, amelyben ezeket a jelenségeket megfigyelik – és a matematikai csínytevés hirtelen okot adott új osztály egzotikus anyagok. A fizika ezen ágának kísérleti oldala jelenleg felfelé ível, és ez a rohamos fejlődés a jövőben is folytatódni fog, új, programozott tulajdonságokkal rendelkező anyagokat és ezekre épülő eszközöket ígérve számunkra.

Topológiai gerjesztések

Először magyarázzuk el a „topológiai” szót. Ne félj attól, hogy a magyarázat tiszta matematikának fog hangzani; a fizikával való kapcsolat is kirajzolódik az úton.

Van a matematikának egy ilyen ága - a geometria, az alakok tudománya. Ha az ábra alakja simán deformálódik, akkor a hétköznapi geometria szempontjából maga az ábra megváltozik. De a számok igen Általános tulajdonságok, amelyek a sima deformáció során változatlanok maradnak, törés és ragasztás nélkül. Ez az ábra topológiai jellemzője. A topológiai jellemzők leghíresebb példája a lyukak száma egy háromdimenziós testben. A teásbögre és a bejgli topológiailag egyenértékűek, mindkettőnek pontosan egy lyuk van, így az egyik figura sima deformációval a másikká alakítható. A bögre és a pohár topológiailag különbözik, mivel az üvegen nincs lyuk. Az anyag megszilárdítása érdekében azt javaslom, hogy ismerkedjen meg a női fürdőruhák kiváló topológiai osztályozásával.

Tehát a következtetés: topológiailag egyenértékűnek tekintjük mindazt, ami egy sima deformációval egymásra redukálható. Két olyan alakzatot tekintünk, amelyek semmilyen sima változtatással nem alakíthatók át egymásba, topológiailag különbözőnek.

A második magyarázat az „izgalom”. A kondenzált anyag fizikában a gerjesztés bármely kollektív eltérés egy „halott” álló állapottól, vagyis a legalacsonyabb energiájú állapottól. Például egy kristályt eltaláltak, hanghullám futott végig rajta - ez a kristályrács oszcilláló gerjesztése. A gerjesztéseket nem kell erőltetni, a nem nulla hőmérséklet miatt spontán módon keletkezhetnek. A kristályrács szokásos termikus jittere valójában sok különböző hullámhosszú rezgésgerjesztés (fonon), amelyek egymásra vannak rakva. Ha a fononok koncentrációja magas, fázisátalakulás következik be, a kristály megolvad. Általánosságban elmondható, hogy amint megértjük, hogy egy adott kondenzált anyagot mely gerjesztésekkel kell leírni, nyomunk lesz a termodinamikai és egyéb tulajdonságaira.

Most kombináljunk két szót. A hanghullám a topológiailag egy példa jelentéktelenébredés. Ez okosan hangzik, de fizikai lényegét tekintve egyszerűen azt jelenti, hogy a hangot tetszés szerint halkíthatjuk, egészen a teljes eltűnésig. Hangos hang - az atomok rezgései erősek, csendes hangok - gyengék. Az oszcillációs amplitúdó simán lecsökkenthető nullára (pontosabban kvantumhatár, de ez itt nem lényeges), és akkor is hanggerjesztés, fonon lesz. Ügyeljen a legfontosabb matematikai tényre: van egy művelet, amely az oszcillációkat zökkenőmentesen nullára változtatja - ez egyszerűen az amplitúdó csökkenése. Ez pontosan azt jelenti, hogy a fonon topológiailag triviális perturbáció.

És most be van kapcsolva a rengeteg sűrített anyag. Egyes rendszerekben vannak olyan gerjesztések, amelyek nem csökkenthető fokozatosan nullára. Fizikailag nem lehetetlen, de alapvetően – a forma nem engedi. Egyszerűen nincs mindenhol zökkenőmentes működés, ami egy gerjesztett rendszert a legalacsonyabb energiájú rendszerré alakít. A gerjesztés formája topológiailag különbözik ugyanazon fononoktól.

Nézze meg, hogyan alakul. Fontolgat egyszerű rendszer(XY-modellnek hívják) - egy közönséges négyzetrács, amelynek csomópontjaiban saját spinű részecskék vannak, amelyek ebben a síkban bármilyen módon orientálhatók. A hátoldalakat nyilakkal fogjuk ábrázolni; a nyíl iránya tetszőleges, de a hossza rögzített. Azt is feltételezzük, hogy a szomszédos részecskék spinjei úgy lépnek kölcsönhatásba egymással, hogy energetikailag a legkedvezőbb konfiguráció az, ha az összes csomóponton minden spin ugyanabba az irányba mutat, mint egy ferromágnesnél. Ez a kijelző konfiguráció az ábrán. 2 bal. Forgáshullámok futhatnak végig rajta - a forgások kis hullámszerű eltérései a szigorú sorrendtől (2. ábra, jobbra). De ezek mind hétköznapi, topológiailag triviális gerjesztések.

Most vessen egy pillantást az ábrára. 3. Itt két szokatlan alakú perturbáció látható: egy örvény és egy antivortex. Mentálisan válasszon ki egy pontot a képen, és kövesse a körpályát az óramutató járásával ellentétes irányban a középpont körül, figyelve, hogy mi történik a nyilakkal. Látni fogja, hogy az örvénynél a nyíl ugyanabba az irányba, az óramutató járásával ellentétes irányba, az antiörvénynél pedig az óramutató járásával ellentétes irányba forog. Most tegyük ugyanezt a rendszer alapállapotában (a nyíl általában mozdulatlan) és spinhullámos állapotban (a nyíl ott enyhén billeg az átlagérték körül). Elképzelhető ezeknek a képeknek deformált változatai is, mondjuk egy terhelésben forgó hullám egy örvénybe: ott a nyíl szintén teljes fordulatot tesz, enyhén billegve.

Ezen gyakorlatok után világossá válik, hogy az összes lehetséges gerjesztés fel van osztva alapvetően különböző osztályok: a nyíl teljes fordulatot tesz-e a középpont megkerülésekor vagy sem, és ha igen, melyik irányba. Ezeknek a helyzeteknek különböző topológiájuk van. Semmilyen zökkenőmentes változás nem változtathatja az örvényt közönséges hullámmá: ha elforgatja a nyilakat, majd ugorjon, azonnal a teljes rácson és azonnal nagy szögben. Forgószél, valamint antiörvény, topológiailag védett: ők, ellentétben hanghullám, nem tud csak úgy feloldódni.

Utolsó fontos pont. Egy örvény topológiailag csak akkor különbözik az egyszerű hullámtól és az antiörvénytől, ha a nyilak szigorúan az ábra síkjában helyezkednek el. Ha megengedjük őket a harmadik dimenzióba vinni, akkor az örvény simán kiküszöbölhető. A gerjesztések topológiai osztályozása radikálisan függ a rendszer dimenziójától!

Topológiai fázisátmenetek

Ezeknek a tisztán geometriai megfontolásoknak egészen kézzelfogható fizikai következményei vannak. Egy közönséges rezgés energiája, ugyanaz a fonon, tetszőlegesen kicsi lehet. Ezért minden tetszőlegesen alacsony hőmérsékleten ezek az oszcillációk spontán módon keletkeznek, és befolyásolják a közeg termodinamikai tulajdonságait. Egy topológiailag védett gerjesztés, egy örvény energiája nem lehet egy bizonyos határ alatt. Ezért mikor alacsony hőmérsékletek egyedi örvények nem keletkeznek, így nem befolyásolják a rendszer termodinamikai tulajdonságait – legalábbis az 1970-es évek elejéig ezt tartották.

Eközben az 1960-as években számos teoretikus erőfeszítése feltárta az XY modellben zajló események fizikai szemszögből történő megértésének problémáját. A szokásos háromdimenziós esetben minden egyszerű és intuitív. Alacsony hőmérsékleten a rendszer rendezettnek tűnik, mint az ábra. 2. Ha veszünk két tetszőleges rácshelyet, még ha nagyon távol is vannak, akkor a bennük lévő spinek enyhén ugyanabba az irányba oszcillálnak. Ez viszonylagosan egy spin kristály. Nál nél magas hőmérsékletek a spinek "olvadnak": két távoli rácshely már nem korrelál egymással. Két állapot között világos fázisátalakulási hőmérséklet van. Ha pontosan erre az értékre állítja be a hőmérsékletet, akkor a rendszer speciális kritikus állapotba kerül, amikor az összefüggések még fennállnak, de fokozatosan, hatványtörvényes módon csökken a távolsággal.

A kétdimenziós rácsban magas hőmérsékleten is előfordul egy rendezetlen állapot. De alacsony hőmérsékleten minden nagyon-nagyon furcsának tűnt. Egy szigorú tétel bizonyítást nyert (lásd Mermin-Wagner tétel), hogy a kétdimenziós változatban nincs kristályrend. A pontos számítások azt mutatták, hogy nem hiányzik teljesen, egyszerűen egy hatványtörvény szerint csökken a távolsággal - pontosan úgy, mint egy kritikus állapotban. De ha a háromdimenziós esetben Kritikus állapotban csak egy hőmérsékleten volt, akkor a kritikus állapot az egész alacsony hőmérsékletű régiót elfoglalja. Kiderül, hogy a kétdimenziós esetben néhány egyéb gerjesztés lép működésbe, amelyek a háromdimenziós változatban nem léteznek (4. ábra)!

A Nobel-bizottság kísérő anyagai a különböző kvantumrendszerekben előforduló topológiai jelenségek számos példájáról, valamint az ezek megvalósításával kapcsolatos, közelmúltbeli kísérleti munkákról és a jövőbeni kilátásokról szólnak. A történet Haldane 1988-as cikkéből vett idézettel zárul. Ebben, mintha magát igazolná, ezt mondja: Bár az itt bemutatott konkrét modell fizikailag aligha valósítható meg, ennek ellenére...". 25 évvel később magazin Természet közreadja Haldane modelljének kísérleti megvalósítását. Talán a kondenzált anyag topológiailag nem triviális jelenségei az egyik legszembetűnőbb megerősítése a kondenzált anyag fizikája kimondatlan mottójának: megfelelő rendszer minden önkonzisztens elméleti elképzelést megtestesítünk, bármilyen egzotikusnak is tűnik.

Albert Einstein . Fizikai Nobel-díj, 1921

A XX. század leghíresebb tudósa. és minden idők egyik legnagyobb tudósa, Einstein egyedülálló belátási erejével és felülmúlhatatlan fantáziájával gazdagította a fizikát. Egy olyan egyenletrendszer segítségével igyekezett magyarázatot találni a természetre, amelynek nagy szépsége és egyszerűsége lenne. A díjat a fotoelektromos hatás törvényének felfedezéséért kapta.

Edward Appleton. Fizikai Nobel-díj, 1947

Edward Appletont a felső légköri fizika kutatásáért, különösen az úgynevezett Appleton-réteg felfedezéséért ítélték oda. Az ionoszféra magasságának mérésével Appleton felfedezett egy második, nem vezető réteget, amelynek ellenállása lehetővé teszi a rövidhullámú rádiójelek visszaverését. Ezzel a felfedezéssel Appleton megteremtette a közvetlen rádióadás lehetőségét az egész világ számára.

Leo Esaki. Fizikai Nobel-díj, 1973

Leo Esaki kapta a díjat Ivor Giever mellett a félvezetők és szupravezetők alagúttal kapcsolatos jelenségeinek kísérleti felfedezéséért. Az alagúthatás több elérését tette lehetővé mély megértés elektronok viselkedése fél- és szupravezetőben, makroszkopikus kvantumjelenségek szupravezetőben.

Hideki Yukawa. Fizikai Nobel-díj, 1949

Hideki Yukawa a díjat a mezonok létezésének előrejelzéséért kapta a nukleáris erőkkel kapcsolatos elméleti munkák alapján. A Yukawa-részecske pi mezonként vált ismertté, majd csak pionként. Yukawa hipotézisét elfogadták, amikor Cecil F. Powell felfedezte a Yu-részecskét egy ionizációs kamra segítségével. nagy magasságok, akkor a mezonokat mesterségesen nyerték a laboratóriumban.

Zhenning YANG. Fizikai Nobel-díj, 1957

Az úgynevezett paritási törvények tanulmányozásában tanúsított előrelátásáért, amely fontos felfedezésekhez vezetett a elemi részecskék Zhenning Yang kapta a díjat. Az elemi részecskefizika területén a legzsákutcásabb probléma megoldódott, ami után virágzásnak indult a kísérleti és elméleti munka.

A következő szöveggel: " az anyag topológiai fázisátalakulásának és topológiai fázisainak elméleti felfedezéséhez". E mögött kissé homályos és a nagyközönség számára érthetetlen kifejezés mögött a fizikusok számára sem triviális és meglepő hatások egész világa húzódik meg, amelyek elméleti feltárásában az 1970–1980-as években kulcsszerepet játszottak a díjazottak. Természetesen nem ők voltak az egyetlenek, akik akkoriban felismerték a topológia jelentőségét a fizikában. Így Vadim Berezinszkij szovjet fizikus egy évvel Kosterlitz és Thouless előtt megtette az első fontos lépést a topológiai fázisátmenetek felé. Haldane neve mellé sok más nevet is fel lehetne tenni. De akárhogy is legyen, mindhárom díjazott minden bizonnyal ikonikus alakja a fizika e ágának.

Lírai bevezetés a kondenzált anyag fizikába

Közérthető szavakkal elmagyarázni azoknak a műveknek a lényegét és fontosságát, amelyekért a 2016-os fizikai Nobel-díjat elnyerték, nem könnyű feladat. Nemcsak maguk a jelenségek összetettek, és ráadásul kvantuálisak, de sokfélék is. A díjat nem egy konkrét felfedezésért ítélték oda, hanem azoknak az úttörő munkáknak a teljes listájáért, amelyek az 1970-es és 1980-as években ösztönözték a kondenzált anyag fizikájának új irányvonalának kialakulását. Ebben a hírben egy szerényebb célt próbálok elérni: egy-két példával kifejteni lényeg hogy mi a topológiai fázisátmenet, és azt az érzést közvetíti, hogy ez egy igazán szép és fontos fizikai hatás. A sztori csak a díj egyik feléről szól majd, arról, amelyben Kosterlitz és Thouless bizonyított. Haldane munkája ugyanolyan lenyűgöző, de még kevésbé grafikus, és elég hosszú történetre lenne szükség, hogy megmagyarázzák.

Kezdjük egy gyors bevezetéssel a fizika legfenomenálisabb ágába - a kondenzált anyag fizikába.

A sűrített közeg a köznyelvben az, amikor sok azonos típusú részecske találkozik, és erősen befolyásolja egymást. Itt szinte minden szó kulcsfontosságú. Maguknak a részecskéknek és a köztük lévő kölcsönhatás törvényének azonos típusúaknak kell lenniük. Kérem, vegyen több különböző atomot, de a lényeg az, hogy ez a rögzített halmaz ismétlődik újra és újra. Biztosan sok részecske van; egy-két tucat még nem sűrített közeg. És végül erősen befolyásolniuk kell egymást: lökdösni, húzni, zavarni egymást, esetleg cserélni valamit egymással. A ritkított gáz nem tekinthető kondenzált közegnek.

A sűrített anyag fizikájának fő kinyilatkoztatása: ilyen nagyon egyszerű „játékszabályokkal” a jelenségek és hatások végtelen sokaságát tárta fel. A jelenségek ilyen változatossága egyáltalán nem a tarka összetétel miatt jön létre - a részecskék azonos típusúak -, hanem spontán módon, dinamikusan, a kollektív hatások. Valójában, mivel a kölcsönhatás erős, nincs értelme az egyes atomok vagy elektronok mozgását nézni, mert az azonnal hatással van az összes legközelebbi szomszéd viselkedésére, sőt talán a távoli részecskékre is. Amikor egy könyvet olvasol, az nem az egyes betűk szórványában "szól" hozzád, hanem egymáshoz kapcsolódó szavak halmazában, a betűk "kollektív hatása" formájában közvetít egy gondolatot feléd. Hasonlóképpen a sűrített közeg a szinkron kollektív mozgások nyelvét "beszéli", és egyáltalán nem az egyes részecskéket. És ezek a kollektív mozgalmak, mint kiderült, óriási változatosságot mutatnak.

A jelenlegi Nobel-díj elismeri a teoretikusok munkáját egy másik „nyelv” megfejtésében, amelyen a sűrített anyag „beszélhet” – a nyelv. topológiailag nem triviális gerjesztések(mi ez - csak lent). Jó néhány konkrét fizikai rendszert találtak már, amelyekben ilyen gerjesztések keletkeznek, és sokukban a díjazott is közreműködött. De itt nem a konkrét példák a legjelentősebbek, hanem maga az a tény, hogy ez a természetben is megtörténik.

A kondenzált anyagban előforduló sok topológiai jelenséget először a teoretikusok találták ki, és úgy tűnt, hogy csak matematikai csínytevés, nem kapcsolódik a mi világunkhoz. De aztán a kísérletezők valódi környezetet fedeztek fel, amelyben ezeket a jelenségeket megfigyelik – és egy matematikai csínytevésből hirtelen az anyagok új osztálya jött létre, egzotikus tulajdonságokkal. A fizika ezen ágának kísérleti oldala jelenleg felfelé ível, és ez a rohamos fejlődés a jövőben is folytatódni fog, új, programozott tulajdonságokkal rendelkező anyagokat és ezekre épülő eszközöket ígérve számunkra.

Topológiai gerjesztések

Először magyarázzuk el a „topológiai” szót. Ne félj attól, hogy a magyarázat tiszta matematikának fog hangzani; a fizikával való kapcsolat is kirajzolódik az úton.

Van a matematikának egy ilyen ága - a geometria, az alakok tudománya. Ha az ábra alakja simán deformálódik, akkor a hétköznapi geometria szempontjából maga az ábra megváltozik. De az ábráknak vannak közös jellemzői, amelyek sima deformációval, törés és ragasztás nélkül változatlanok maradnak. Ez az ábra topológiai jellemzője. A topológiai jellemzők leghíresebb példája a lyukak száma egy háromdimenziós testben. A teásbögre és a bejgli topológiailag egyenértékűek, mindkettőnek pontosan egy lyuk van, így az egyik figura sima deformációval a másikká alakítható. A bögre és a pohár topológiailag különbözik, mivel az üvegen nincs lyuk. Az anyag megszilárdítása érdekében azt javaslom, hogy ismerkedjen meg a női fürdőruhák kiváló topológiai osztályozásával.

Tehát a következtetés: topológiailag egyenértékűnek tekintjük mindazt, ami egy sima deformációval egymásra redukálható. Két olyan alakzatot tekintünk, amelyek semmilyen sima változtatással nem alakíthatók át egymásba, topológiailag különbözőnek.

A második magyarázat az „izgalom”. A kondenzált anyag fizikában a gerjesztés bármely kollektív eltérés egy „halott” álló állapottól, vagyis a legalacsonyabb energiájú állapottól. Például egy kristályt eltaláltak, hanghullám futott végig rajta - ez a kristályrács oszcilláló gerjesztése. A gerjesztéseket nem kell erőltetni, a nem nulla hőmérséklet miatt spontán módon keletkezhetnek. A kristályrács szokásos termikus jittere valójában sok különböző hullámhosszú rezgésgerjesztés (fonon), amelyek egymásra vannak rakva. Ha a fononok koncentrációja magas, fázisátalakulás következik be, a kristály megolvad. Általánosságban elmondható, hogy amint megértjük, hogy egy adott kondenzált anyagot mely gerjesztésekkel kell leírni, nyomunk lesz a termodinamikai és egyéb tulajdonságaira.

Most kombináljunk két szót. A hanghullám a topológiailag egy példa jelentéktelenébredés. Ez okosan hangzik, de fizikai lényegét tekintve egyszerűen azt jelenti, hogy a hangot tetszés szerint halkíthatjuk, egészen a teljes eltűnésig. Hangos hang - az atomok rezgései erősek, csendes hangok - gyengék. Az oszcillációs amplitúdó simán lecsökkenthető nullára (pontosabban kvantumhatárra, de ez itt nem lényeges), és akkor is hanggerjesztés, fonon lesz. Ügyeljen a legfontosabb matematikai tényre: van egy művelet, amely az oszcillációkat zökkenőmentesen nullára változtatja - ez egyszerűen az amplitúdó csökkenése. Ez pontosan azt jelenti, hogy a fonon topológiailag triviális perturbáció.

És most be van kapcsolva a rengeteg sűrített anyag. Egyes rendszerekben vannak olyan gerjesztések, amelyek nem csökkenthető fokozatosan nullára. Fizikailag nem lehetetlen, de alapvetően – a forma nem engedi. Egyszerűen nincs mindenhol zökkenőmentes működés, ami egy gerjesztett rendszert a legalacsonyabb energiájú rendszerré alakít. A gerjesztés formája topológiailag különbözik ugyanazon fononoktól.

Nézze meg, hogyan alakul. Tekintsünk egy egyszerű rendszert (ezt XY-modellnek hívják) - egy közönséges négyzetrácsot, amelynek csomópontjaiban saját spinű részecskék vannak, amelyek tetszőlegesen orientálhatók ebben a síkban. A hátoldalakat nyilakkal fogjuk ábrázolni; a nyíl iránya tetszőleges, de a hossza rögzített. Azt is feltételezzük, hogy a szomszédos részecskék spinjei úgy lépnek kölcsönhatásba egymással, hogy energetikailag a legkedvezőbb konfiguráció az, ha az összes csomóponton minden spin ugyanabba az irányba mutat, mint egy ferromágnesnél. Ez a kijelző konfiguráció az ábrán. 2 bal. Forgáshullámok futhatnak végig rajta - a forgások kis hullámszerű eltérései a szigorú sorrendtől (2. ábra, jobbra). De ezek mind hétköznapi, topológiailag triviális gerjesztések.

Most vessen egy pillantást az ábrára. 3. Itt két szokatlan alakú perturbáció látható: egy örvény és egy antivortex. Mentálisan válasszon ki egy pontot a képen, és kövesse a körpályát az óramutató járásával ellentétes irányban a középpont körül, figyelve, hogy mi történik a nyilakkal. Látni fogja, hogy az örvénynél a nyíl ugyanabba az irányba, az óramutató járásával ellentétes irányba, az antiörvénynél pedig az óramutató járásával ellentétes irányba forog. Most tegyük ugyanezt a rendszer alapállapotában (a nyíl általában mozdulatlan) és spinhullámos állapotban (a nyíl ott enyhén billeg az átlagérték körül). Elképzelhető ezeknek a képeknek deformált változatai is, mondjuk egy terhelésben forgó hullám egy örvénybe: ott a nyíl szintén teljes fordulatot tesz, enyhén billegve.

Ezen gyakorlatok után világossá válik, hogy az összes lehetséges gerjesztés fel van osztva alapvetően különböző osztályok: a nyíl teljes fordulatot tesz-e a középpont megkerülésekor vagy sem, és ha igen, melyik irányba. Ezeknek a helyzeteknek különböző topológiájuk van. Semmilyen zökkenőmentes változás nem változtathatja az örvényt közönséges hullámmá: ha elforgatja a nyilakat, majd ugorjon, azonnal a teljes rácson és azonnal nagy szögben. Forgószél, valamint antiörvény, topológiailag védett: a hanghullámmal ellentétben nem tudnak egyszerűen úgy feloldódni.

Az utolsó fontos pont. Egy örvény topológiailag csak akkor különbözik az egyszerű hullámtól és az antiörvénytől, ha a nyilak szigorúan az ábra síkjában helyezkednek el. Ha megengedjük őket a harmadik dimenzióba vinni, akkor az örvény simán kiküszöbölhető. A gerjesztések topológiai osztályozása radikálisan függ a rendszer dimenziójától!

Topológiai fázisátmenetek

Ezeknek a tisztán geometriai megfontolásoknak egészen kézzelfogható fizikai következményei vannak. Egy közönséges rezgés energiája, ugyanaz a fonon, tetszőlegesen kicsi lehet. Ezért minden tetszőlegesen alacsony hőmérsékleten ezek az oszcillációk spontán módon keletkeznek, és befolyásolják a közeg termodinamikai tulajdonságait. Egy topológiailag védett gerjesztés, egy örvény energiája nem lehet egy bizonyos határ alatt. Ezért alacsony hőmérsékleten nem keletkeznek egyedi örvények, és ezért nem befolyásolják a rendszer termodinamikai tulajdonságait - legalábbis az 1970-es évek elejéig ezt tartották.

Eközben az 1960-as években számos teoretikus erőfeszítése feltárta az XY modellben végbemenő események fizikai szemszögéből történő megértésének problémáját. A szokásos háromdimenziós esetben minden egyszerű és intuitív. Alacsony hőmérsékleten a rendszer rendezettnek tűnik, mint az ábra. 2. Ha veszünk két tetszőleges rácshelyet, még ha nagyon távol is vannak, akkor a bennük lévő spinek enyhén ugyanabba az irányba oszcillálnak. Ez viszonylagosan egy spin kristály. Magas hőmérsékleten a spinek "olvadnak": két távoli rácshely már nem korrelál egymással. Két állapot között világos fázisátalakulási hőmérséklet van. Ha pontosan erre az értékre állítja be a hőmérsékletet, akkor a rendszer speciális kritikus állapotba kerül, amikor az összefüggések még fennállnak, de fokozatosan, hatványtörvényes módon csökken a távolsággal.

A kétdimenziós rácsban magas hőmérsékleten is előfordul egy rendezetlen állapot. De alacsony hőmérsékleten minden nagyon-nagyon furcsának tűnt. Egy szigorú tétel bizonyítást nyert (lásd Mermin-Wagner tétel), hogy a kétdimenziós változatban nincs kristályrend. A pontos számítások azt mutatták, hogy nem hiányzik teljesen, egyszerűen egy hatványtörvény szerint csökken a távolsággal - pontosan úgy, mint egy kritikus állapotban. De ha a háromdimenziós esetben a kritikus állapot csak egy hőmérsékleten volt, akkor itt a kritikus állapot az egész alacsony hőmérsékletű tartományt elfoglalja. Kiderül, hogy a kétdimenziós esetben néhány egyéb gerjesztés lép működésbe, amelyek a háromdimenziós változatban nem léteznek (4. ábra)!

A Nobel-bizottság kísérő anyagai a különböző kvantumrendszerekben előforduló topológiai jelenségek számos példájáról, valamint az ezek megvalósításával kapcsolatos, közelmúltbeli kísérleti munkákról és a jövőbeni kilátásokról szólnak. A történet Haldane 1988-as cikkéből vett idézettel zárul. Ebben, mintha magát igazolná, ezt mondja: Bár az itt bemutatott konkrét modell fizikailag aligha valósítható meg, ennek ellenére...". 25 évvel később magazin Természet közreadja Haldane modelljének kísérleti megvalósítását. Talán a kondenzált anyag topológiailag nem triviális jelenségei az egyik legszembetűnőbb megerősítése a kondenzált anyag fizikája kimondatlan mottójának: egy megfelelő rendszerben megtestesítünk bármilyen önkonzisztens elméleti elképzelést, bármilyen egzotikusnak is tűnik az.

A 2017-es fizikai Nobel-díjat Barry Barish, Rainer Weiss és Kip Thorne amerikaiaknak ítélik oda „a LIGO detektorhoz és a gravitációs hullámok megfigyeléséhez nyújtott döntő hozzájárulásukért” – olvasható a díj honlapján.

2015. szeptember 14-én először írt a felfedezésről a LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) együttműködése, a téridő perturbációi egy fekete lyuk pár egyesüléséből.

Eddig négy fekete lyuk-összeolvadásból származó jelet regisztráltak, ez a LIGO legújabb felfedezése a Virgo Obszervatóriummal együttműködve. A gravitációs hullámok létezése az általános relativitáselmélet egyik előrejelzése. Felfedezésük nemcsak az utóbbit erősíti meg, hanem a fekete lyukak létezésének egyik bizonyítékának is tekintik.

Az 1970-es évek közepén Weiss (MIT) elemezte a mérési eredményeket torzító háttérzaj lehetséges forrásait, és javasolta az ehhez szükséges lézeres interferométer tervezését is. Weiss és Thorn (Caltech) a LIGO létrehozásának fő szervezői, Barish (Caltech) a LIGO főkutatója volt 1994-től 2005-ig, az obszervatórium építése és kezdeti működése során.

A hagyomány szerint Stockholmban (Svédország) 2017. december 10-én, a halál napján tartják a hivatalos díjátadót. A kitüntetést XVI. Károly Gusztaf svéd király adja át a díjazottaknak.

A pénzjutalom összege 2017-ben 9 millió SEK (1,12 millió USD) az összes fizikai díj nyertese számára. Weiss megkapja a díj felét, a másik felét egyenlő arányban osztják el Barish és Thorne között. A tipikusan 1 millió dollár körüli jutalom (például 8 millió svéd korona, azaz 2016-ban kb. 953 000 dollár) növekedése az alap pénzügyi erejének erősítésének eredménye.

Kapcsolódó anyagok

A fizikai Nobel-díjat a Svéd Királyi Akadémia ítéli oda. A díjazottakat szakbizottságok által javasolt jelöltek közül is választja ki.

Előző napon, október 2-án a 2017-es orvosi és fiziológiai Nobel-díjas Jeffrey Hall, Michael Rosebash és Michael Young volt "a cirkadián ritmust szabályozó molekuláris mechanizmusok felfedezéséért".

2016-ban fizikadíjat kapott, valamint "az anyag topológiai fázisátalakulásának és topológiai fázisainak elméleti felfedezéséért".

Az utolsó orosz tudós, aki Nobel-díjat kapott, elméleti fizikusnak tekinthető Fizikai Intézet Orosz Akadémia Sciences (FIAN), amelyet 2003-ban a szupravezetés fenomenológiai elméletének megalkotásáért ítéltek oda. Vele együtt a díjat a szovjet-amerikai tudós (fél éve) és Anthony Leggett (Anthony Leggett) brit-amerikai fizikus vehette át a szuperfolyékony folyadékok kutatásáért.

2010-ben a moszkvai diplomások Fizikai és Technológiai Intézetés volt alkalmazottai A RAS és a fizikai Nobel-díj nyertesei a grafénnal, a szén kétdimenziós módosításával kapcsolatos kutatásokért. A díj átvételekor a Manchesteri Egyetemen (Egyesült Királyság) dolgoztak.

Az Univerzumban lezajló folyamatokról alkotott ismereteink, a felépítésére vonatkozó elképzeléseink az elektromágneses sugárzás, vagyis az űr mélyéből eszközeinket elérő összes lehetséges energiájú fotonok tanulmányozása alapján alakultak ki. De a fotonmegfigyeléseknek megvannak a korlátai: még a legtöbb elektromágneses hullám nagy energia ne érjen el minket az űr túl távoli vidékeiről.

Vannak más sugárzási formák is - neutrínóáramlás és gravitációs hullám. Olyan dolgokról tudnak mesélni, amelyeket az elektromágneses hullámokat rögzítő eszközök soha nem fognak látni. A neutrínók és a gravitációs hullámok "látásához" alapvetően új eszközökre van szükség. A gravitációs hullámdetektor fejlesztéséhez ill kísérleti bizonyíték Létezésüket ebben az évben három amerikai fizikus – Rainer Weiss, Kip Thorne és Barry Barrish – ítélte oda fizikai Nobel-díjjal.

Balról jobbra: Rainer Weiss, Barry Barrish és Kip Thorne.

A gravitációs hullámok létezése biztosított általános elmélet relativitáselmélet, és Einstein 1915-ben jósolta meg. Akkor fordulnak elő, amikor nagyon nagy tömegű objektumok ütköznek egymással, és a téridő perturbációihoz vezetnek, és fénysebességgel térnek el minden irányban a keletkezési helytől.

Még ha hatalmas is a hullámot generáló esemény - például két fekete lyuk ütközött -, a hullám téridőre gyakorolt ​​hatása rendkívül kicsi, ezért nehéz regisztrálni, ehhez nagyon érzékeny műszerek kellenek. Maga Einstein úgy gondolta, hogy az anyagon áthaladó gravitációs hullám olyan kevéssé hat rá, hogy nem is figyelhető meg. Valójában a hullámnak az anyagra gyakorolt ​​hatását meglehetősen nehéz felfogni, de a közvetett hatások regisztrálhatók. Pontosan ezt tették 1974-ben Joseph Taylor és Russell Hulse amerikai asztrofizikusok, akik megmérték a PSR 1913 + 16 bináris pulzárcsillag sugárzását, és bebizonyították, hogy pulzációs periódusának eltérése a számítotttól az elvitt energiaveszteség következménye. gravitációs hullám által. Ezért 1993-ban megkapták a fizikai Nobel-díjat.

2015. szeptember 14-én a LIGO, a Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory, először rögzített gravitációs hullámot közvetlenül. Mire a hullám elérte a Földet, már nagyon gyenge volt, de már ez a gyenge jel is forradalmat jelentett a fizikában. Ahhoz, hogy ez lehetővé váljon, húsz ország ezer tudósának munkájára volt szükség, akik megépítették a LIGO-t.

A tizenötödik év eredményeinek ellenőrzése több hónapig tartott, így azok csak 2016 februárjában kerültek nyilvánosságra. A fő felfedezés – a gravitációs hullámok létezésének megerősítése – mellett számos további rejtőzködött az eredményekben: a közepes tömegű fekete lyukak (20-60 napelemes) létezésének első bizonyítéka és az első bizonyíték arra, hogy egyesülhetnek.

Több mint egymilliárd évnek kellett eltelnie ahhoz, hogy a gravitációs hullám elérje a Földet Messze, galaxisunkon kívül két fekete lyuk ütközött egymásba, 1,3 milliárd év telt el – és erről az eseményről mesélt nekünk a LIGO.

A gravitációs hullám energiája óriási, de az amplitúdója hihetetlenül kicsi. Érezni olyan, mintha egy távoli csillag távolságát mérnénk tizedmilliméteres pontossággal. A LIGO képes erre. A koncepciót Weiss dolgozta ki: még a 70-es években kiszámolta, mely földi jelenségek torzíthatják el a megfigyelések eredményeit, és hogyan lehet ezektől megszabadulni. A LIGO két csillagvizsgáló, amelyek távolsága 3002 kilométer. Ezt a távolságot egy gravitációs hullám 7 ezredmásodperc alatt teszi meg, így a két interferométer a hullám elhaladásakor finomítja egymás leolvasását.

A két LIGO obszervatórium, a louisianai Livingston és a washingtoni Hanford 3002 km-re van egymástól.

Mindegyik obszervatóriumnak két négy kilométeres karja van, amelyek ugyanabból a pontból merőlegesen sugároznak egymásra. Szinte tökéletes vákuum van bennük. Minden váll elején és végén - összetett rendszer tükrök. A bolygónkon áthaladva egy gravitációs hullám enyhén összenyomja azt a teret, ahol az egyik hüvelyt lefektetik, és megnyújtja a másodikat (hullám nélkül a hüvelyek hossza szigorúan azonos). A vállak szálkeresztjéből lézersugarat bocsátanak ki, két részre osztják, és hagyják, hogy a tükrökben tükröződjön; miután túllépték a távolságukat, a sugarak a szálkeresztben találkoznak. Ha ez egyszerre történik, akkor a téridő nyugodt. És ha az egyik sugár több időt vett igénybe, hogy áthaladjon a vállon, mint a másik, akkor a gravitációs hullám meghosszabbította az útját, és lerövidítette a második sugár útját.

A LIGO obszervatórium vázlata.

A LIGO-t Weiss (és természetesen munkatársai) fejlesztette ki, Kip Thorne - a világ vezető relativitáselmélet szakértője - elméleti számításokat végzett, Barry Barish 1994-ben csatlakozott a LIGO csapatához, és egy kis, mindössze 40 fős csoportot alakított a LIGO/VIRGO hatalmas nemzetközi összefogás, a tagok jól összehangolt munkájának köszönhetően, húsz évvel később valósult meg az alapvető áttörés.

Folytatódik a gravitációs hullámdetektorokkal kapcsolatos munka. Az első rögzített hullámot a második, harmadik és negyedik követte; ez utóbbit nem csak a LIGO detektorok „fogták el”, hanem a nemrégiben piacra dobott európai VIRGO is. A negyedik gravitációs hullám, az előző háromtól eltérően, nem abszolút sötétben (a fekete lyukak egyesülésének eredményeként), hanem teljes megvilágításban - egy neutroncsillag robbanása során - született; az űr- és földi teleszkópok optikai sugárforrást is regisztráltak abban a régióban, ahonnan a gravitációs hullám származott.