Последни изобретения във физиката Нобелова награда. Нобеловата награда за физика ще бъде присъдена за гравитационни вълни. Лирично въведение във физиката на кондензираната материя

В средства средства за масова информацияВ навечерието на обявяването на лауреатите за 2017 г. се обсъждаха различни кандидати, като тези, които в крайна сметка получиха наградата, бяха сред фаворитите.

Бари Бариш е водещ експерт по гравитационни вълни и един от ръководителите на Обсерваторията за гравитационни вълни с лазерен интерферометър (LIGO, разположена в САЩ).

А Райнер Вайс и Кип Торн стояха в началото на този проект и продължават да работят в LIGO.

Медиите смятат също така за силен кандидат за медиите британката Никола Спалдин, която дълго време е работила като изследовател по теория на материалите в Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих. На нея се приписва откриването на мултифероикс, материал с уникална комбинация от електрически и магнитни свойства, които съществуват едновременно. Това прави материалите идеални за изграждане на бързи и енергийно ефективни компютри.

Тази година чуждестранни медии също посочиха руски учени сред възможните кандидати за Нобелова награда.

По-специално в пресата се споменава името на астрофизика, академик на Руската академия на науките Рашид Суняев, който е директор на Института по астрофизика на обществото Макс Планк в Гархинг (Германия).

Както знаете, редица местни учени преди това са станали носители на Нобелова награда по физика. През 1958 г. я получават трима съветски учени - Павел Черенков, Иля Франк и Игор Там; през 1962 г. - Лев Ландау, а през 1964 г. - Николай Басов и Александър Прохоров. През 1978 г. Пьотр Капица става носител на Нобелова награда по физика. През 2000 г. наградата е присъдена на руския учен Жорес Алферов, а през 2003 г. – на Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург. През 2010 г. наградата отиде при Андрей Гейм и Константин Новоселов, които работят на Запад.

Общо от 1901 г. до 2016 г. Нобеловата награда за физика е била присъдена 110 пъти, като само в 47 случая наградата е била присъдена на един лауреат, в други случаи е била разделена между няколко учени. Така през последните 115 години наградата са получили 203 души - включително американският учен Джон Бардийн, станал Нобелов лауреатпо физика два пъти – единственият в историята на наградата. За първи път получава наградата заедно с Уилям Брадфорд Шокли и Уолтър Братейн през 1956 г. А през 1972 г. Бардийн е награден за втори път – за фундаменталната теория на конвенционалните свръхпроводници, заедно с Леон Нийл Купър и Джон Робърт Шрифър.

Сред дветеста носители на Нобелова награда по физика имаше само две жени. Една от тях, Мария Кюри, освен физическата награда през 1903 г., получава и Нобелова награда за химия през 1911 г. Другата беше Мария Гьоперт-Майер, която беше наградена заедно с Ханс Йенсен през 1963 г. „за техните открития относно структурата на черупката на ядрото“.

Най-често Нобеловата награда се присъжда на изследователи в областта на физиката на елементарните частици.

Средната възраст на носителите на Нобелова награда по физика е 55 години. Най-младият победител в тази категория е 25-годишният Лорънс Браг от Австралия, който сподели наградата през 1915 г. с баща си Уилям Хенри Браг за техния принос в изследването на кристалите с помощта на рентгенови лъчи. Най-възрастният остава 88-годишният Реймънд Дейвис младши, който беше награден през 2002 г. "за създаването на неутрино астрономия". Между другото, Нобеловата награда за физика беше споделена не само от бащата и сина на Браги, но и от съпрузите Мария и Пол Кюри. AT различно времебащи и синове стават лауреати - Нилс Бор (1922) и неговият син Ааге Бор (1975), Мане Сигбан (1924) и Кай М. Сигбан (1981), Джей Джей Томсън (1906) и Джордж Паджет Томсън (1937).

Авторско право на изображението Getty ImagesНадпис на изображението Всички Нобелови медали имат изображение на Алфред Нобел на лицевата страна.

"... и една част ще отиде при този, който направи най-важното откритие или изобретение в областта на физиката..."

От завещанието на Алфред Нобел.

Физиката е първата област на науката, спомената в завещанието на Нобел. В края на 19 век се смяташе, че физиката е най-важната наука, благодарение на която човечеството ще може да направи колосален скок напред. Възможно е Алфред Нобел да е споделял това мнение. Освен това собствените му научни изследвания също са свързани с физиката.

В завещанието си Нобел уточнява, че наградата по физика трябва да бъде присъдена от Кралската шведска академия на науките.

Нобелова награда по физика в числа

награди по физика от 1901 до 2014 г

47 награди са присъдени само на един човек

2 жени лауреати

Най-младият лауреат е на 25 години

55 години - средна възрастлауреат в деня на награждаването

Нобелов комитет

Основан е през 1739 г. Днес тя се състои от 440 шведски и 175 чуждестранни учени. Академията назначава членове на Нобеловия комитет за срок от три години.

Кои области са спечелили най-много Нобелови награди по физика?

Физиката може би е претърпяла най-драматичната промяна в историята на Нобеловите награди.

Член на Нобеловия комитет по физика, шведският учен Ерик Карлсон отбеляза, че тази наука е преминала от класическата механика на 19-ти век до квантовата механика през 20-ти, тя се занимава с всичко - от структурата и природата на елементарните частици до изучаването на законите, управляващи космоса, неговите интереси включват такива свойства на материята, като свръхтечност и свръхпроводимост, съвременните технологии са невъзможни без него.

„Повечето от фундаменталните идеи, лежащи в основата на процеса на разбиране на света, са предложени или изучавани от Нобелови лауреати по физика“, каза Карлсън.

Най-много награди по физика са присъдени за изследвания върху елементарни частици (34), по ядрена физика (28), физика на кондензираната материя (28) и квантова механика (11).

Най-известният Нобелов лауреат за всички времена, дисциплини и народи е Алберт Айнщайн. През 1921 г. получава Нобелова наградапо физика - както беше казано, "За заслуги в областта на теоретичната физика и по-специално за откриването на фотоелектричния ефект."

Медал по физика

Всички Нобелови медали имат изображение на Алфред Нобел на лицевата страна и алегория на съответната научна дисциплина на обратната страна.

На медала по физика е изсечен алегоричен образ на природата под формата на богиня, издигаща се от облаците. В ръцете й е рог на изобилието. Лицето й е покрито с воал, който се повдига от алегорията на Науката.

Надписът на латински гласи: "Inventas vitam juvat excoluisse per artes". Този ред е взет от поемата на Вергилий "Енеида" и грубо преведен звучи по следния начин: "И тези, които са подобрили живота на Земята с новооткритото си умение."

Медалът е дело на шведския скулптор Ерик Линдберг.

В Съветския съюз най-много са носителите на Нобелова награда по физика - 11 души, сред които Лев Ландау, Пьотър Капица, Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург.

Райнер Вайс, Бари Бариш и Кип Торн

Кралската шведска академия на науките обяви носителите на Нобеловата награда за физика за 2017 г. Наградата ще бъде присъдена на Райнер Вайс (половин награда), Бари Бариш и Кип Торн с формулировката „за решаващ принос към детектора LIGO и за наблюдението на гравитационните вълни“. Официалното връчване на наградите и медалите ще се състои през декември след традиционни лекции. Обявяването на победителя беше излъчено на живо на сайта на Нобеловия комитет.

Вайс, Торн и Бариш са считани за най-вероятните кандидати за Нобелова награда за физика от 2016 г., когато сътрудничеството на LIGO и VIRGO откри гравитационни вълни от сливането на две черни дупки.

Райнер Вайс изигра ключова роля в разработването на детектора, огромен интерферометър с изключително ниски нива на шум. Физикът започва съответната работа още през 70-те години на миналия век, създавайки малки прототипни системи в Масачузетския технологичен институт. Няколко години по-късно прототипи на интерферометри са създадени в Калтек под ръководството на Кип Торн. По-късно физиците обединиха усилията си.

Диаграма на гравитационната обсерватория LIGO

Бари Бариш превърна малко сътрудничество между MIT и Caltech в огромен международен проект - LIGO. Ученият ръководи развитието на проекта и създаването на детектори от средата на 90-те години на миналия век.

LIGO са две гравитационни обсерватории, разположени на 3000 километра една от друга. Всеки от тях е L-образен интерферометър на Майкелсън. Състои се от две 4-километрови евакуирани оптични рамена. Лазерният лъч се разделя на два компонента, които преминават през тръбите, отразяват се от краищата им и отново се комбинират. Ако дължината на ръката се е променила, характерът на интерференцията между лъчите се променя, което се фиксира от детекторите. Голямото разстояние между обсерваториите дава възможност да се види разликата във времето на пристигане на гравитационните вълни - от предположението, че последните се разпространяват със скоростта на светлината, разликата във времето на пристигане достига 10 милисекунди.

Два детектора LIGO

Можете да прочетете повече за астрономията на гравитационните вълни и нейното бъдеще в нашия материал "".

През 2017 г. размерът на Нобеловата награда беше увеличен с един милион шведски крони - с 12,5 процента наведнъж. Сега тя е 9 милиона крони или 64 милиона рубли.

Носителите на Нобелова награда за физика за 2016 г. са теоретиците Дънкан Халдейн, Дейвид Таулес и Майкъл Костерлиц. Тези явления включват например целочислен ефект на Хол: тънък слой от вещество променя съпротивлението си постепенно с увеличаване на приложената към него индукция. магнитно поле. В допълнение, теорията помага да се опише свръхпроводимостта, свръхфлуидността и магнитното подреждане в тънки слоеве от материали. Интересно е, че основата на теорията е положена от съветския физик Вадим Березински, но, уви, той не доживява да види наградата. Можете да прочетете повече за това в нашия материал "".

Владимир Королев

С формулировката " за теоретични открития на топологични фазови преходи и топологични фази на материята". Зад тази фраза, донякъде неясна и неразбираема за широката публика, се крие цял свят от ефекти, нетривиални и изненадващи дори за самите физици, в чието теоретично откритие лауреатите изиграха ключова роля през 70-те и 80-те години на миналия век. Разбира се, те не бяха единствените, които тогава осъзнаха важността на топологията във физиката. Така съветският физик Вадим Березински, една година преди Костерлиц и Таулес, всъщност направи първата важна стъпка към топологичните фазови преходи. Много други имена също могат да бъдат поставени до името на Халдейн. Но както и да е, и тримата лауреати със сигурност са емблематични фигури в този клон на физиката.

Лирично въведение във физиката на кондензираната материя

Да се ​​обясни с достъпни думи същността и значението на трудовете, за които е присъдена Нобеловата награда за физика 2016 г., не е лесна задача. Не само, че самите явления са сложни и освен това са квантови, те са и разнообразни. Наградата се присъжда не за едно конкретно откритие, а за цял списък от пионерски разработки, които стимулират развитието на ново направление във физиката на кондензираната материя през 70-те и 80-те години на миналия век. В тази новина ще се опитам да постигна по-скромна цел: да обясня с няколко примера същностза това какво е топологичен фазов преход и предават усещането, че това е наистина красив и важен физически ефект. Историята ще бъде само за половината от наградата, тази, в която Костерлиц и Таулес се доказаха. Работата на Халдейн е също толкова завладяваща, но още по-малко графична и ще отнеме доста дълга история, за да я обясним.

Нека започнем с кратко въведение в най-феноменалния клон на физиката - физиката на кондензираната материя.

Кондензирана среда е, на ежедневен език, когато много частици от един и същи тип се събират и силно си влияят. Почти всяка дума тук е ключова. Самите частици и законът за взаимодействие между тях трябва да са от един и същи тип. Можете да вземете няколко различни атома, моля, но основното е, че този фиксиран набор се повтаря отново и отново. Трябва да има много частици; дузина или две все още не е кондензирана среда. И накрая, те трябва да си влияят силно: да се бутат, дърпат, да си пречат, може би да обменят нещо помежду си. Разреденият газ не се счита за кондензирана среда.

Основното разкритие на физиката на кондензираната материя: с толкова прости "правила на играта" тя разкри безкрайно богатство от явления и ефекти. Такова разнообразие от явления изобщо не възниква поради пъстрия състав - частиците са от един и същи вид - а спонтанно, динамично, в резултат на колективни ефекти. Всъщност, тъй като взаимодействието е силно, няма смисъл да се разглежда движението на всеки отделен атом или електрон, защото то незабавно влияе върху поведението на всички най-близки съседи и може би дори на далечни частици. Когато четете книга, тя ви "говори" не в разпръснати отделни букви, а в набор от думи, свързани помежду си, тя ви предава мисъл под формата на "колективен ефект" от букви. По същия начин кондензираната среда "говори" на езика на синхронните колективни движения, а не на отделните частици. И тези колективни движения, оказва се, имат огромно разнообразие.

Настоящата Нобелова награда признава работата на теоретиците по дешифрирането на друг „език“, на който кондензираната материя може да „говори“ – езикът топологично нетривиални възбуждания(какво е - точно по-долу). Вече са открити доста конкретни физически системи, в които възникват такива възбуди, и лауреатите са имали пръст в много от тях. Но най-важното тук е конкретни примери, но самият факт, че това се случва и в природата.

Много топологични явления в кондензираната материя бяха измислени за първи път от теоретици и изглеждаха просто математическа шега, която не е свързана с нашия свят. Но тогава експериментаторите откриха реална среда, в която се наблюдават тези явления - и една математическа шега внезапно даде началото на нов клас материали с екзотични свойства. Експерименталната страна на този клон на физиката сега е във възход и това бързо развитие ще продължи и в бъдеще, обещавайки ни нови материали с програмирани свойства и устройства, базирани на тях.

Топологични възбуждания

Нека първо обясним думата "топологичен". Не се страхувайте, че обяснението ще прозвучи като чиста математика; връзката с физиката ще се появи по пътя.

Има такъв клон на математиката - геометрията, науката за фигурите. Ако формата на фигурата е плавно деформирана, тогава от гледна точка на обикновената геометрия самата фигура се променя. Но цифрите имат Основни характеристики, които остават непроменени при плавно деформиране, без счупвания и залепвания. Това е топологичната характеристика на фигурата. Най-известният пример за топологична характеристика е броят на дупките в триизмерно тяло. Чаша за чай и багел са топологично еквивалентни, и двете имат точно една дупка и следователно една фигура може да се превърне в друга чрез плавна деформация. Чашата и чашата са топологично различни, защото чашата няма дупки. За да консолидирам материала, предлагам да се запознаете с отличната топологична класификация на дамските бански костюми.

И така, заключението е: всичко, което може да бъде сведено едно до друго чрез гладка деформация, се счита за топологично еквивалентно. Две фигури, които не могат да се трансформират една в друга чрез плавни промени, се считат за топологично различни.

Втората дума за обяснение е "вълнение". Във физиката на кондензираната материя възбуждане е всяко колективно отклонение от „мъртво“ стационарно състояние, тоест от състояние с най-ниска енергия. Например, ударен е кристал, по него е преминала звукова вълна - това е осцилаторно възбуждане на кристалната решетка. Възбудите не трябва да бъдат принудени, те могат да възникнат спонтанно поради ненулева температура. Обичайното термично трептене на кристална решетка е всъщност много вибрационни възбуждания (фонони) с различни дължини на вълните, насложени една върху друга. Когато концентрацията на фонони е висока, настъпва фазов преход, кристалът се топи. Като цяло, веднага щом разберем по отношение на кои възбуждания трябва да се опише дадено кондензирано вещество, ще имаме представа за неговите термодинамични и други свойства.

Сега нека съчетаем две думи. Звуковата вълна е пример за топологично тривиаленвъзбуда. Това звучи умно, но във физическата си същност просто означава, че звукът може да бъде направен толкова тих, колкото желаете, до пълно изчезване. Силен звук - вибрациите на атомите са силни, тихият звук - слаб. Амплитудата на трептенията може плавно да се намали до нула (по-точно до квантовата граница, но тук това не е от съществено значение) и все пак ще бъде звуково възбуждане, фонон. Обърнете внимание на ключовия математически факт: има операция за плавна промяна на трептенията до нула - това е просто намаляване на амплитудата. Точно това означава, че фононът е топологично тривиално смущение.

И сега богатството от кондензирана материя е включено. В някои системи има възбуждания, които не може постепенно да се намали до нула. Не физически невъзможно, но фундаментално - формата не позволява. Просто няма плавна работа навсякъде, която да отведе възбудена система в система с най-ниска енергия. Възбуждането по своята форма е топологично различно от същите фонони.

Вижте как ще се получи. Нека разгледаме проста система (нарича се XY-модел) - обикновена квадратна решетка, във възлите на която има частици със собствен спин, които могат да бъдат ориентирани произволно в тази равнина. Ще изобразим гърбовете със стрелки; ориентацията на стрелката е произволна, но дължината е фиксирана. Ще приемем също, че завъртанията на съседни частици взаимодействат помежду си по такъв начин, че най-благоприятната от енергийна гледна точка конфигурация е, когато всички завъртания във всички възли сочат в една и съща посока, както при феромагнетик. Тази конфигурация на дисплея на фиг. 2, вляво. По него могат да протичат спинови вълни - малки вълнообразни отклонения на спиновете от строгия ред (фиг. 2, вдясно). Но всичко това са обикновени, топологично тривиални възбуждания.

Сега погледнете фиг. 3. Тук са показани две смущения с необичайна форма: вихър и антивихър. Мислено изберете точка от картината и следвайте кръговата пътека обратно на часовниковата стрелка около центъра, като внимавате какво се случва със стрелките. Ще видите, че за вихъра стрелката се върти в същата посока, обратно на часовниковата стрелка, а за антивихъра, в обратната посока, по часовниковата стрелка. Сега направете същото в основното състояние на системата (стрелката обикновено е неподвижна) и в състоянието със спинова вълна (стрелката леко се люлее около средната стойност там). Можете също така да си представите деформирани версии на тези картини, да речем, въртяща се вълна в товара към вихъра: там стрелката също ще направи пълен завой, леко поклащайки се.

След тези упражнения става ясно, че всички възможни възбуди са разделени на коренно различни класове: дали стрелката прави пълен завой, когато обикаля центъра или не, и ако да, в каква посока. Тези ситуации имат различни топологии. Никакви плавни промени не могат да превърнат вихъра в обикновена вълна: ако завъртите стрелките, след това скочете веднага върху цялата мрежа и веднага под голям ъгъл. Вихър, както и антивихър, топологично защитени: те, за разлика от звуковата вълна, не могат просто така да се разтворят.

Последната важна точка. Топологично вихърът се различава от обикновена вълна и от антивихър само ако стрелките лежат строго в равнината на фигурата. Ако ни бъде позволено да ги пренесем в третото измерение, тогава вихърът може да бъде гладко елиминиран. Топологичната класификация на възбужданията коренно зависи от размерността на системата!

Топологични фазови преходи

Тези чисто геометрични съображения имат доста осезаемо физическо следствие. Енергията на обикновена вибрация, същият фонон, може да бъде произволно малка. Следователно при произволно ниска температура тези трептения възникват спонтанно и влияят на термодинамичните свойства на средата. Енергията на топологично защитено възбуждане, вихър, не може да бъде под определена граница. Следователно, когато ниски температуриотделни вихри не възникват и следователно не влияят на термодинамичните свойства на системата - поне това се смяташе до началото на 70-те години.

Междувременно през 60-те години на миналия век усилията на много теоретици разкриха проблема за разбирането на случващото се в модела XY от физическа гледна точка. В обичайния триизмерен случай всичко е просто и интуитивно. При ниски температури системата изглежда подредена, както на фиг. 2. Ако вземем две произволни места на решетката, дори и да са много отдалечени, тогава спиновете в тях леко ще осцилират около една и съща посока. Това е, относително казано, спинов кристал. При високи температури завъртанията се "топят": две отдалечени места на решетката вече не са свързани помежду си. Има ясна температура на фазов преход между две състояния. Ако зададете температурата точно на тази стойност, тогава системата ще бъде в особено критично състояние, когато корелациите все още са налице, но постепенно, по степенен начин, намаляват с разстоянието.

В двумерна решетка при високи температури също има неподредено състояние. Но при ниски температури всичко изглеждаше много, много странно. Беше доказана строга теорема (вижте теоремата на Мермин-Вагнер), че няма кристален ред в двуизмерната версия. Прецизните изчисления показаха, че той не липсва напълно, а просто намалява с разстоянието по степенен закон - точно както в критично състояние. Но ако в триизмерния случай критичното състояние е само при една температура, то тук критичното състояние заема цялата нискотемпературна област. Оказва се, че в двумерния случай влизат в действие някои други възбуждания, които не съществуват в тримерния вариант (фиг. 4)!

В придружаващите материали на Нобеловия комитет се говори за няколко примера за топологични явления в различни квантови системи, както и за скорошна експериментална работа по тяхното прилагане и бъдещи перспективи. Историята завършва с цитат от статията на Халдейн от 1988 г. В него, сякаш се оправдава, той казва: Макар и представени тук специфичен моделвсе пак трудно физически осъществимо...". Списание 25 години по-късно Природатапубликува експериментална реализация на модела на Халдейн. Може би топологично нетривиалните явления в кондензираната материя са едно от най-ярките потвърждения на негласното мото на физиката на кондензираната материя: в подходяща система ние ще въплътим всяка самосъгласувана теоретична идея, без значение колко екзотична може да изглежда.

Химикът, инженерът и изобретателят Алфред Нобел натрупа богатството си главно чрез изобретяването на динамита и други експлозиви. По едно време Нобел стана един от най-богатите на планетата.

Общо Нобел притежава 355 изобретения.

В същото време славата, на която се радваше ученият, не може да се нарече добра. През 1888 г. брат му Лудвиг умира. Но по погрешка журналистите писаха във вестниците за самия Алфред Нобел. Така един ден той прочете собствения си некролог в пресата, озаглавен „Търговецът на смърт е мъртъв“. Тази случка накара изобретателя да се замисли каква памет ще остане в бъдещите поколения. И Алфред Нобел промени завещанието си.

Новото завещание на Алфред Нобел обиди роднините на изобретателя, които в крайна сметка останаха без нищо.

През 1897 г. на милионера е прочетено ново завещание.

Според този документ цялото движимо и недвижимо имущество на Нобел трябва да бъде превърнато в капитал, който от своя страна трябва да бъде поставен в надеждна банка. Доходът от този капитал трябва да се разделя годишно на пет равни частии да бъдат наградени под формата на учени, направили най-значимите открития в областта на физиката, химията, медицината; писатели, създали литературни произведения; а също и на онези, които са направили най-значимия принос „за сплотяването на нациите, премахването на робството или намаляването на размера на съществуващите армии и насърчаването на мирни конгреси“ (Награда за мир).

Първи лауреати

По традиция първата награда се присъжда в областта на медицината и физиологията. Така че първият Нобелов лауреат през 1901 г. е немският бактериолог Емил Адолф фон Беринг, който разработва ваксина срещу дифтерия.

След това лауреатът по физика получава наградата. Вилхелм Рьонтген е първият, получил тази награда за откриването на лъчите, наречени на негово име.

Първият носител на Нобелова награда за химия беше Якоб ван'т Хоф, който изследва законите на термодинамиката за различни разтвори.

Първият писател, получил тази висока чест, е Рене Съли-Прюдом.

Наградата за мир се присъжда последна. През 1901 г. тя е разделена между Жан Анри Дюнан и Фредерик Паси. Швейцарският хуманист Дюнан е основател на Международния комитет на Червения кръст (МКЧК). Французинът Фредерик Паси е лидер на движението за мир в Европа.