Nobelovi nagrajenci za fiziko 21. stoletja. Nobelova nagrada za fiziko. Topološki fazni prehodi

Z besedilom " za teoretična odkritja topoloških faznih prehodov in topoloških faz snovi" Za to širši javnosti nekoliko nejasno in nerazumljivo besedno zvezo se skriva cel svet netrivialnih in tudi za same fizike presenetljivih učinkov, pri katerih teoretičnem odkrivanju so imeli nagrajenci v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja ključno vlogo. Seveda pa niso bili edini, ki so se zavedali pomena topologije v takratni fiziki. Tako je sovjetski fizik Vadim Berezinski leto pred Kosterlitzom in Thoulessom naredil pravzaprav prvi pomemben korak k topološkim faznim prehodom. Ob Haldaneovem imenu bi lahko postavili še veliko drugih imen. Kakor koli že, vsi trije nagrajenci so zagotovo ikonične osebnosti v tem delu fizike.

Lirični uvod v fiziko kondenzirane snovi

Z dostopnimi besedami razložiti bistvo in pomen dela, za katerega je bila podeljena Nobelova nagrada za fiziko 2016, ni lahka naloga. Ne samo, da so sami pojavi kompleksni in poleg tega še kvantni, ampak so tudi raznoliki. Nagrada ni bila podeljena za eno posebno odkritje, temveč za cel seznam pionirskih del, ki so v letih 1970–1980 spodbudila razvoj nove smeri v fiziki kondenzirane snovi. V tej novici bom poskušal doseči bolj skromen cilj: pojasniti z nekaj primeri bistvo kaj je topološki fazni prehod, in posredovati občutek, da je to resnično lep in pomemben fizični učinek. Zgodba bo le o polovici podelitve, tisti, v kateri sta se izkazala Kosterlitz in Thouless. Haldaneovo delo je enako fascinantno, vendar je še manj vizualno in bi za razlago zahtevalo zelo dolgo zgodbo.

Začnimo s kratkim uvodom v najbolj fenomenalno vejo fizike – fiziko kondenzirane snovi.

Kondenzirana snov je v vsakdanjem jeziku, ko se več delcev iste vrste združi in močno vpliva drug na drugega. Skoraj vsaka beseda tukaj je ključna. Sami delci in zakon interakcije med njimi morajo biti iste vrste. Lahko vzamete več različnih atomov, prosim, a glavno je, da se ta fiksni niz vedno znova ponavlja. Moralo bi biti veliko delcev; ducat ali dva še ni zgoščen medij. In končno, močno morajo vplivati ​​drug na drugega: potiskati, vleči, posegati drug v drugega, morda nekaj izmenjati drug z drugim. Redkejši plin se ne šteje za kondenziran medij.

Glavno razkritje fizike kondenzirane snovi: s tako zelo preprostimi »pravili igre« je razkrila neskončno bogastvo pojavov in učinkov. Takšna raznolikost pojavov sploh ne nastane zaradi pestre sestave - delci so iste vrste - ampak spontano, dinamično, kot rezultat kolektivni učinki. Pravzaprav, ker je interakcija močna, nima smisla gledati na gibanje vsakega posameznega atoma ali elektrona, ker takoj vpliva na obnašanje vseh najbližjih sosedov in morda celo oddaljenih delcev. Ko berete knjigo, vam ne »govori« z razpršenostjo posameznih črk, temveč z nizom besed, ki so med seboj povezane; misel vam posreduje v obliki »zbirnega učinka« črk. Prav tako zgoščena snov »govori« v jeziku sinhronih kolektivnih gibanj in sploh ne posameznih delcev. In izkazalo se je, da obstaja velika raznolikost teh kolektivnih gibanj.

Trenutno Nobelova nagrada ugotavlja delo teoretikov pri dešifriranju drugega "jezika", ki ga lahko "govori" kondenzirana snov - jezika topološko netrivialna vzbujanja(kar je, je spodaj). Najdenih je bilo že kar nekaj specifičnih fizikalnih sistemov, v katerih nastajajo takšna vzburjenja, in pri številnih so imeli prste nagrajenci. Ampak najpomembnejša stvar tukaj ni konkretni primeri, in samo dejstvo, da se to dogaja tudi v naravi.

Številne topološke pojave v kondenzirani snovi so prvi iznašli teoretiki in zdelo se je, da so le matematične potegavščine, ki niso pomembne za naš svet. Potem pa so eksperimentatorji odkrili resnična okolja, v katerih te pojave opazujejo – in matematična potegavščina je nenadoma povzročila nov razred materiali z eksotičnimi lastnostmi. Eksperimentalna plat te veje fizike je zdaj v vzponu in ta hiter razvoj se bo nadaljeval tudi v prihodnje, obljubljajoč nam nove materiale s programiranimi lastnostmi in naprave, ki temeljijo na njih.

Topološka vzbujanja

Najprej razjasnimo besedo "topološki". Naj vas ne skrbi, da bo razlaga zvenela kot čista matematika; povezava s fiziko se bo pojavila sproti.

Obstaja taka veja matematike - geometrija, znanost o figurah. Če je oblika figure gladko deformirana, se z vidika navadne geometrije spremeni sama figura. Toda številke imajo splošne značilnosti, ki z gladko deformacijo, brez prelomov ali lepljenja ostanejo nespremenjene. To je topološka značilnost figure. Najbolj znan primer topološke karakteristike je število lukenj v tridimenzionalnem telesu. Čajna skodelica in krof sta topološko enakovredna, oba imata natanko eno luknjo, zato je mogoče eno obliko z gladko deformacijo spremeniti v drugo. Skodelica in kozarec sta topološko različna, ker kozarec nima lukenj. Za utrjevanje gradiva predlagam, da se seznanite z odlično topološko klasifikacijo ženskih kopalk.

Torej, zaključek: vse, kar je mogoče reducirati drug na drugega z gladko deformacijo, velja za topološko enakovredno. Dve figuri, ki ju ni mogoče preoblikovati druga v drugo z gladkimi spremembami, štejemo za topološko različni.

Druga beseda, ki jo je treba razložiti, je "razburjenje". V fiziki kondenzirane snovi je vzbujanje vsako kolektivno odstopanje od »mrtvega« stacionarnega stanja, torej od stanja z najnižjo energijo. Na primer, ko je bil zadet kristal, je skozenj stekel zvočni val - to je vibracijsko vzbujanje kristalne mreže. Ni nujno, da so vzburjenja prisiljena, lahko se pojavijo spontano zaradi temperature, ki ni ničelna. Običajno toplotno nihanje kristalne mreže je v resnici veliko vibracijskih vzburjenj (fononov) z različnimi valovnimi dolžinami, ki se prekrivajo ena na drugo. Ko je koncentracija fononov visoka, pride do faznega prehoda in kristal se stopi. Na splošno, takoj ko razumemo, v smislu kakšnih vzburjenosti je treba opisati dani kondenzirani medij, bomo imeli ključ do njegovih termodinamičnih in drugih lastnosti.

Zdaj povežimo dve besedi. Zvočni val je topološki primer trivialno navdušenje. To se sliši pametno, vendar v svojem fizičnem bistvu preprosto pomeni, da je zvok mogoče narediti tako tihega, kot želite, celo do te mere, da popolnoma izgine. Glasen zvok pomeni močne atomske vibracije, tih zvok pomeni šibke vibracije. Amplitudo nihanj je mogoče gladko zmanjšati na nič (natančneje na kvantna meja, vendar je to tukaj nepomembno), in še vedno bo zvočno vzbujanje, fonon. Bodite pozorni na ključ matematično dejstvo: obstaja operacija za gladko spreminjanje nihanj na nič - to je preprosto zmanjšanje amplitude. Točno to pomeni, da je fonon topološko trivialna motnja.

In zdaj je vklopljeno bogastvo kondenzirane snovi. V nekaterih sistemih obstajajo vzbujanja, ki ni mogoče gladko zmanjšati na nič. Fizično ni nemogoče, ampak temeljno - forma tega ne dopušča. Enostavno ni takšnega povsod gladkega delovanja, ki bi sistem z vzbujanjem preneslo v sistem z najnižjo energijo. Vzbujanje se po svoji obliki topološko razlikuje od istih fononov.

Poglejte, kako se je izkazalo. Razmislimo preprost sistem(imenuje se model XY) - pravilna kvadratna mreža, na vozliščih katere so delci z lastnim spinom, ki jih je mogoče poljubno usmeriti v tej ravnini. Hrbet bomo prikazali s puščicami; Usmerjenost puščice je poljubna, dolžina pa fiksna. Predpostavili bomo tudi, da spini sosednjih delcev medsebojno delujejo tako, da je energijsko najbolj ugodna konfiguracija, ko vsi spini na vseh vozliščih kažejo v isto smer, kot pri feromagnetu. Ta konfiguracija je prikazana na sl. 2, levo. Po njem lahko tečejo spinski valovi - majhna valovna odstopanja vrtljajev od strogega reda (slika 2, desno). Toda vse to so običajna, topološko trivialna vzbujanja.

Poglejte zdaj sl. 3. Tukaj sta prikazani dve motnji nenavadne oblike: vrtinec in antivorteks. Miselno izberite točko na sliki in se s pogledom sprehodite po krožni poti v nasprotni smeri urinega kazalca okoli središča, pri tem pa bodite pozorni na to, kaj se zgodi s puščicami. Videli boste, da se puščica vrtinca vrti v isto smer, v nasprotni smeri urinega kazalca, puščica antivorteksa pa v nasprotni smeri, v smeri urinega kazalca. Zdaj storite enako v osnovnem stanju sistema (puščica je na splošno negibna) in v stanju s spin valom (kjer puščica rahlo niha okoli povprečne vrednosti). Lahko si predstavljate tudi deformirane različice teh slik, recimo vrtilni val v obremenitvi proti vrtincu: tam bo tudi puščica naredila polni obrat in rahlo zanihala.

Po teh vajah postane jasno, da so vsa možna vzburjenja razdeljena na bistveno drugačni razredi: ali puščica naredi polni obrat, ko gre okoli središča ali ne, in če se, v katero smer. Te situacije imajo različne topologije. Nobena količina gladkih sprememb ne more spremeniti vrtinca v navaden val: če obrnete puščice, potem naglo, čez celotno mrežo hkrati in pod velikim kotom hkrati. Vrtinec, kot tudi anti-vortex, topološko zaščiten: oni, za razliko od zvočni val, se ne morejo kar raztopiti.

Zadnji pomembna točka. Vrtinec se topološko razlikuje od preprostega vala in od antivorteksa le, če puščice ležijo strogo v ravnini slike. Če nam je dovoljeno, da jih pripeljemo v tretjo dimenzijo, potem lahko vrtinec gladko odpravimo. Topološka klasifikacija vzbujanja je radikalno odvisna od dimenzije sistema!

Topološki fazni prehodi

Ti čisto geometrijski premisleki imajo zelo oprijemljive fizične posledice. Energija navadnega nihanja, istega fonona, je lahko poljubno majhna. Zato pri kateri koli temperaturi, ne glede na to, kako nizka je, ta nihanja nastanejo spontano in vplivajo na termodinamične lastnosti medija. Energija topološko zaščitenega vzbujanja, vrtinca, ne more biti pod določeno mejo. Zato, ko nizke temperature posamezni vrtinci ne nastanejo in zato ne vplivajo na termodinamične lastnosti sistema - vsaj tako se je mislilo do začetka sedemdesetih let.

Medtem se je v šestdesetih letih prejšnjega stoletja s prizadevanji številnih teoretikov razkril problem razumevanja dogajanja v modelu XY s fizikalnega vidika. V običajnem tridimenzionalnem primeru je vse preprosto in intuitivno. Pri nizkih temperaturah je sistem videti urejen, kot na sl. 2. Če vzamete dve poljubni vozlišči rešetke, tudi zelo oddaljeni, bodo vrtljaji v njih rahlo nihali okoli iste smeri. To je, relativno gledano, spin kristal. pri visoke temperature vrtljaji se "talijo": dve oddaljeni mesti rešetke nista več povezani med seboj. Obstaja jasna temperatura faznega prehoda med obema stanjema. Če temperaturo nastavite točno na to vrednost, bo sistem v posebnem kritičnem stanju, ko korelacije še obstajajo, vendar postopoma, po potenčnem zakonu, padajo z razdaljo.

V dvodimenzionalni mreži pri visokih temperaturah je tudi neurejeno stanje. Toda pri nizkih temperaturah je bilo vse videti zelo, zelo čudno. Dokazan je bil strogi izrek (glej Mermin-Wagnerjev izrek), da v dvodimenzionalni različici ni kristalnega reda. Skrbni izračuni so pokazali, da ne gre za to, da ga sploh ni, preprosto se zmanjšuje z razdaljo po potenčnem zakonu – točno tako kot v kritičnem stanju. Če pa v tridimenzionalnem primeru kritično stanje je bilo samo pri eni temperaturi, potem kritično stanje zavzema celotno območje nizkih temperatur. Izkaže se, da v dvodimenzionalnem primeru pridejo v poštev nekatera druga vzbujanja, ki jih v tridimenzionalni različici ni (slika 4)!

Spremno gradivo Nobelovega odbora ponuja več primerov topoloških pojavov v različnih kvantnih sistemih, pa tudi nedavne eksperimentalno delo o njihovem izvajanju in obetih za prihodnost. Ta zgodba se konča s citatom Haldaneovega članka iz leta 1988. V njem, kot da bi se opravičeval, pravi: " Čeprav tukaj predstavljeni specifični model verjetno ne bo fizično uresničljiv, vseeno...". Revija 25 let pozneje Narava objavlja , ki poroča o eksperimentalni izvedbi Haldaneovega modela. Morda so topološko netrivialni pojavi v kondenzirani snovi ena najbolj osupljivih potrditev neizrečenega gesla fizike kondenzirane snovi: v primeren sistem uresničili bomo vsako samokonsistentno teoretično idejo, ne glede na to, kako eksotična se zdi.

Albert EINSTEIN. Nobelova nagrada za fiziko, 1921

Najslavnejši znanstvenik 20. stoletja. in eden največjih znanstvenikov vseh časov, Einstein je obogatil fiziko s svojo edinstveno močjo vpogleda in neprekosljivo igro domišljije. Skušal je najti razlago narave z uporabo sistema enačb, ki bi imel veliko lepoto in preprostost. Za odkritje zakona fotoelektričnega učinka je prejel nagrado.

Edward Appleton. Nobelova nagrada za fiziko, 1947

Edward Appleton je prejel nagrado za raziskovanje fizike zgornje atmosfere, zlasti za odkritje tako imenovane Appletonove plasti. Z merjenjem višine ionosfere je Appleton odkril drugo neprevodno plast, katere upor omogoča odboj kratkovalovnih radijskih signalov. S tem odkritjem je Appleton vzpostavil možnost neposrednega radijskega oddajanja na ves svet.

Leo ESAKI. Nobelova nagrada za fiziko, 1973

Leo Esaki je prejel nagrado skupaj z Ivorjem Jayeverjem za eksperimentalna odkritja pojavov tuneliranja v polprevodnikih in superprevodnikih. Učinek tuneliranja je omogočil doseganje več globoko razumevanje obnašanje elektronov v polprevodnikih in superprevodnikih, makroskopski kvantni pojavi v superprevodnikih.

Hideki YUKAWA. Nobelova nagrada za fiziko, 1949

Hideki Yukawa je prejel nagrado za napoved obstoja mezonov na podlagi teoretičnega dela o jedrskih silah. Yukawin delec je postal znan kot pi mezon, nato preprosto pion. Yukawina hipoteza je bila sprejeta, ko je Cecil F. Powell odkril delec Yu z uporabo ionizacijske komore, postavljene na visoke nadmorske višine, potem so bili mezoni umetno proizvedeni v laboratoriju.

Zhenning YANG. Nobelova nagrada za fiziko, 1957

Za njegovo daljnovidnost pri preučevanju tako imenovanih paritetnih zakonov, ki so privedli do pomembnih odkritij na tem področju elementarni delci Nagrado je prejel Zhenning Yang. Rešen je bil najbolj slepi problem na področju fizike osnovnih delcev, nakar je bilo eksperimentalno in teoretično delo v polnem teku.

Z besedilom " za teoretična odkritja topoloških faznih prehodov in topoloških faz snovi" Za to širši javnosti nekoliko nejasno in nerazumljivo besedno zvezo se skriva cel svet netrivialnih in tudi za same fizike presenetljivih učinkov, pri katerih teoretičnem odkrivanju so imeli nagrajenci v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja ključno vlogo. Seveda pa niso bili edini, ki so se zavedali pomena topologije v takratni fiziki. Tako je sovjetski fizik Vadim Berezinski leto pred Kosterlitzom in Thoulessom naredil pravzaprav prvi pomemben korak k topološkim faznim prehodom. Ob Haldaneovem imenu bi lahko postavili še veliko drugih imen. Kakor koli že, vsi trije nagrajenci so zagotovo ikonične osebnosti v tem delu fizike.

Lirični uvod v fiziko kondenzirane snovi

Z dostopnimi besedami razložiti bistvo in pomen dela, za katerega je bila podeljena Nobelova nagrada za fiziko 2016, ni lahka naloga. Ne samo, da so sami pojavi kompleksni in poleg tega še kvantni, ampak so tudi raznoliki. Nagrada ni bila podeljena za eno posebno odkritje, temveč za cel seznam pionirskih del, ki so v letih 1970–1980 spodbudila razvoj nove smeri v fiziki kondenzirane snovi. V tej novici bom poskušal doseči bolj skromen cilj: pojasniti z nekaj primeri bistvo kaj je topološki fazni prehod, in posredovati občutek, da je to resnično lep in pomemben fizični učinek. Zgodba bo le o polovici podelitve, tisti, v kateri sta se izkazala Kosterlitz in Thouless. Haldaneovo delo je enako fascinantno, vendar je še manj vizualno in bi za razlago zahtevalo zelo dolgo zgodbo.

Začnimo s kratkim uvodom v najbolj fenomenalno vejo fizike – fiziko kondenzirane snovi.

Kondenzirana snov je v vsakdanjem jeziku, ko se več delcev iste vrste združi in močno vpliva drug na drugega. Skoraj vsaka beseda tukaj je ključna. Sami delci in zakon interakcije med njimi morajo biti iste vrste. Lahko vzamete več različnih atomov, prosim, a glavno je, da se ta fiksni niz vedno znova ponavlja. Moralo bi biti veliko delcev; ducat ali dva še ni zgoščen medij. In končno, močno morajo vplivati ​​drug na drugega: potiskati, vleči, posegati drug v drugega, morda nekaj izmenjati drug z drugim. Redkejši plin se ne šteje za kondenziran medij.

Glavno razkritje fizike kondenzirane snovi: s tako zelo preprostimi »pravili igre« je razkrila neskončno bogastvo pojavov in učinkov. Takšna raznolikost pojavov sploh ne nastane zaradi pestre sestave - delci so iste vrste - ampak spontano, dinamično, kot rezultat kolektivni učinki. Pravzaprav, ker je interakcija močna, nima smisla gledati na gibanje vsakega posameznega atoma ali elektrona, ker takoj vpliva na obnašanje vseh najbližjih sosedov in morda celo oddaljenih delcev. Ko berete knjigo, vam ne »govori« z razpršenostjo posameznih črk, temveč z nizom besed, ki so med seboj povezane; misel vam posreduje v obliki »zbirnega učinka« črk. Prav tako zgoščena snov »govori« v jeziku sinhronih kolektivnih gibanj in sploh ne posameznih delcev. In izkazalo se je, da obstaja velika raznolikost teh kolektivnih gibanj.

Trenutna Nobelova nagrada priznava delo teoretikov pri dešifriranju drugega "jezika", ki ga lahko "govori" kondenzirana snov - jezika topološko netrivialna vzbujanja(kar je, je spodaj). Najdenih je bilo že kar nekaj specifičnih fizikalnih sistemov, v katerih nastajajo takšna vzburjenja, in pri številnih so imeli prste nagrajenci. A najpomembnejši pri tem niso konkretni primeri, ampak dejstvo, da se to dogaja tudi v naravi.

Številne topološke pojave v kondenzirani snovi so prvi iznašli teoretiki in zdelo se je, da gre le za matematične potegavščine, ki niso pomembne za naš svet. Potem pa so eksperimentatorji odkrili resnična okolja, v katerih so opazovali te pojave, in matematična potegavščina je nenadoma rodila nov razred materialov z eksotičnimi lastnostmi. Eksperimentalna plat te veje fizike je zdaj v vzponu in ta hiter razvoj se bo nadaljeval tudi v prihodnje, obljubljajoč nam nove materiale s programiranimi lastnostmi in naprave, ki temeljijo na njih.

Topološka vzbujanja

Najprej razjasnimo besedo "topološki". Naj vas ne skrbi, da bo razlaga zvenela kot čista matematika; povezava s fiziko se bo pojavila sproti.

Obstaja taka veja matematike - geometrija, znanost o figurah. Če je oblika figure gladko deformirana, se z vidika navadne geometrije spremeni sama figura. Toda številke imajo skupne značilnosti, ki z gladko deformacijo, brez trganja ali lepljenja, ostanejo nespremenjene. To je topološka značilnost figure. Najbolj znan primer topološke karakteristike je število lukenj v tridimenzionalnem telesu. Čajna skodelica in krof sta topološko enakovredna, oba imata natanko eno luknjo, zato je mogoče eno obliko z gladko deformacijo spremeniti v drugo. Skodelica in kozarec sta topološko različna, ker kozarec nima lukenj. Za utrjevanje gradiva predlagam, da se seznanite z odlično topološko klasifikacijo ženskih kopalk.

Torej, zaključek: vse, kar je mogoče reducirati drug na drugega z gladko deformacijo, velja za topološko enakovredno. Dve figuri, ki ju ni mogoče preoblikovati druga v drugo z gladkimi spremembami, štejemo za topološko različni.

Druga beseda, ki jo je treba razložiti, je "razburjenje". V fiziki kondenzirane snovi je vzbujanje vsako kolektivno odstopanje od »mrtvega« stacionarnega stanja, torej od stanja z najnižjo energijo. Na primer, ko je bil zadet kristal, je skozenj stekel zvočni val - to je vibracijsko vzbujanje kristalne mreže. Ni nujno, da so vzburjenja prisiljena, lahko se pojavijo spontano zaradi temperature, ki ni ničelna. Običajno toplotno nihanje kristalne mreže je v resnici veliko vibracijskih vzburjenj (fononov) z različnimi valovnimi dolžinami, ki se prekrivajo ena na drugo. Ko je koncentracija fononov visoka, pride do faznega prehoda in kristal se stopi. Na splošno, takoj ko razumemo, v smislu kakšnih vzburjenosti je treba opisati dani kondenzirani medij, bomo imeli ključ do njegovih termodinamičnih in drugih lastnosti.

Zdaj povežimo dve besedi. Zvočni val je topološki primer trivialno navdušenje. To se sliši pametno, vendar v svojem fizičnem bistvu preprosto pomeni, da je zvok mogoče narediti tako tihega, kot želite, celo do te mere, da popolnoma izgine. Glasen zvok pomeni močne atomske vibracije, tih zvok pomeni šibke vibracije. Amplitudo tresljajev lahko gladko zmanjšamo na nič (natančneje na kvantno mejo, vendar je to tukaj nepomembno), pa bo še vedno zvočno vzbujanje, fonon. Bodite pozorni na ključno matematično dejstvo: obstaja operacija za gladko spreminjanje nihanj na nič - to je preprosto zmanjšanje amplitude. Točno to pomeni, da je fonon topološko trivialna motnja.

In zdaj je vklopljeno bogastvo kondenzirane snovi. V nekaterih sistemih obstajajo vzbujanja, ki ni mogoče gladko zmanjšati na nič. Fizično ni nemogoče, ampak temeljno - forma tega ne dopušča. Enostavno ni takšnega povsod gladkega delovanja, ki bi sistem z vzbujanjem preneslo v sistem z najnižjo energijo. Vzbujanje se po svoji obliki topološko razlikuje od istih fononov.

Poglejte, kako se je izkazalo. Oglejmo si preprost sistem (imenuje se XY-model) - navadno kvadratno mrežo, na vozliščih katere so delci z lastnim spinom, ki so lahko poljubno usmerjeni v tej ravnini. Hrbet bomo prikazali s puščicami; Usmerjenost puščice je poljubna, dolžina pa fiksna. Predpostavili bomo tudi, da spini sosednjih delcev medsebojno delujejo tako, da je energijsko najbolj ugodna konfiguracija, ko vsi spini na vseh vozliščih kažejo v isto smer, kot pri feromagnetu. Ta konfiguracija je prikazana na sl. 2, levo. Po njem lahko tečejo spinski valovi - majhna valovna odstopanja vrtljajev od strogega reda (slika 2, desno). Toda vse to so običajna, topološko trivialna vzbujanja.

Poglejte zdaj sl. 3. Tukaj sta prikazani dve motnji nenavadne oblike: vrtinec in antivorteks. Miselno izberite točko na sliki in se s pogledom sprehodite po krožni poti v nasprotni smeri urinega kazalca okoli središča, pri tem pa bodite pozorni na to, kaj se zgodi s puščicami. Videli boste, da se puščica vrtinca vrti v isto smer, v nasprotni smeri urinega kazalca, puščica antivorteksa pa v nasprotni smeri, v smeri urinega kazalca. Zdaj storite enako v osnovnem stanju sistema (puščica je na splošno negibna) in v stanju s spin valom (kjer puščica rahlo niha okoli povprečne vrednosti). Lahko si predstavljate tudi deformirane različice teh slik, recimo vrtilni val v obremenitvi proti vrtincu: tam bo tudi puščica naredila polni obrat in rahlo zanihala.

Po teh vajah postane jasno, da so vsa možna vzburjenja razdeljena na bistveno drugačni razredi: ali puščica naredi polni obrat, ko gre okoli središča ali ne, in če se, v katero smer. Te situacije imajo različne topologije. Nobena količina gladkih sprememb ne more spremeniti vrtinca v navaden val: če obrnete puščice, potem naglo, čez celotno mrežo hkrati in pod velikim kotom hkrati. Vrtinec, kot tudi anti-vortex, topološko zaščiten: za razliko od zvočnega valovanja se ne morejo preprosto raztopiti.

Zadnja pomembna točka. Vrtinec se topološko razlikuje od preprostega vala in od antivorteksa le, če puščice ležijo strogo v ravnini slike. Če nam je dovoljeno, da jih pripeljemo v tretjo dimenzijo, potem lahko vrtinec gladko odpravimo. Topološka klasifikacija vzbujanja je radikalno odvisna od dimenzije sistema!

Topološki fazni prehodi

Ti čisto geometrijski premisleki imajo zelo oprijemljive fizične posledice. Energija navadnega nihanja, istega fonona, je lahko poljubno majhna. Zato pri kateri koli temperaturi, ne glede na to, kako nizka je, ta nihanja nastanejo spontano in vplivajo na termodinamične lastnosti medija. Energija topološko zaščitenega vzbujanja, vrtinca, ne more biti pod določeno mejo. Zato pri nizkih temperaturah posamezni vrtinci ne nastanejo in zato ne vplivajo na termodinamične lastnosti sistema - vsaj tako se je mislilo do začetka sedemdesetih let.

Medtem se je v šestdesetih letih prejšnjega stoletja s prizadevanji številnih teoretikov razkril problem razumevanja dogajanja v modelu XY s fizikalnega vidika. V običajnem tridimenzionalnem primeru je vse preprosto in intuitivno. Pri nizkih temperaturah je sistem videti urejen, kot na sl. 2. Če vzamete dve poljubni vozlišči rešetke, tudi zelo oddaljeni, bodo vrtljaji v njih rahlo nihali okoli iste smeri. To je, relativno gledano, spin kristal. Pri visokih temperaturah se spini "stopijo": dve oddaljeni mesti rešetke nista več med seboj povezani. Obstaja jasna temperatura faznega prehoda med obema stanjema. Če temperaturo nastavite točno na to vrednost, bo sistem v posebnem kritičnem stanju, ko korelacije še obstajajo, vendar postopoma, po potenčnem zakonu, padajo z razdaljo.

V dvodimenzionalni mreži pri visokih temperaturah je tudi neurejeno stanje. Toda pri nizkih temperaturah je bilo vse videti zelo, zelo čudno. Dokazan je bil strogi izrek (glej Mermin-Wagnerjev izrek), da v dvodimenzionalni različici ni kristalnega reda. Skrbni izračuni so pokazali, da ne gre za to, da ga sploh ni, preprosto se zmanjšuje z razdaljo po potenčnem zakonu – točno tako kot v kritičnem stanju. Toda če je bilo v tridimenzionalnem primeru kritično stanje samo pri eni temperaturi, potem tukaj kritično stanje zavzema celotno območje nizkih temperatur. Izkaže se, da v dvodimenzionalnem primeru pridejo v poštev nekatera druga vzbujanja, ki jih v tridimenzionalni različici ni (slika 4)!

Spremno gradivo Nobelovega odbora opisuje več primerov topoloških pojavov v različnih kvantnih sistemih, pa tudi nedavno eksperimentalno delo za njihovo uresničitev in obete za prihodnost. Ta zgodba se konča s citatom Haldaneovega članka iz leta 1988. V njem, kot da bi se opravičeval, pravi: " Čeprav tukaj predstavljeni specifični model verjetno ne bo fizično uresničljiv, vseeno...". Revija 25 let pozneje Narava objavlja , ki poroča o eksperimentalni izvedbi Haldaneovega modela. Morda so topološko netrivialni pojavi v kondenzirani snovi ena najbolj presenetljivih potrditev neizrečenega gesla fizike kondenzirane snovi: v ustreznem sistemu bomo utelešili vsako samokonsistentno teoretično idejo, pa naj se zdi še tako eksotična.

Nobelovo nagrado za fiziko za leto 2017 bodo prejeli Američani Barry Barish, Rainer Weiss in Kip Thorne "za njihove odločilne prispevke k detektorju LIGO in opazovanju gravitacijskih valov", piše na spletni strani nagrade.

O prostorsko-časovnih motnjah zaradi združitve para črnih lukenj je 14. septembra 2015 prvič poročalo sodelovanje LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) o odkritju.

Do danes so bili zaznani štirje signali združitve črnih lukenj, najnovejše odkritje LIGO v sodelovanju z observatorijem Virgo. Obstoj gravitacijskih valov je ena od napovedi splošne teorije relativnosti. Njuno odkritje ne le potrjuje slednje, ampak velja tudi za enega od dokazov o obstoju črnih lukenj.

Sredi sedemdesetih let 20. stoletja je Weiss (Massachusetts Institute of Technology) analiziral možne vire hrupa v ozadju, ki bi popačil rezultate meritev, in tudi predlagal zasnovo laserskega interferometra, potrebnega za to. Weiss in Thorne (Caltech) sta glavna arhitekta ustvarjanja LIGO, Barish (Caltech) pa je bil glavni raziskovalec LIGO od leta 1994 do 2005, med gradnjo in začetnim delovanjem observatorija.

Po tradiciji bo uradna podelitev v Stockholmu (Švedska) 10. decembra 2017, na dan smrti. Nagrado bo nagrajencem izročil švedski kralj Carl XVI. Gustav.

Denarna nagrada za leto 2017 je znašala 9 milijonov SEK (1,12 milijona USD) za vse dobitnike nagrad iz fizike. Weiss bo prejel polovico bonusa, drugo polovico bosta enakomerno razdelila Barish in Thorne. Povečanje višine nagrade, ki običajno znaša okoli milijon dolarjev (v letu 2016 na primer 8 milijonov švedskih kron ali približno 953 tisoč dolarjev), je prišlo zaradi krepitve finančne moči sklada.

Sorodni materiali

Nobelovo nagrado za fiziko podeljuje Kraljeva švedska zveza. Prav tako izbira nagrajence izmed kandidatov, ki jih predlagajo specializirane komisije.

Dan prej, 2. oktobra, so Nobelovi nagrajenci za medicino ali fiziologijo 2017 postali Jeffrey Hall, Michael Rozbash in Michael Young "za odkritja molekularnih mehanizmov, ki nadzorujejo cirkadiani ritem."

Leta 2016 nagrado za fiziko in »za teoretična odkritja topoloških faznih prehodov in topoloških faz snovi«.

Zadnji ruski znanstvenik, ki je prejel Nobelovo nagrado, je teoretični fizik iz Fizikalni inštitut Ruska akademija znanosti (FIAN), ki ga je prejel leta 2003 za izgradnjo fenomenološke teorije superprevodnosti. Skupaj z njim sta nagrado prejela sovjetsko-ameriški znanstvenik (pred pol leta) in britansko-ameriški fizik Anthony Leggett za študij superfluidnih tekočin.

Leta 2010 so diplomanti moskovskega Inštitut za fiziko in tehnologijo in bivši zaposleni Dobitniki RAS in Nobelove nagrade za fiziko za raziskave grafena, dvodimenzionalne modifikacije ogljika. V času prejema nagrade sta delala na Univerzi v Manchestru (UK).

Celotno naše razumevanje procesov, ki se dogajajo v vesolju, ideje o njegovi strukturi so se oblikovale na podlagi preučevanja elektromagnetnega sevanja, z drugimi besedami, fotonov vseh možnih energij, ki dosežejo naše naprave iz globin vesolja. Toda fotonska opazovanja imajo svoje omejitve: elektromagnetni valovi, tudi najbolj visoke energije nas ne dosežejo iz preveč oddaljenih območij vesolja.

Obstajajo še druge oblike sevanja - nevtrinski tokovi in ​​gravitacijski valovi. Lahko vam povedo o stvareh, ki jih instrumenti, ki snemajo elektromagnetne valove, ne bodo nikoli videli. Da bi "videli" nevtrine in gravitacijske valove, so potrebni popolnoma novi instrumenti. Za ustvarjanje detektorja gravitacijskih valov in eksperimentalni dokaz Njihov obstoj so letos trije ameriški fiziki - Rainer Weiss, Kip Thorne in Barry Barrish - prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

Od leve proti desni: Rainer Weiss, Barry Barrish in Kip Thorne.

Predviden je obstoj gravitacijskih valov splošna teorija relativnost in jo je leta 1915 napovedal Einstein. Nastanejo, ko zelo masivni predmeti trčijo drug ob drugega in ustvarjajo motnje v prostoru-času ter se s svetlobno hitrostjo razhajajo v vse smeri od točke izvora.

Tudi če je dogodek, ki je valovanje ustvaril, ogromen – na primer trk dveh črnih lukenj – je učinek, ki ga ima valovanje na prostor-čas, izjemno majhen, zato ga je težko registrirati, kar zahteva zelo občutljive instrumente. Sam Einstein je verjel, da gravitacijski val, ki prehaja skozi snov, nanjo vpliva tako malo, da ga ni mogoče opazovati. Res je, da je dejanski učinek, ki ga ima valovanje na snov, precej težko zajeti, posredne učinke pa je mogoče zabeležiti. Prav to sta leta 1974 storila ameriška astrofizika Joseph Taylor in Russell Hulse, ki sta izmerila sevanje zvezde dvojnega pulzarja PSR 1913+16 in dokazala, da je odstopanje njegove pulzacijske dobe od izračunane razloženo z izgubo energije. odnese gravitacijski val. Za to so leta 1993 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

14. septembra 2015 je LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, prvič neposredno zaznal gravitacijski val. Ko je val dosegel Zemljo, je bil zelo šibak, a že ta šibek signal je pomenil revolucijo v fiziki. Da bi to omogočili, je bilo potrebno delo več tisoč znanstvenikov iz dvajsetih držav, ki so zgradili LIGO.

Preverjanje rezultatov petnajstega leta je trajalo več mesecev, zato so bili javno objavljeni šele februarja 2016. Poleg glavnega odkritja - potrditve obstoja gravitacijskih valov - se je v rezultatih skrivalo še več: prvi dokaz o obstoju črnih lukenj s povprečno maso (20−60 sončnih) in prvi dokaz, da se te lahko združijo. .

Gravitacijski val je potreboval več kot milijardo let, da je dosegel Zemljo. Daleč stran, onstran naše galaksije, sta dve črni luknji trčili ena v drugo, minilo je 1,3 milijarde let - in LIGO nam je povedal o tem dogodku.

Energija gravitacijskega valovanja je ogromna, amplituda pa neverjetno majhna. Občutek je kot merjenje razdalje do oddaljene zvezde z natančnostjo desetink milimetra. LIGO je tega sposoben. Weiss je razvil koncept: že v 70. letih je izračunal, kateri zemeljski pojavi bi lahko izkrivili rezultate opazovanj in kako se jih znebiti. LIGO sestavljata dva observatorija, razdalja med katerima je 3002 kilometra. Gravitacijski val prepotuje to razdaljo v 7 milisekundah, tako da dva interferometra izboljšata odčitke drug drugega, ko val prehaja.

Dva observatorija LIGO, v Livingstonu (Louisiana) in Hanfordu (zvezna država Washington), se nahajata 3002 km drug od drugega.

Vsak observatorij ima dva štirikilometrska rokava, ki izhajata iz iste točke pravokotno drug na drugega. V notranjosti imajo skoraj popoln vakuum. Na začetku in koncu vsakega ramena - kompleksen sistem ogledala Gravitacijski val, ki gre skozi naš planet, rahlo stisne prostor, kjer je položena ena roka, in raztegne drugo (brez vala je dolžina krakov popolnoma enaka). Laserski žarek se izstreli iz križišča ramen, se razcepi na dvoje in se odbije na ogledalih; Ko pretečeta svojo razdaljo, se žarka srečata na križišču. Če se to zgodi hkrati, potem je prostor-čas miren. In če je eden od žarkov rabil dlje, da je šel skozi ramo kot drugi, to pomeni, da je gravitacijski val podaljšal svojo pot in skrajšal pot drugega žarka.

Shema delovanja observatorija LIGO.

LIGO je razvil Weiss (in seveda njegovi sodelavci), Kip Thorne - vodilni svetovni strokovnjak za teorijo relativnosti - je opravil teoretične izračune, Barry Barish se je pridružil ekipi LIGO leta 1994 in spremenil majhno - le 40 ljudi - skupine entuziastov v veliko mednarodno sodelovanje LIGO/VIRGO, je zahvaljujoč dobro usklajenemu delu udeležencev omogočil temeljni eksperiment, izveden dvajset let kasneje.

Delo na detektorjih gravitacijskih valov se nadaljuje. Prvemu zabeleženemu valu so sledili drugi, tretji in četrti; slednjega niso »ujeli« le detektorji LIGO, temveč tudi nedavno predstavljeni evropski VIRGO. Četrti gravitacijski val se za razliko od prejšnjih treh ni rodil v absolutni temi (zaradi združitve črnih lukenj), temveč s popolno osvetlitvijo - med eksplozijo nevtronske zvezde; Vesoljski in zemeljski teleskopi so zaznali tudi optični vir sevanja na območju, od koder prihaja gravitacijski val.