8 ноября 2016 
adminGWP Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2016 год стали американские ученые Дэвид Таулесс, Данкан Холдейн и Майкл Костерлиц. Столь престижной награды они удостоились “за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи”. Попытаемся разобраться,что стоит за каждым из этих терминов.
От простого к сложному
Каждый год компания Thomson Reuters публикует список фаворитов Нобелевской премии на основе цитирования научных публикаций. В этом году в списке наиболее вероятных кандидатов значились физик-теоретик Кип Торн (известный ненаучной аудитории как консультант нашумевшего фильма “Интерстеллар”) и Райнер Вайс — сооснователи подземной лаборатории LIGO, где в феврале этого года зарегистрировали гравитационные волны. Не первый год престижную награду прочат российским ученым Алексею Старобинскому из МГУ и Андрею Линде (работает в Стэнфордском университете) за разработку теории инфляционного расширения Вселенной.
В принципе, обе темы более или менее понятны для осмысления обывателем. “Интерстеллар” видели практически все и о том, как ведет себя Вселенная, слышали хотя бы краем уха. Однако мало кто способен представить себе визуально такую “абракадабру”, как топологический фазовый переход, да еще и сообразить, в чем его ценность для человечества.
Дырка от бублика
Начнем с того, что топология (имеющая корни в обычной геометрии) сама по себе наиболее странное из всех математических направлений. Изучается она в рамках физики твердого тела. Для обычного человека ее постулаты чем-то напоминают рассуждения Сумасшедшего Шляпника или Чеширского Кота из “Алисы в Стране чудес”. Например, один гласит, что нет никакой разницы между чашкой (с замкнутой ручкой) и бубликом, потому что у обоих есть одно сквозное отверстие. А вот бублик и кекс кардинально отличаются друг от друга, поскольку у кекса отверстий нет.
Топология также изучает процессы, происходящие непрерывно. Например, то, как именно кекс можно раскатать в плоский блин. Вы уже недоумеваете? Успокойтесь, это нормальная реакция…
Из твердого в жидкое
Следующая часть формулировки — “фазовый переход”. Тут, наоборот, все предельно просто, потому что с этим явлением мы сталкиваемся каждый день и не по одному разу. К примеру, кипение воды в чайнике — фазовый переход из жидкости в газ, таяние снега — из твердой материи в жидкость и так далее. Такие процессы всегда изменяют свойства исходной материи (плотность жидкой воды отличается от плотности льда). Именно из-за фазового перехода замерзшая вода, расширяясь, разносит вдребезги стеклянную бутылку — опыт, который каждый помнит из школьных уроков физики.
Нынешняя Нобелевская премия присуждена за теоретические исследования экстремальных состояний вещества, которые проявляются при низких температурах, близких к абсолютному нулю. Поскольку исследования длились не один год, параллельно физики открыли массу всякой всячины, и это уже сейчас активно используется. Например, в нанотехнологиях, робототехнике и так далее.
Помимо этого, как утверждается в сообщении Нобелевского комитета (положимся на мнение умных людей), Таулесс, Холдейн и Костерлиц “замостили” дорогу к технике будущего — пресловутым квантовым компьютерам.
Загадочный квант
Обычный компьютер работает с помощью транзисторов. Квантовый — это уже механизм на стыке компьютерных наук и самого сложного раздела теоретической физики. Поэтому учтите, что последующие объяснения упрощены до примитивизма.
Квантовая физика занимается элементарными частицами меньше атома. Кстати, то, как эти частицы устроены и как себя ведут, противоречит многим нашим представлениям о Вселенной. И на этом неподготовленному человеку можно преспокойно сломать мозги. В частности, квантовая частица может находиться в нескольких местах и нескольких состояниях одновременно. Как такое может быть?
Представьте, что вы подкинули в воздух монету: пока она находится в полете, вы не можете сказать, выпадет орел или решка. То есть монета находится в двух состояниях сразу. Это называется принципом суперпозиции, на котором и будет работать квантовый компьютер. Опять же, упрощенная до предела конечная мысль выглядит так: эти машины будут представлять собой последнюю ступень миниатюризации и обрабатывать огромные массивы данных за доли секунды.
Несмотря на амбициозные заявления специалистов, все попытки сконструировать нечто подобное не увенчались успехом. Пока наука потихоньку разбирается с отдельными принципами. На данный момент построение квантового компьютера в виде реального физического прибора — основная задача физики XXI века. Хочется надеяться, что нынешние нобелевские лауреаты этот момент приблизили.
С советской “закваской”
“Нобель” по физике с полным правом может считаться если не полностью советским, то русскоязычным как минимум из-за наибольшего количества “наших” лауреатов, а это ни много ни мало — 12 премий разных лет. Даже теоретические основы направления, в котором работают нынешние нобелевские лауреаты, заложили советские ученые. Первопроходцем, изучавшим поведение веществ при сверхнизких температурах еще в 1930-е годы, был Петр Леонидович Капица. В 1978 году ему присудили Нобелевскую премию за открытие явления сверхтекучести жидкого гелия.
“Отметились” в почетном физическом списке и мы. Иностранный член НАН, уроженец Беларуси, вице-президент РАН, академик Жорес Алферов в 2000 году получил Нобелевскую премию за открытие полупроводниковых гетероструктур. Проще говоря — за изобретение принципа сотовой связи.
КОМПЕТЕНТНО
Юрий Курочкин, заведующий центром “Теоретическая физика” Института физики имени Б.И. Степанова НАН, доктор физико-математических наук, доцент:
— Нобелевская премия, присужденная в нынешнем году группе американских ученых, дана не за изобретения нынешнего дня, а за разработки, часть которых уже внедрена в производство. И то, что человечество использует их на практике, значительно повышает ценность награды. Объяснить физику твердого тела (а именно к этой области относятся работы Дэвида Таулесса, Данкана Холдейна и Майкла Костерлица) простым языком довольно сложно. Обыватели редко задумываются, что в любом приборе, которым мы сейчас активно пользуемся в повседневной жизни, заложены принципы так называемой высокой физики. Вот и разработки нынешних нобелевских лауреатов имеют большое значение для развития различной электроники, интегральных схем. А также могут быть использованы в будущем. В частности, и для создания пресловутых квантовых компьютеров.
bebenina@sb.by
Заметили ошибку? Пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Автор публикации:
Ольга БЕБЕНИНА
Рубрика: