21-րդ դարի ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակակիրներ. Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ. Տոպոլոգիական փուլային անցումներ

«Ձևակերպմամբ. տոպոլոգիական փուլային անցումների և նյութի տոպոլոգիական փուլերի տեսական բացահայտումների համար« Այս փոքր-ինչ անորոշ և լայն հասարակության համար անհասկանալի արտահայտության հետևում թաքնված է ոչ տրիվիալ և զարմանալի էֆեկտների մի ամբողջ աշխարհ նույնիսկ հենց իրենք՝ ֆիզիկոսների համար, որի տեսական բացահայտման մեջ առանցքային դեր են խաղացել դափնեկիրները 1970-1980-ական թվականներին: Նրանք, իհարկե, միակը չէին, որ գիտակցում էին տոպոլոգիայի նշանակությունը ֆիզիկայում այն ​​ժամանակ։ Այսպիսով, խորհրդային ֆիզիկոս Վադիմ Բերեզինսկին Կոստերլիցից և Թուլեսից մեկ տարի առաջ, ըստ էության, կատարեց առաջին կարևոր քայլը դեպի տոպոլոգիական փուլային անցումներ։ Կան բազմաթիվ այլ անուններ, որոնք կարելի է դնել Հալդեյնի անվան կողքին։ Այնուամենայնիվ, ինչպես դա կարող է լինել, բոլոր երեք դափնեկիրները, անշուշտ, ֆիզիկայի այս բաժնում խորհրդանշական կերպարներ են:

Լիրիկական ներածություն խտացված նյութի ֆիզիկային

Մատչելի բառերով բացատրել այն աշխատանքի էությունն ու կարևորությունը, որի համար շնորհվել է ֆիզիկայի Նոբել 2016-ը, հեշտ գործ չէ։ Երևույթներն իրենք ոչ միայն բարդ են և, ի լրումն, քվանտային, այլև բազմազան են։ Մրցանակը շնորհվել է ոչ թե մեկ կոնկրետ հայտնագործության, այլ պիոներական աշխատանքների մի ամբողջ ցանկի համար, որոնք 1970–1980-ական թվականներին խթանել են խտացված նյութի ֆիզիկայի նոր ուղղության զարգացումը։ Այս լրահոսում կփորձեմ ավելի համեստ նպատակի հասնել՝ բացատրել մի երկու օրինակով էությունըինչ է տոպոլոգիական փուլի անցումը, և փոխանցեք այն զգացողությունը, որ սա իսկապես գեղեցիկ և կարևոր ֆիզիկական էֆեկտ է: Պատմությունը կլինի մրցանակի միայն մեկ կեսի մասին, այն, որում իրենց դրսևորեցին Կոստերլիցն ու Թուլեսը։ Հալդեյնի աշխատանքը նույնքան հետաքրքրաշարժ է, բայց նույնիսկ ավելի քիչ տեսողական է և բացատրելու համար շատ երկար պատմություն կպահանջվի:

Սկսենք ֆիզիկայի ամենաֆենոմենալ բաժնի՝ խտացված նյութի ֆիզիկայի արագ ներածությունից:

Խտացրած նյութը, առօրյա լեզվով ասած, այն է, երբ միևնույն տեսակի շատ մասնիկներ միավորվում են և ուժեղ ազդեցություն են ունենում միմյանց վրա: Այստեղ գրեթե յուրաքանչյուր բառ առանցքային է: Իրենց մասնիկները և նրանց միջև փոխազդեցության օրենքը պետք է լինեն նույն տեսակի: Խնդրում եմ, կարող եք վերցնել մի քանի տարբեր ատոմներ, բայց գլխավորն այն է, որ այս ֆիքսված հավաքածուն նորից ու նորից կրկնվում է: Պետք է շատ մասնիկներ լինեն; մեկ-երկու տասնյակը դեռ խտացված միջավայր չէ: Եվ, վերջապես, նրանք պետք է ուժեղ ազդեն միմյանց վրա՝ հրել, քաշքշել, խանգարել միմյանց, գուցե ինչ-որ բան փոխանակել միմյանց հետ։ Հազվագյուտ գազը խտացված միջավայր չի համարվում:

Խտացված նյութի ֆիզիկայի գլխավոր բացահայտումը. այսպիսի շատ պարզ «խաղի կանոններով» այն բացահայտեց երևույթների և էֆեկտների անսահման հարստություն: Երևույթների նման բազմազանությունն առաջանում է ոչ թե խայտաբղետ կազմի պատճառով՝ մասնիկները նույն տիպի են, բայց արդյունքում՝ ինքնաբերաբար, դինամիկ։ կոլեկտիվ էֆեկտներ. Իրականում, քանի որ փոխազդեցությունը ուժեղ է, իմաստ չունի դիտարկել յուրաքանչյուր առանձին ատոմի կամ էլեկտրոնի շարժումը, քանի որ այն անմիջապես ազդում է բոլոր մոտակա հարևանների, և գուցե նույնիսկ հեռավոր մասնիկների վարքագծի վրա: Երբ դուք կարդում եք գիրքը, այն ձեզ հետ «խոսում է» ոչ թե առանձին տառերի ցրվածությամբ, այլ միմյանց հետ կապված մի շարք բառերով, այն փոխանցում է ձեզ տառերի «կոլեկտիվ էֆեկտի» տեսքով. Նմանապես, խտացված նյութը «խոսում է» համաժամանակյա հավաքական շարժումների լեզվով, և ոչ բոլորովին առանձին մասնիկների: Եվ պարզվում է, որ այդ հավաքական շարժումների հսկայական բազմազանություն կա:

Ընթացիկ Նոբելյան մրցանակնշում է տեսաբանների աշխատանքը՝ վերծանելու մեկ այլ «լեզու», որը կարող է «խոսել» խտացված նյութը՝ լեզուն. տոպոլոգիապես ոչ տրիվիալ գրգռումներ(այն ինչ է, հենց ներքևում է): Բավականին որոշակի ֆիզիկական համակարգեր, որոնցում առաջանում են նման գրգռումներ, արդեն հայտնաբերվել են, և դափնեկիրները ձեռք են բերել դրանցից շատերում: Բայց այստեղ ամենակարևորը չէ կոնկրետ օրինակներ, և հենց այն փաստը, որ դա տեղի է ունենում նաև բնության մեջ։

Խտացված նյութի շատ տոպոլոգիական երևույթներ առաջին անգամ հայտնագործվել են տեսաբանների կողմից և թվում է, թե պարզապես մաթեմատիկական կատակություններ են, որոնք չեն համապատասխանում մեր աշխարհին: Բայց հետո փորձարարները հայտնաբերեցին իրական միջավայրեր, որտեղ նկատվում են այս երևույթները, և մաթեմատիկական կատակությունը հանկարծակի առաջացրեց. նոր դասէկզոտիկ հատկություններով նյութեր. Ֆիզիկայի այս ճյուղի փորձարարական կողմն այժմ վերելք է ապրում, և այս արագ զարգացումը կշարունակվի ապագայում՝ մեզ խոստանալով նոր նյութեր՝ ծրագրավորված հատկություններով և դրանց վրա հիմնված սարքերով:

Տոպոլոգիական գրգռումներ

Նախ պարզաբանենք «տոպոլոգիական» բառը։ Մի անհանգստացեք, որ բացատրությունը կհնչի մաքուր մաթեմատիկայի. Ֆիզիկայի հետ կապը ի հայտ կգա, երբ մենք առաջ գնանք:

Կա մաթեմատիկայի այսպիսի ճյուղ՝ երկրաչափություն, ֆիգուրների գիտություն։ Եթե ​​գործչի ձևը սահուն կերպով դեֆորմացվում է, ապա սովորական երկրաչափության տեսանկյունից պատկերն ինքնին փոխվում է։ Բայց թվերն ունեն ընդհանուր բնութագրերը, որոնք հարթ դեֆորմացիայով, առանց ընդմիջումների կամ սոսնձման, մնում են անփոփոխ։ Սա նկարի տոպոլոգիական բնութագիրն է։ Տոպոլոգիական բնութագրի ամենահայտնի օրինակը եռաչափ մարմնի անցքերի քանակն է: Թեյի գավաթն ու բլիթը տոպոլոգիապես համարժեք են, երկուսն էլ ունեն ճիշտ մեկ անցք, և, հետևաբար, մի ձևը կարող է փոխակերպվել մյուսի սահուն դեֆորմացիայի միջոցով: Բաժակը և բաժակը տոպոլոգիական առումով տարբեր են, քանի որ ապակին անցք չունի: Նյութը համախմբելու համար առաջարկում եմ ձեզ ծանոթանալ կանացի լողազգեստների հիանալի տոպոլոգիական դասակարգմանը:

Այսպիսով, եզրակացությունը՝ այն ամենը, ինչը կարելի է հարթ դեֆորմացիայով կրճատել միմյանց, համարվում է տոպոլոգիապես համարժեք։ Երկու թվեր, որոնք չեն կարող փոխակերպվել միմյանց սահուն փոփոխություններով, համարվում են տոպոլոգիապես տարբեր:

Բացատրելու երկրորդ բառը «հուզմունք» է։ Խտացված նյութի ֆիզիկայում գրգռումը ցանկացած կոլեկտիվ շեղում է «մեռած» անշարժ վիճակից, այսինքն՝ ամենացածր էներգիա ունեցող վիճակից։ Օրինակ, երբ բյուրեղին հարվածեցին, ձայնային ալիք անցավ դրա միջով. սա բյուրեղային ցանցի թրթռումային գրգռումն է: Պարտադիր չէ, որ գրգռումներն առաջանան ինքնաբերաբար՝ ոչ զրոյական ջերմաստիճանի պատճառով: Բյուրեղային ցանցի սովորական ջերմային թրթռումը, ըստ էության, շատ թրթռումային գրգռումներ են (ֆոնոններ)՝ միմյանց վրա դրված տարբեր ալիքների երկարությամբ: Երբ ֆոնոնի կոնցենտրացիան բարձր է, տեղի է ունենում փուլային անցում, և բյուրեղը հալվում է: Ընդհանուր առմամբ, հենց որ հասկանանք, թե ինչ գրգռումներով պետք է նկարագրվի տվյալ խտացված միջավայրը, մենք կունենանք դրա թերմոդինամիկական և այլ հատկությունների բանալին։

Հիմա միացնենք երկու բառ. Ձայնային ալիքը տոպոլոգիական օրինակ է չնչինհուզմունք. Սա խելացի է թվում, բայց իր ֆիզիկական էությամբ դա պարզապես նշանակում է, որ ձայնը կարող է հնչել այնքան հանգիստ, որքան ցանկանում եք, նույնիսկ մինչև ամբողջովին անհետանալ: Բարձր ձայնը նշանակում է ատոմների ուժեղ թրթռումներ, հանգիստ ձայնը՝ թույլ տատանումներ: Տատանումների ամպլիտուդը կարող է սահուն կերպով կրճատվել մինչև զրոյի (ավելի ճիշտ՝ մինչև քվանտային սահման, բայց սա այստեղ անկարևոր է), և դա դեռ կլինի ձայնային գրգռում, ֆոնոն: Ուշադրություն դարձրեք բանալին մաթեմատիկական փաստկա տատանումները զրոյի սահուն փոխելու գործողություն, սա ուղղակի ամպլիտուդի նվազում է: Սա հենց այն է, ինչ նշանակում է, որ ֆոնոնը տոպոլոգիապես չնչին խառնաշփոթ է:

Եվ հիմա խտացրած նյութի հարստությունը միացված է: Որոշ համակարգերում կան գրգռումներ, որոնք չի կարելի սահուն կերպով հասցնել զրոյի. Ֆիզիկապես անհնարին չէ, բայց սկզբունքորեն՝ ձևը թույլ չի տալիս։ Պարզապես ամենուր չկա այնպիսի սահուն աշխատանք, որը գրգռվածությամբ համակարգը տեղափոխում է նվազագույն էներգիա ունեցող համակարգ: Գրգռումն իր ձևով տոպոլոգիապես տարբերվում է նույն ֆոնոններից։

Տեսեք, թե ինչպես է ստացվում. Եկեք դիտարկենք պարզ համակարգ(այն կոչվում է XY մոդել) - կանոնավոր քառակուսի վանդակ, որի հանգույցներում կան մասնիկներ իրենց պտույտով, որոնք կարող են ցանկացած կերպ կողմնորոշվել այս հարթությունում: Մեջքերը կպատկերենք սլաքներով; Սլաքի կողմնորոշումը կամայական է, բայց երկարությունը ֆիքսված է: Մենք նաև կենթադրենք, որ հարևան մասնիկների պտույտները փոխազդում են միմյանց հետ այնպես, որ էներգետիկ առումով առավել բարենպաստ կոնֆիգուրացիան այն է, երբ բոլոր հանգույցներում բոլոր պտույտները ուղղված են նույն ուղղությամբ, ինչպես ֆերոմագնիսում: Այս կոնֆիգուրացիան ներկայացված է Նկ. 2, ձախ. Պտտվող ալիքները կարող են վազել դրա երկայնքով՝ պտույտների փոքր ալիքանման շեղումներ խիստ պատվերից (նկ. 2, աջ): Բայց սրանք բոլորը սովորական, տոպոլոգիապես չնչին գրգռումներ են:

Այժմ նայեք Նկ. 3. Այստեղ ցուցադրված են անսովոր ձևի երկու խանգարումներ՝ հորձանուտ և հակապտույտ: Մտավոր կերպով ընտրեք նկարի մի կետ և ձեր հայացքը քայլեք շրջանաձև արահետով՝ կենտրոնի շուրջը ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ հակառակ ուղղությամբ՝ ուշադրություն դարձնելով, թե ինչ է կատարվում սլաքների հետ: Դուք կտեսնեք, որ հորձանուտի սլաքը պտտվում է նույն ուղղությամբ՝ ժամացույցի սլաքի հակառակ ուղղությամբ, իսկ հակապտույտի սլաքը՝ հակառակ ուղղությամբ՝ ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ։ Այժմ արեք նույնը համակարգի հիմնական վիճակում (սլաքն ընդհանուր առմամբ անշարժ է) և պտտվող ալիքով վիճակում (որտեղ սլաքը փոքր-ինչ տատանվում է միջին արժեքի շուրջ): Դուք կարող եք նաև պատկերացնել այս նկարների դեֆորմացված տարբերակները, ասենք, պտտվող ալիքը ծանրաբեռնվածությամբ դեպի հորձանուտ. այնտեղ սլաքը նույնպես լրիվ պտույտ կկատարի՝ թեթևակի տատանվելով:

Այս վարժություններից հետո պարզ է դառնում, որ բոլոր հնարավոր գրգռումները բաժանված են սկզբունքորեն տարբեր դասերՍլաքը կենտրոնով պտտվելիս լրիվ պտույտ է անում, թե ոչ, և եթե անում է, ապա ո՞ր ուղղությամբ։ Այս իրավիճակներն ունեն տարբեր տոպոլոգիաներ։ Ոչ մի սահուն փոփոխություն չի կարող հորձանուտը վերածել սովորական ալիքի. եթե սլաքները շրջեք, ապա կտրուկ, միանգամից ամբողջ վանդակի վրայով և միանգամից մեծ անկյան տակ: հորձանուտը, ինչպես նաև հակափոթորիկը, տոպոլոգիապես պաշտպանվածնրանք, ի տարբերություն ձայնային ալիք, նրանք պարզապես չեն կարող լուծարվել:

Վերջին կարևոր կետ. Պտույտը տոպոլոգիապես տարբերվում է պարզ ալիքից և հակապտույտից միայն այն դեպքում, եթե սլաքները խստորեն ընկած են նկարի հարթության վրա: Եթե ​​մեզ թույլ տրվի դրանք բերել երրորդ հարթություն, ապա հորձանուտը կարող է սահուն կերպով վերացվել: Գրգռումների տոպոլոգիական դասակարգումը արմատապես կախված է համակարգի չափից:

Տոպոլոգիական փուլային անցումներ

Այս զուտ երկրաչափական նկատառումները ունեն շատ շոշափելի ֆիզիկական հետևանք։ Սովորական թրթիռի, նույն ֆոնոնի էներգիան կարող է կամայականորեն փոքր լինել։ Հետևաբար, ցանկացած ջերմաստիճանում, որքան էլ ցածր լինի, այդ տատանումները առաջանում են ինքնաբերաբար և ազդում միջավայրի թերմոդինամիկական հատկությունների վրա։ Տոպոլոգիապես պաշտպանված գրգռման՝ հորձանուտի էներգիան չի կարող որոշակի սահմանից ցածր լինել։ Հետեւաբար, երբ ցածր ջերմաստիճաններԱռանձին հորձանուտներ չեն առաջանում և, հետևաբար, չեն ազդում համակարգի թերմոդինամիկական հատկությունների վրա, համենայնդեպս, սա համարվում էր մինչև 1970-ականների սկիզբը:

Մինչդեռ 1960-ականներին բազմաթիվ տեսաբանների ջանքերով բացահայտվեց XY մոդելում տեղի ունեցողը ֆիզիկական տեսանկյունից հասկանալու խնդիրը։ Սովորական եռաչափ դեպքում ամեն ինչ պարզ է և ինտուիտիվ: Ցածր ջերմաստիճանի դեպքում համակարգը կարգավորված տեսք ունի, ինչպես Նկ. 2. Եթե վերցնեք երկու կամայական վանդակավոր հանգույցներ, նույնիսկ շատ հեռավոր, ապա դրանցում պտույտները մի փոքր կտատանվեն նույն ուղղությամբ: Սա, համեմատաբար ասած, պտտվող բյուրեղ է: ժամը բարձր ջերմաստիճաններպտույտները «հալվում են». երկու հեռավոր վանդակավոր տեղամասերն այլևս փոխկապակցված չեն միմյանց հետ: Երկու պետությունների միջև կա հստակ փուլային անցումային ջերմաստիճան: Եթե ​​ջերմաստիճանը սահմանեք հենց այս արժեքին, ապա համակարգը կգտնվի հատուկ կրիտիկական վիճակում, երբ փոխկապակցվածությունները դեռ կան, բայց աստիճանաբար, ուժային օրենքի համաձայն, կնվազեն հեռավորության հետ:

Երկչափ վանդակի մեջ բարձր ջերմաստիճաններում կա նաև անկարգ վիճակ։ Բայց ցածր ջերմաստիճանի դեպքում ամեն ինչ շատ, շատ տարօրինակ էր թվում: Ապացուցվել է խիստ թեորեմ (տես Մերմին-Վագների թեորեմ), որ երկչափ տարբերակում բյուրեղային կարգ չկա։ Զգույշ հաշվարկները ցույց տվեցին, որ այնպես չէ, որ այն ընդհանրապես չկա, այն պարզապես նվազում է հեռավորության հետ՝ ուժային օրենքի համաձայն, ճիշտ այնպես, ինչպես կրիտիկական վիճակում: Բայց եթե եռաչափ դեպքում կրիտիկական վիճակեղել է միայն մեկ ջերմաստիճանում, այնուհետև կրիտիկական վիճակը զբաղեցնում է ամբողջ ցածր ջերմաստիճանի շրջանը։ Ստացվում է, որ երկչափ դեպքում գործում են մի քանի այլ գրգռումներ, որոնք գոյություն չունեն եռաչափ տարբերակում (նկ. 4):

Նոբելյան կոմիտեի ուղեկցող նյութերը տալիս են տարբեր քվանտային համակարգերի տոպոլոգիական երևույթների մի քանի օրինակներ, ինչպես նաև վերջերս փորձարարական աշխատանքդրանց իրականացման և ապագայի հեռանկարների վերաբերյալ։ Այս պատմությունն ավարտվում է Հալդեյնի 1988 թվականի հոդվածից մեջբերումով։ Դրանում, ասես արդարանալով, ասում է. Թեև այստեղ ներկայացված կոնկրետ մոդելը դժվար թե ֆիզիկապես իրագործելի լինի, այնուամենայնիվ...»: 25 տարի անց ամսագիր Բնությունհրապարակում է , որը հաղորդում է Հալդեյնի մոդելի փորձարարական իրականացումը: Թերևս խտացված նյութի տոպոլոգիապես ոչ տրիվիալ երևույթները խտացված նյութի ֆիզիկայի չասված կարգախոսի ամենավառ հաստատումներից են. հարմար համակարգմենք կիրականացնենք ցանկացած ինքնահաստատված տեսական գաղափար, որքան էլ այն էկզոտիկ թվա։

Ալբերտ Էյնշտեյն. Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ, 1921 թ

20-րդ դարի ամենահայտնի գիտնականը. և բոլոր ժամանակների մեծագույն գիտնականներից մեկը՝ Էյնշտեյնը հարստացրել է ֆիզիկան իր եզակի ներուժով և երևակայության անգերազանցելի խաղով: Նա ձգտում էր գտնել բնության բացատրությունը՝ օգտագործելով հավասարումների համակարգ, որը կունենար մեծ գեղեցկություն և պարզություն: Ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի օրենքի բացահայտման համար նա արժանացել է մրցանակի։

Էդվարդ Էփլթոն. Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ, 1947 թ

Էդվարդ Էփլթոնը մրցանակին արժանացել է մթնոլորտի վերին ֆիզիկայի ուսումնասիրության, մասնավորապես, այսպես կոչված, Էփլթոնի շերտի հայտնաբերման համար։ Չափելով իոնոլորտի բարձրությունը՝ Էփլթոնը հայտնաբերեց երկրորդ ոչ հաղորդիչ շերտը, որի դիմադրությունը թույլ է տալիս արտացոլել կարճ ալիքների ռադիոազդանշանները։ Այս հայտնագործությամբ Էփլթոնը հաստատեց ամբողջ աշխարհին ուղիղ ռադիոհեռարձակման հնարավորությունը։

Լեո ԷՍԱԿԻ. Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ, 1973 թ

Լեո Էսակին մրցանակը ստացել է Իվոր Ջեյվերի հետ միասին կիսահաղորդիչների և գերհաղորդիչների մեջ թունելային երևույթների փորձարարական բացահայտումների համար։ Թունելի էֆեկտը հնարավորություն տվեց ավելիին հասնել խորը ըմբռնումէլեկտրոնների վարքագիծը կիսահաղորդիչների և գերհաղորդիչների մեջ, մակրոսկոպիկ քվանտային երևույթները գերհաղորդիչներում։

Հիդեկի ՅՈՒԿԱՎԱ. Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ, 1949 թ

Հիդեկի Յուկավան մրցանակին արժանացել է միջուկային ուժերի վերաբերյալ տեսական աշխատանքի հիման վրա մեզոնների գոյությունը կանխատեսելու համար։ Յուկավայի մասնիկը հայտնի դարձավ որպես pi meson, ապա պարզապես պիոն: Յուկավայի վարկածն ընդունվեց, երբ Սեսիլ Ֆ. Փաուելը հայտնաբերեց Յու մասնիկը` օգտագործելով իոնացման խցիկը, որը տեղադրված էր դրա վրա: բարձր բարձրություններ, ապա մեզոնները արհեստականորեն արտադրվել են լաբորատորիայում։

Չժենինգ Յանգ. Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ, 1957 թ

Իր հեռատեսության համար, այսպես կոչված, պարիտետային օրենքների ուսումնասիրության համար, ինչը հանգեցրեց ոլորտում կարևոր բացահայտումների տարրական մասնիկներՄրցանակը ստացել է Չժենինգ Յանը։ Լուծվեց տարրական մասնիկների ֆիզիկայի ոլորտում ամենափակուղային խնդիրը, որից հետո փորձարարական և տեսական աշխատանքները եռում էին։

«Ձևակերպմամբ. տոպոլոգիական փուլային անցումների և նյութի տոպոլոգիական փուլերի տեսական բացահայտումների համար« Այս փոքր-ինչ անորոշ և լայն հասարակության համար անհասկանալի արտահայտության հետևում թաքնված է ոչ տրիվիալ և զարմանալի էֆեկտների մի ամբողջ աշխարհ նույնիսկ հենց իրենք՝ ֆիզիկոսների համար, որի տեսական բացահայտման մեջ առանցքային դեր են խաղացել դափնեկիրները 1970-1980-ական թվականներին: Նրանք, իհարկե, միակը չէին, որ գիտակցում էին տոպոլոգիայի նշանակությունը ֆիզիկայում այն ​​ժամանակ։ Այսպիսով, խորհրդային ֆիզիկոս Վադիմ Բերեզինսկին Կոստերլիցից և Թուլեսից մեկ տարի առաջ, ըստ էության, կատարեց առաջին կարևոր քայլը դեպի տոպոլոգիական փուլային անցումներ։ Կան բազմաթիվ այլ անուններ, որոնք կարելի է դնել Հալդեյնի անվան կողքին։ Այնուամենայնիվ, ինչպես դա կարող է լինել, բոլոր երեք դափնեկիրները, անշուշտ, ֆիզիկայի այս բաժնում խորհրդանշական կերպարներ են:

Լիրիկական ներածություն խտացված նյութի ֆիզիկային

Մատչելի բառերով բացատրել այն աշխատանքի էությունն ու կարևորությունը, որի համար շնորհվել է ֆիզիկայի Նոբել 2016-ը, հեշտ գործ չէ։ Երևույթներն իրենք ոչ միայն բարդ են և, ի լրումն, քվանտային, այլև բազմազան են։ Մրցանակը շնորհվել է ոչ թե մեկ կոնկրետ հայտնագործության, այլ պիոներական աշխատանքների մի ամբողջ ցանկի համար, որոնք 1970–1980-ական թվականներին խթանել են խտացված նյութի ֆիզիկայի նոր ուղղության զարգացումը։ Այս լրահոսում կփորձեմ ավելի համեստ նպատակի հասնել՝ բացատրել մի երկու օրինակով էությունըինչ է տոպոլոգիական փուլի անցումը, և փոխանցեք այն զգացողությունը, որ սա իսկապես գեղեցիկ և կարևոր ֆիզիկական էֆեկտ է: Պատմությունը կլինի մրցանակի միայն մեկ կեսի մասին, այն, որում իրենց դրսևորեցին Կոստերլիցն ու Թուլեսը։ Հալդեյնի աշխատանքը նույնքան հետաքրքրաշարժ է, բայց նույնիսկ ավելի քիչ տեսողական է և բացատրելու համար շատ երկար պատմություն կպահանջվի:

Սկսենք ֆիզիկայի ամենաֆենոմենալ բաժնի՝ խտացված նյութի ֆիզիկայի արագ ներածությունից:

Խտացրած նյութը, առօրյա լեզվով ասած, այն է, երբ միևնույն տեսակի շատ մասնիկներ միավորվում են և ուժեղ ազդեցություն են ունենում միմյանց վրա: Այստեղ գրեթե յուրաքանչյուր բառ առանցքային է: Իրենց մասնիկները և նրանց միջև փոխազդեցության օրենքը պետք է լինեն նույն տեսակի: Խնդրում եմ, կարող եք վերցնել մի քանի տարբեր ատոմներ, բայց գլխավորն այն է, որ այս ֆիքսված հավաքածուն նորից ու նորից կրկնվում է: Պետք է շատ մասնիկներ լինեն; մեկ-երկու տասնյակը դեռ խտացված միջավայր չէ: Եվ, վերջապես, նրանք պետք է ուժեղ ազդեն միմյանց վրա՝ հրել, քաշքշել, խանգարել միմյանց, գուցե ինչ-որ բան փոխանակել միմյանց հետ։ Հազվագյուտ գազը խտացված միջավայր չի համարվում:

Խտացված նյութի ֆիզիկայի գլխավոր բացահայտումը. այսպիսի շատ պարզ «խաղի կանոններով» այն բացահայտեց երևույթների և էֆեկտների անսահման հարստություն: Երևույթների նման բազմազանությունն առաջանում է ոչ թե խայտաբղետ կազմի պատճառով՝ մասնիկները նույն տիպի են, բայց արդյունքում՝ ինքնաբերաբար, դինամիկ։ կոլեկտիվ էֆեկտներ. Իրականում, քանի որ փոխազդեցությունը ուժեղ է, իմաստ չունի դիտարկել յուրաքանչյուր առանձին ատոմի կամ էլեկտրոնի շարժումը, քանի որ այն անմիջապես ազդում է բոլոր մոտակա հարևանների, և գուցե նույնիսկ հեռավոր մասնիկների վարքագծի վրա: Երբ դուք կարդում եք գիրքը, այն ձեզ հետ «խոսում է» ոչ թե առանձին տառերի ցրվածությամբ, այլ միմյանց հետ կապված մի շարք բառերով, այն փոխանցում է ձեզ տառերի «կոլեկտիվ էֆեկտի» տեսքով. Նմանապես, խտացված նյութը «խոսում է» համաժամանակյա հավաքական շարժումների լեզվով, և ոչ բոլորովին առանձին մասնիկների: Եվ պարզվում է, որ այդ հավաքական շարժումների հսկայական բազմազանություն կա:

Ներկայիս Նոբելյան մրցանակը ճանաչում է տեսաբանների աշխատանքը՝ վերծանելու մեկ այլ «լեզու», որը կարող է «խոսել» խտացված նյութը՝ լեզուն։ տոպոլոգիապես ոչ տրիվիալ գրգռումներ(այն ինչ է, հենց ներքևում է): Բավականին որոշակի ֆիզիկական համակարգեր, որոնցում առաջանում են նման գրգռումներ, արդեն հայտնաբերվել են, և դափնեկիրները ձեռք են բերել դրանցից շատերում: Բայց այստեղ ամենակարևորը ոչ թե կոնկրետ օրինակներն են, այլ հենց այն, որ դա տեղի է ունենում նաև բնության մեջ։

Խտացված նյութի շատ տոպոլոգիական երևույթներ առաջին անգամ հայտնագործվել են տեսաբանների կողմից և թվում է, թե պարզապես մաթեմատիկական կատակություններ են, որոնք չեն համապատասխանում մեր աշխարհին: Բայց հետո փորձարարները հայտնաբերեցին իրական միջավայրեր, որոնցում նկատվում էին այդ երեւույթները, և մաթեմատիկական կատակից հանկարծ ծնվեց էկզոտիկ հատկություններով նյութերի նոր դաս: Ֆիզիկայի այս ճյուղի փորձարարական կողմն այժմ վերելք է ապրում, և այս արագ զարգացումը կշարունակվի ապագայում՝ մեզ խոստանալով նոր նյութեր՝ ծրագրավորված հատկություններով և դրանց վրա հիմնված սարքերով:

Տոպոլոգիական գրգռումներ

Նախ պարզաբանենք «տոպոլոգիական» բառը։ Մի անհանգստացեք, որ բացատրությունը կհնչի մաքուր մաթեմատիկայի. Ֆիզիկայի հետ կապը ի հայտ կգա, երբ մենք առաջ գնանք:

Կա մաթեմատիկայի այսպիսի ճյուղ՝ երկրաչափություն, ֆիգուրների գիտություն։ Եթե ​​գործչի ձևը սահուն կերպով դեֆորմացվում է, ապա սովորական երկրաչափության տեսանկյունից պատկերն ինքնին փոխվում է։ Բայց թվերն ունեն ընդհանուր բնութագրեր, որոնք հարթ դեֆորմացիայով, առանց պատռվելու կամ սոսնձման, մնում են անփոփոխ։ Սա նկարի տոպոլոգիական բնութագիրն է։ Տոպոլոգիական բնութագրի ամենահայտնի օրինակը եռաչափ մարմնի անցքերի քանակն է: Թեյի գավաթն ու բլիթը տոպոլոգիապես համարժեք են, երկուսն էլ ունեն ճիշտ մեկ անցք, և, հետևաբար, մի ձևը կարող է փոխակերպվել մյուսի սահուն դեֆորմացիայի միջոցով: Բաժակը և բաժակը տոպոլոգիական առումով տարբեր են, քանի որ ապակին անցք չունի: Նյութը համախմբելու համար առաջարկում եմ ձեզ ծանոթանալ կանացի լողազգեստների հիանալի տոպոլոգիական դասակարգմանը:

Այսպիսով, եզրակացությունը՝ այն ամենը, ինչը կարելի է հարթ դեֆորմացիայով կրճատել միմյանց, համարվում է տոպոլոգիապես համարժեք։ Երկու թվեր, որոնք չեն կարող փոխակերպվել միմյանց սահուն փոփոխություններով, համարվում են տոպոլոգիապես տարբեր:

Բացատրելու երկրորդ բառը «հուզմունք» է։ Խտացված նյութի ֆիզիկայում գրգռումը ցանկացած կոլեկտիվ շեղում է «մեռած» անշարժ վիճակից, այսինքն՝ ամենացածր էներգիա ունեցող վիճակից։ Օրինակ, երբ բյուրեղին հարվածեցին, ձայնային ալիք անցավ դրա միջով. սա բյուրեղային ցանցի թրթռումային գրգռումն է: Պարտադիր չէ, որ գրգռումներն առաջանան ինքնաբերաբար՝ ոչ զրոյական ջերմաստիճանի պատճառով: Բյուրեղային ցանցի սովորական ջերմային թրթռումը, ըստ էության, շատ թրթռումային գրգռումներ են (ֆոնոններ)՝ միմյանց վրա դրված տարբեր ալիքների երկարությամբ: Երբ ֆոնոնի կոնցենտրացիան բարձր է, տեղի է ունենում փուլային անցում, և բյուրեղը հալվում է: Ընդհանուր առմամբ, հենց որ հասկանանք, թե ինչ գրգռումներով պետք է նկարագրվի տվյալ խտացված միջավայրը, մենք կունենանք դրա թերմոդինամիկական և այլ հատկությունների բանալին։

Հիմա միացնենք երկու բառ. Ձայնային ալիքը տոպոլոգիական օրինակ է չնչինհուզմունք. Սա խելացի է թվում, բայց իր ֆիզիկական էությամբ դա պարզապես նշանակում է, որ ձայնը կարող է հնչել այնքան հանգիստ, որքան ցանկանում եք, նույնիսկ մինչև ամբողջովին անհետանալ: Բարձր ձայնը նշանակում է ատոմների ուժեղ թրթռումներ, հանգիստ ձայնը՝ թույլ տատանումներ: Թրթռումների ամպլիտուդը կարող է սահուն կերպով կրճատվել մինչև զրոյի (ավելի ճիշտ՝ մինչև քվանտային սահմանը, բայց դա այստեղ կարևոր չէ), և դա դեռ կլինի ձայնային գրգռում, ֆոնոն: Ուշադրություն դարձրեք հիմնական մաթեմատիկական փաստին. կա գործողություն սահուն տատանումները զրոյի փոխելու համար, սա պարզապես ամպլիտուդի նվազում է: Սա հենց այն է, ինչ նշանակում է, որ ֆոնոնը տոպոլոգիապես չնչին խառնաշփոթ է:

Եվ հիմա խտացրած նյութի հարստությունը միացված է: Որոշ համակարգերում կան գրգռումներ, որոնք չի կարելի սահուն կերպով հասցնել զրոյի. Ֆիզիկապես անհնարին չէ, բայց սկզբունքորեն՝ ձևը թույլ չի տալիս։ Պարզապես ամենուր չկա այնպիսի սահուն աշխատանք, որը գրգռվածությամբ համակարգը տեղափոխում է նվազագույն էներգիա ունեցող համակարգ: Գրգռումն իր ձևով տոպոլոգիապես տարբերվում է նույն ֆոնոններից։

Տեսեք, թե ինչպես է ստացվում. Դիտարկենք մի պարզ համակարգ (այն կոչվում է XY-մոդել)՝ սովորական քառակուսի վանդակ, որի հանգույցներում կան մասնիկներ՝ իրենց սպինով, որոնք կարող են ցանկացած կերպ կողմնորոշվել այս հարթությունում։ Մեջքերը կպատկերենք սլաքներով; Սլաքի կողմնորոշումը կամայական է, բայց երկարությունը ֆիքսված է: Մենք նաև կենթադրենք, որ հարևան մասնիկների պտույտները փոխազդում են միմյանց հետ այնպես, որ էներգետիկ առումով առավել բարենպաստ կոնֆիգուրացիան այն է, երբ բոլոր հանգույցներում բոլոր պտույտները ուղղված են նույն ուղղությամբ, ինչպես ֆերոմագնիսում: Այս կոնֆիգուրացիան ներկայացված է Նկ. 2, ձախ. Պտտվող ալիքները կարող են վազել դրա երկայնքով՝ պտույտների փոքր ալիքանման շեղումներ խիստ պատվերից (նկ. 2, աջ): Բայց սրանք բոլորը սովորական, տոպոլոգիապես չնչին գրգռումներ են:

Այժմ նայեք Նկ. 3. Այստեղ ցուցադրված են անսովոր ձևի երկու խանգարումներ՝ հորձանուտ և հակապտույտ: Մտավոր կերպով ընտրեք նկարի մի կետ և ձեր հայացքը քայլեք շրջանաձև արահետով՝ կենտրոնի շուրջը ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ հակառակ ուղղությամբ՝ ուշադրություն դարձնելով, թե ինչ է կատարվում սլաքների հետ: Դուք կտեսնեք, որ հորձանուտի սլաքը պտտվում է նույն ուղղությամբ՝ ժամացույցի սլաքի հակառակ ուղղությամբ, իսկ հակապտույտի սլաքը՝ հակառակ ուղղությամբ՝ ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ։ Այժմ արեք նույնը համակարգի հիմնական վիճակում (սլաքն ընդհանուր առմամբ անշարժ է) և պտտվող ալիքով վիճակում (որտեղ սլաքը փոքր-ինչ տատանվում է միջին արժեքի շուրջ): Դուք կարող եք նաև պատկերացնել այս նկարների դեֆորմացված տարբերակները, ասենք, պտտվող ալիքը ծանրաբեռնվածությամբ դեպի հորձանուտ. այնտեղ սլաքը նույնպես լրիվ պտույտ կկատարի՝ թեթևակի տատանվելով:

Այս վարժություններից հետո պարզ է դառնում, որ բոլոր հնարավոր գրգռումները բաժանված են սկզբունքորեն տարբեր դասերՍլաքը կենտրոնով պտտվելիս լրիվ պտույտ է անում, թե ոչ, և եթե անում է, ապա ո՞ր ուղղությամբ։ Այս իրավիճակներն ունեն տարբեր տոպոլոգիաներ։ Ոչ մի սահուն փոփոխություն չի կարող հորձանուտը վերածել սովորական ալիքի. եթե սլաքները շրջեք, ապա կտրուկ, միանգամից ամբողջ վանդակի վրայով և միանգամից մեծ անկյան տակ: հորձանուտը, ինչպես նաև հակափոթորիկը, տոպոլոգիապես պաշտպանվածդրանք, ի տարբերություն ձայնային ալիքի, չեն կարող պարզապես լուծարվել:

Վերջին կարևոր կետը. Պտույտը տոպոլոգիապես տարբերվում է պարզ ալիքից և հակապտույտից միայն այն դեպքում, եթե սլաքները խստորեն ընկած են նկարի հարթության վրա: Եթե ​​մեզ թույլ տրվի դրանք բերել երրորդ հարթություն, ապա հորձանուտը կարող է սահուն կերպով վերացվել: Գրգռումների տոպոլոգիական դասակարգումը արմատապես կախված է համակարգի չափից:

Տոպոլոգիական փուլային անցումներ

Այս զուտ երկրաչափական նկատառումները ունեն շատ շոշափելի ֆիզիկական հետևանք։ Սովորական թրթիռի, նույն ֆոնոնի էներգիան կարող է կամայականորեն փոքր լինել։ Հետևաբար, ցանկացած ջերմաստիճանում, որքան էլ ցածր լինի, այդ տատանումները առաջանում են ինքնաբերաբար և ազդում միջավայրի թերմոդինամիկական հատկությունների վրա։ Տոպոլոգիապես պաշտպանված գրգռման՝ հորձանուտի էներգիան չի կարող որոշակի սահմանից ցածր լինել։ Հետևաբար, ցածր ջերմաստիճանների դեպքում առանձին պտույտներ չեն առաջանում և, հետևաբար, չեն ազդում համակարգի թերմոդինամիկական հատկությունների վրա, համենայն դեպս, սա համարվում էր մինչև 1970-ականների սկիզբը:

Մինչդեռ 1960-ականներին բազմաթիվ տեսաբանների ջանքերով բացահայտվեց XY մոդելում տեղի ունեցողը ֆիզիկական տեսանկյունից հասկանալու խնդիրը։ Սովորական եռաչափ դեպքում ամեն ինչ պարզ է և ինտուիտիվ: Ցածր ջերմաստիճանի դեպքում համակարգը կարգավորված տեսք ունի, ինչպես Նկ. 2. Եթե վերցնեք երկու կամայական վանդակավոր հանգույցներ, նույնիսկ շատ հեռավոր, ապա դրանցում պտույտները մի փոքր կտատանվեն նույն ուղղությամբ: Սա, համեմատաբար ասած, պտտվող բյուրեղ է: Բարձր ջերմաստիճանի դեպքում պտույտները «հալվում են». երկու հեռավոր վանդակավոր տեղամասերն այլևս փոխկապակցված չեն միմյանց հետ: Երկու պետությունների միջև կա հստակ փուլային անցումային ջերմաստիճան: Եթե ​​ջերմաստիճանը սահմանեք հենց այս արժեքին, ապա համակարգը կգտնվի հատուկ կրիտիկական վիճակում, երբ փոխկապակցվածությունները դեռ կան, բայց աստիճանաբար, ուժային օրենքի համաձայն, կնվազեն հեռավորության հետ:

Երկչափ վանդակի մեջ բարձր ջերմաստիճաններում կա նաև անկարգ վիճակ։ Բայց ցածր ջերմաստիճանի դեպքում ամեն ինչ շատ, շատ տարօրինակ էր թվում: Ապացուցվել է խիստ թեորեմ (տես Մերմին-Վագների թեորեմ), որ երկչափ տարբերակում բյուրեղային կարգ չկա։ Զգույշ հաշվարկները ցույց տվեցին, որ այնպես չէ, որ այն ընդհանրապես չկա, այն պարզապես նվազում է հեռավորության հետ՝ ուժային օրենքի համաձայն, ճիշտ այնպես, ինչպես կրիտիկական վիճակում: Բայց եթե եռաչափ դեպքում կրիտիկական վիճակը եղել է միայն մեկ ջերմաստիճանում, ապա այստեղ կրիտիկական վիճակը զբաղեցնում է ամբողջ ցածր ջերմաստիճանի շրջանը։ Ստացվում է, որ երկչափ դեպքում գործում են մի քանի այլ գրգռումներ, որոնք գոյություն չունեն եռաչափ տարբերակում (նկ. 4):

Նոբելյան կոմիտեի ուղեկցող փաստաթղթերը ընդգծում են տարբեր քվանտային համակարգերի տոպոլոգիական երևույթների մի քանի օրինակներ, ինչպես նաև վերջին փորձարարական աշխատանքը՝ դրանք իրականացնելու և ապագայի հեռանկարները: Այս պատմությունն ավարտվում է Հալդեյնի 1988 թվականի հոդվածից մեջբերումով։ Դրանում, ասես արդարացումներ անելով, ասում է. Թեև այստեղ ներկայացված կոնկրետ մոդելը դժվար թե ֆիզիկապես իրագործելի լինի, այնուամենայնիվ...»: 25 տարի անց ամսագիր Բնությունհրապարակում է , որը հաղորդում է Հալդեյնի մոդելի փորձարարական իրականացումը: Թերևս խտացված նյութի տոպոլոգիապես ոչ տրիվիալ երևույթները խտացված նյութի ֆիզիկայի չասված կարգախոսի ամենավառ հաստատումներից մեկն են.

Ֆիզիկայի ոլորտում 2017 թվականի Նոբելյան մրցանակը կշնորհվի ամերիկացիներ Բարրի Բարիշին, Ռայներ Վայսին և Քիփ Թորնին «LIGO դետեկտորի և գրավիտացիոն ալիքների դիտարկման գործում իրենց վճռական ներդրման համար», ասվում է մրցանակի կայքում։

2015 թվականի սեպտեմբերի 14-ին LIGO-ի (Լազերային ինտերֆերոմետրիկ գրավիտացիոն աստղադիտարանի) կողմից այս հայտնագործության մասին հայտնագործությունների մասին զեկուցվել է մի զույգ սև խոռոչների միաձուլման արդյունքում տարածության ժամանակի խանգարումների մասին:

Մինչ օրս հայտնաբերվել է սև խոռոչների միաձուլման չորս ազդանշան, որը վերջին բացահայտումն է LIGO-ի կողմից՝ Virgo աստղադիտարանի հետ համագործակցությամբ: Գրավիտացիոն ալիքների առկայությունը հարաբերականության ընդհանուր տեսության կանխատեսումներից է։ Նրանց հայտնագործությունը ոչ միայն հաստատում է վերջինս, այլեւ համարվում է սեւ խոռոչների գոյության ապացույցներից մեկը։

1970-ականների կեսերին Վայսը (Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտ) վերլուծեց ֆոնային աղմուկի հնարավոր աղբյուրները, որոնք կխեղաթյուրեին չափման արդյունքները, ինչպես նաև առաջարկեց դրա համար անհրաժեշտ լազերային ինտերֆերոմետրի նախագծում: Վայսը և Թորնը (Քալթեք) LIGO-ի ստեղծման հիմնական ճարտարապետներն են, իսկ Բարիշը (Քալթեք) եղել է LIGO-ի գլխավոր հետազոտողը 1994-2005 թվականներին՝ աստղադիտարանի կառուցման և սկզբնական շահագործման ընթացքում:

Ավանդույթի համաձայն մրցանակաբաշխության պաշտոնական արարողությունը տեղի կունենա Ստոկհոլմում (Շվեդիա) 2017 թվականի դեկտեմբերի 10-ին՝ մահվան օրը։ Մրցանակը դափնեկիրներին կհանձնի Շվեդիայի թագավոր Կարլ XVI Գուստաֆը։

2017 թվականի դրամական պարգևը կազմել է 9 միլիոն SEK (1,12 միլիոն դոլար) ֆիզիկայի բոլոր մրցանակակիրների համար: Վայսը կստանա բոնուսի կեսը, մյուս կեսը հավասարապես կբաժանվի Բարիշի և Թորնի միջև։ Պարգևատրման չափի մեծացումը, որը սովորաբար կազմում է մոտ մեկ միլիոն դոլար (օրինակ՝ 8 միլիոն շվեդական կրոն կամ մոտ 953 հազար դոլար, 2016 թվականին), եկել է հիմնադրամի ֆինանսական հզորության ամրապնդման արդյունքում։

Հարակից նյութեր

Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակը շնորհվում է Շվեդիայի թագավորական ֆեդերացիայի կողմից։ Այն նաև դափնեկիրներ է ընտրում մասնագիտացված հանձնաժողովների կողմից առաջադրված թեկնածուներից:

Նախօրեին՝ հոկտեմբերի 2-ին, 2017 թվականի բժշկության կամ ֆիզիոլոգիայի Նոբելյան դափնեկիրներն էին Ջեֆրի Հոլը, Մայքլ Ռոզբաշը և Մայքլ Յանգը «շրջիկական ռիթմը կառավարող մոլեկուլային մեխանիզմների բացահայտումների համար»:

2016 թվականին մրցանակ ֆիզիկայում և «տոպոլոգիական փուլային անցումների և նյութի տոպոլոգիական փուլերի տեսական հայտնագործությունների համար»։

Նոբելյան մրցանակի արժանացած վերջին ռուս գիտնականը տեսական ֆիզիկոս է Ֆիզիկական ինստիտուտ Ռուսական ակադեմիա Sciences (FIAN), ով արժանացել է 2003 թվականին գերհաղորդականության ֆենոմենոլոգիական տեսության կառուցման համար։ Նրա հետ միասին մրցանակը ստացել են խորհրդային ամերիկացի գիտնական (վեց ամիս առաջ) և բրիտանացի ամերիկացի ֆիզիկոս Էնթոնի Լեգեթը՝ գերհեղուկ հեղուկների ուսումնասիրության համար։

2010 թվականին Մոսկվայի շրջանավարտներ Ֆիզիկայի և տեխնիկայի ինստիտուտԵվ նախկին աշխատակիցներ RAS և Նոբելյան մրցանակի դափնեկիրներ ֆիզիկայի բնագավառում գրաֆենի՝ ածխածնի երկչափ մոդիֆիկացիայի հետազոտության համար: Մրցանակը ստանալու պահին նրանք աշխատում էին Մանչեսթերի համալսարանում (Մեծ Բրիտանիա)։

Տիեզերքում տեղի ունեցող գործընթացների մեր ամբողջ պատկերացումը, նրա կառուցվածքի մասին պատկերացումները ձևավորվել են էլեկտրամագնիսական ճառագայթման, այլ կերպ ասած՝ տիեզերքի խորքերից մեր սարքերին հասնող բոլոր հնարավոր էներգիաների ֆոտոնների ուսումնասիրության հիման վրա: Սակայն ֆոտոնիկ դիտարկումներն ունեն իրենց սահմանափակումները՝ նույնիսկ ամենաշատ էլեկտրամագնիսական ալիքները բարձր էներգիաներմեզ մի հասեք տիեզերքի շատ հեռավոր տարածքներից:

Կան ճառագայթման այլ ձևեր՝ նեյտրինո հոսքեր և գրավիտացիոն ալիքներ։ Նրանք կարող են պատմել ձեզ այն բաների մասին, որոնք երբեք չեն տեսնի էլեկտրամագնիսական ալիքներ գրանցող գործիքները: Նեյտրինոներն ու գրավիտացիոն ալիքները «տեսնելու» համար սկզբունքորեն նոր գործիքներ են անհրաժեշտ։ Գրավիտացիոն ալիքի դետեկտորի ստեղծման համար և փորձարարական ապացույցՆրանց գոյությամբ, այս տարի երեք ամերիկացի ֆիզիկոսներ՝ Ռայներ Վայսը, Քիփ Թորնը և Բարրի Բարրիշը, արժանացան ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի:

Ձախից աջ՝ Ռայներ Վայս, Բարրի Բարրիշ և Քիփ Թորն։

Նախատեսվում է գրավիտացիոն ալիքների առկայությունը ընդհանուր տեսությունհարաբերականությունը և կանխատեսվել է Էյնշտեյնի կողմից դեռ 1915 թ. Դրանք առաջանում են այն ժամանակ, երբ շատ զանգվածային առարկաները բախվում են միմյանց և առաջացնում են տարածություն-ժամանակի խանգարումներ՝ լույսի արագությամբ շեղվելով ծագման կետից բոլոր ուղղություններով:

Նույնիսկ եթե իրադարձությունը, որն առաջացրել է ալիքը, հսկայական է, օրինակ՝ երկու սև խոռոչների բախում, ապա ալիքի ազդեցությունը տարածություն-ժամանակի վրա չափազանց փոքր է, ուստի դժվար է գրանցել այն, ինչը պահանջում է շատ զգայուն գործիքներ: Ինքը՝ Էյնշտեյնը, հավատում էր, որ գրավիտացիոն ալիքը, անցնելով նյութի միջով, այնքան քիչ է ազդում դրա վրա, որ այն հնարավոր չէ դիտարկել: Իրոք, ալիքի իրական ազդեցությունը նյութի վրա բավականին դժվար է ֆիքսել, բայց անուղղակի ազդեցությունները կարող են գրանցվել: Դա հենց այն է, ինչ արեցին ամերիկացի աստղաֆիզիկոսներ Ջոզեֆ Թեյլորը և Ռասել Հուլսը 1974 թվականին՝ չափելով կրկնակի պուլսարային աստղի PSR 1913+16 ճառագայթումը և ապացուցելով, որ նրա պուլսացիոն շրջանի շեղումը հաշվարկվածից բացատրվում է էներգիայի կորստով։ գրավիտացիոն ալիք. Դրա համար նրանք ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ են ստացել 1993 թվականին։

2015 թվականի սեպտեմբերի 14-ին LIGO-ն՝ լազերային ինտերֆերոմետրի գրավիտացիոն-ալիքային աստղադիտարանը, առաջին անգամ ուղղակիորեն հայտնաբերեց գրավիտացիոն ալիք։ Երբ ալիքը հասավ Երկիր, այն շատ թույլ էր, բայց նույնիսկ այս թույլ ազդանշանը նշանակում էր հեղափոխություն ֆիզիկայում: Դա հնարավոր դարձնելու համար պահանջվեց հազարավոր գիտնականների աշխատանք քսան երկրներից, ովքեր կառուցեցին LIGO-ն:

Տասնհինգերորդ տարվա արդյունքները ստուգելու համար պահանջվեց մի քանի ամիս, ուստի դրանք հրապարակվեցին միայն 2016 թվականի փետրվարին։ Բացի հիմնական հայտնագործությունից՝ գրավիտացիոն ալիքների գոյության հաստատումից, արդյունքներում թաքնված էին ևս մի քանիսը. միջին զանգվածի (20−60 արեգակնային) սև խոռոչների գոյության առաջին ապացույցները և առաջին ապացույցները, որ դրանք կարող են միաձուլվել։ .

Գրավիտացիոն ալիքին պահանջվեց ավելի քան մեկ միլիարդ տարի, որպեսզի հասնի Երկիր, շատ հեռու, մեր գալակտիկայից այն կողմ, երկու սև խոռոչներ բախվեցին միմյանց, անցավ 1,3 միլիարդ տարի, և LIGO-ն պատմեց մեզ այս իրադարձության մասին:

Գրավիտացիոն ալիքի էներգիան հսկայական է, բայց ամպլիտուդան աներևակայելի փոքր է: Դա զգալը նման է հեռավոր աստղի հեռավորությունը միլիմետրի տասներորդական ճշգրտությամբ չափելուն: LIGO-ն ունակ է դրան: Վայսը մշակել է հայեցակարգը. դեռ 70-ականներին նա հաշվարկել է, թե երկրային ինչ երևույթներ կարող են խեղաթյուրել դիտարկումների արդյունքները և ինչպես ազատվել դրանցից։ LIGO-ն բաղկացած է երկու աստղադիտարաններից, որոնց միջև հեռավորությունը 3002 կիլոմետր է։ Գրավիտացիոն ալիքը անցնում է այս տարածությունը 7 միլիվայրկյանում, այնպես որ երկու ինտերֆերոմետրերը ճշգրտում են միմյանց ընթերցումները, երբ անցնում է ալիքը:

Երկու LIGO աստղադիտարանները՝ Լիվինգսթոնում (Լուիզիանա) և Հենֆորդում (Վաշինգտոն նահանգ), գտնվում են միմյանցից 3002 կմ հեռավորության վրա։

Յուրաքանչյուր աստղադիտարան ունի երկու չորս կիլոմետրանոց թեւեր, որոնք բխում են նույն կետից՝ միմյանց նկատմամբ ուղիղ անկյան տակ։ Ներսում նրանք ունեն գրեթե կատարյալ վակուում: Յուրաքանչյուր ուսի սկզբում և վերջում - բարդ համակարգհայելիներ Անցնելով մեր մոլորակով՝ գրավիտացիոն ալիքը մի փոքր սեղմում է տարածությունը, որտեղ դրված է մի թեւը, և ձգում է երկրորդը (առանց ալիքի, ձեռքերի երկարությունը խիստ նույնն է): Լազերային ճառագայթը արձակվում է ուսերի խաչմերուկից, բաժանվում է երկու մասի և արտացոլվում հայելիների վրա; Անցնելով իրենց տարածությունը՝ ճառագայթները հանդիպում են խաչմերուկում։ Եթե ​​դա տեղի է ունենում միաժամանակ, ապա տարածություն-ժամանակը հանգիստ է: Եվ եթե ճառագայթներից մեկի ուսի միջով անցնելն ավելի երկար է պահանջվել, քան մյուսը, նշանակում է, որ գրավիտացիոն ալիքը երկարացրել է իր ճանապարհը և կրճատել երկրորդ ճառագայթի ճանապարհը։

LIGO աստղադիտարանի շահագործման դիագրամ.

LIGO-ն մշակվել է Վայսի (և, իհարկե, նրա գործընկերների) կողմից, Քիփ Թորնը` հարաբերականության տեսության աշխարհի առաջատար փորձագետը, կատարեց տեսական հաշվարկները, Բարրի Բարիշը միացավ LIGO թիմին 1994 թվականին և դարձավ մի փոքր` ընդամենը 40 հոգի: Էնտուզիաստների խումբը LIGO/VIRGO հսկայական միջազգային համագործակցության մեջ, որի մասնակիցների լավ համակարգված աշխատանքի շնորհիվ հնարավոր դարձավ հիմնարար փորձ, որն իրականացվեց քսան տարի անց:

Գրավիտացիոն ալիքների դետեկտորների վրա աշխատանքները շարունակվում են։ Առաջին գրանցված ալիքին հաջորդեց երկրորդը, երրորդը և չորրորդը. վերջինիս «բռնացրել» են ոչ միայն LIGO դետեկտորները, այլեւ վերջերս գործարկված եվրոպական VIRGO-ն։ Չորրորդ գրավիտացիոն ալիքը, ի տարբերություն նախորդ երեքի, ծնվել է ոչ թե բացարձակ խավարում (սև անցքերի միաձուլման արդյունքում), այլ ամբողջական լուսավորությամբ՝ նեյտրոնային աստղի պայթյունի ժամանակ. Տիեզերական և ցամաքային աստղադիտակները հայտնաբերել են նաև ճառագայթման օպտիկական աղբյուր այն տարածքում, որտեղից առաջացել է գրավիտացիոն ալիքը։