АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»

Возможность созидать. За что дали научные Нобелевские премии


Возможность созидать. За что дали научные Нобелевские премии

Открытия, удостоенные Нобелевских премий 2016 года в области физики, связаны с возможностью созидания новых сущностей — молекул, материалов. Они настолько фантастичны, что сейчас даже трудно определенно сказать, что конкретно может получиться в будущем. Но вполне возможно, что это те основы, которые перевернут наш мир в грядущем столетии.

Лауреатами Нобелевской премии 2016 года по физике стали англичанин Дункан Хэлдейн и двое шотландцев — Дэвид Тулесс и Майкл Костерлиц «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества».

Это трио физиков исследовали весьма странные явления в необычных состояниях материи, таких как сверхпроводимость и сверхтекучесть, а также двумерные пленки и одномерные нити. И чтобы объяснить, что происходит в этом странном мире, они стали использовать новый математический аппарат, а именно топологию.

Топология как раздел математики в общем случае изучает непрерывность, а в частном — свойства пространства при деформациях, но без разрывов. Нобелевский комитет, популярно излагая суть открытий, объяснил это на примере глиняного шара и готовой чашки. Из шара можно вылепить пиалу, но топологически это будут предметы одной категории. А вот если мы расплющим этот шар и продавим в нем дырку, превратив в бублик, то получим тело другой категории. Из глиняного бублика можно при известном старании, ужимая его в одном месте и растягивая в другом, вылепить чашку с ручкой. Отверстий может быть сколько угодно, но есть один закон: число отверстий обязательно целое, не может быть полторы дырки у бублика.

Так топология сочетается с квантовой физикой, ведь квант — это определенная порция энергии. И математический аппарат, применяемый в топологии, оказался весьма продуктивным как раз для изучения этого странного мира, в котором квантовые физические явления становятся доступными для наблюдений в нашем макромире.

Мы привыкли слышать из научно-популярных передач о том, что в мире атомов и элементарных частиц существуют свои удивительные законы, которые совсем не похожи на то, что мы наблюдаем вокруг себя. Причина проста — это температура, то есть хаотические движения атомов. Чем выше температура, тем атомы подвижнее. Если очень горячо, то они теряют свои электронные облака, и тогда мы говорим, что материя обрела состояние плазмы. Похолоднее — это пар или газ, когда атомы свободно летают в пространстве, не создавая ни формы, ни определенного объема.

Еще холоднее, и вот уже пар конденсируется в жидкость, когда есть определенный объем, но пока нет формы. На следующей стадии снижения энергии атомы собираются в законченные структуры — появляется твердое вещество. Но даже тогда атомы слишком сильно трепыхаются, чтобы мы могли увидеть квантовые явления.

Но вблизи так называемого абсолютного нуля, то есть минус 273°С, начинают происходить удивительные вещи. Более ста лет назад Каммерлинг Оннес обнаружил, что в проводнике, охлажденном до такой температуры, начисто исчезает электрическое сопротивление — ток может циркулировать бесконечно. За открытие явления сверхпроводимости он стал лауреатом Нобелевской премии 1913 года. А спустя два десятилетия Петр Капица обнаружил явление сверхтекучести.

Трудно поверить, но если бы на море из сверхтекучего гелия опустить лодку, она тут же потонула бы, так как сверхтекучий гелий тут же начал бы подниматься по ее бортам и заполнил ее всю. Капица получил Нобелевскую премию за это открытие в 1978 году. К слову, и Лев Ландау, занимавшийся теоретическими изысканиями в этой области, тоже стал нобелевским лауреатом — в 1962 году.

Эти странности становятся возможны, потому что вблизи абсолютного нуля колебания атомов прекращаются — и квантовые явления наконец-то проявляют свои свойства в нашем мире. Хоть и в лабораторных условиях, но их можно наблюдать.

Есть и другие удивительные процессы, которые связаны с квантовыми свойствами материи и еt перехода из одного состояния в другое. В 1983 году Дэвид Таулес, применяя топологические методы, смог объяснить природу так называемого квантового эффекта Холла, описывающего электрическую проводимость тонких проводящих слоев, которая может принимать только целые значения, увеличиваясь в два, три, четыре и так далее раз.

Ранее Дэвид Таулес и Майкл Костерлиц разрабатывали проблему фазовых переходов в Университете Бирмингема. Аналогичную работу вел в Москве и Вадим Березинский, который, к сожалению, не дожил до всеобщего признания этих революционных идей. В свою очередь, Дункан Холдейн изучал квантовые жидкости в тонких полупроводниках, также применяя топологическую математику. Его теоретические предсказания были экспериментально подтверждены в последние годы.

Все эти странные материалы в странных состояниях обещают революционный прорыв в области электроники нового поколения, включая квантовые компьютеры, и совершенно удивительной электротехники, основанной на использовании сверхпроводников.

Почтовый адрес
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1
Телефон и факс
Телефон:
+7 495 333-91-44
Факс:
+7 495 333-00-03
Интернет
E-mail:
bereg@niipolyus.ru
Skype:
niipolyus