Λίγοι εξερευνητές έχουν περάσει σε ξένους κόσμους από τους τρεις νεότερους βραβευθέντες με βραβείο Νόμπελ, οι οποίοι μόλις κέρδισαν το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Αυτοί οι εξέχοντες φυσικοί έχουν τιμηθεί για το έργο τους σε μερικές από τις πιο εξωτικές καταστάσεις της ύλης, κατανοώντας τα θεμελιώδη μυστήρια και ανοίγοντας πόρτες για τη σημερινή εποχή της εξερεύνησης και ανάπτυξης νέων υλικών όπως τα τοπολογικά μέταλλα, μονωτήρες και υπεραγωγούς.
σχετικό περιεχόμενο
- Τι παίρνει για να κερδίσει ένα βραβείο Νόμπελ; Τέσσερις νικητές, με δικά τους λόγια
Η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών απένειμε από κοινού το βραβείο με το ένα μισό να πηγαίνει στον David J. Thouless του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον και το άλλο μισό στο F. Duncan M. Haldane του Πανεπιστημίου Princeton και J. Michael Kosterlitz στο Brown University " για τις θεωρητικές ανακαλύψεις των μεταπτώσεων της τοπολογικής φάσης και των τοπολογικών φάσεων της ύλης. "Αν αυτό ακούγεται αφηρημένο για εσάς, δεν είστε μόνοι: Τα επιτεύγματα των νικητών ήταν τόσο εσωτεριστικά που ένα μέλος της επιτροπής προσπάθησε να τα επιδείξει χρησιμοποιώντας πλήθος ψωμιών για πρωινό.
Ο Thouless, ο Haldane και ο Kosterlitz δουλεύουν σε ένα σουρεαλιστικό τμήμα του φυσικού κόσμου που μπορεί να περιγραφεί ως "επίπεδες περιοχές". Αυτός ο κόσμος βρίσκεται στις επιφάνειες της ύλης ή σε στρώματα τόσο λεπτή ώστε είναι ουσιαστικά δισδιάστατα. στην πραγματικότητα, μερικά από τα έργα του Haldane επικεντρώνονται σε νήματα τόσο λεπτά ώστε είναι βασικά μονοδιάστατα. Εδώ, η ύλη παίρνει μερικές από τις πιο περίεργες μορφές της.
Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970 και του 1980, οι επιστήμονες αποκάλυψαν μυστικά των περίεργων μορφών που βρέθηκαν σε αυτόν τον τομέα, συμπεριλαμβανομένων υπεραγωγών, υπερρευσμάτων και λεπτών μαγνητικών ταινιών. Σήμερα το πρωί, ο φυσικός του πανεπιστημίου της Στοκχόλμης Thors Hans Hansson, μέλος της Nόμπελ Επιτροπής Φυσικής, εξήγησε την κομψή μαθηματική αντίληψη που χρησιμοποίησαν για τις βραβευμένες ανακαλύψεις χρησιμοποιώντας ένα κανέλα κανέλας, μια ζακέτα και ένα κουλουράκι.
Η τοπολογία είναι ένα σύστημα μαθηματικών που επικεντρώνεται σε ιδιότητες που αλλάζουν μόνο με καλά καθορισμένες αυξήσεις. Στο δείγμα φαγητού πρωινού του Hansson, το σημαντικό είναι ότι το κουλούρι δεν έχει τρύπα, το bagel έχει μια τρύπα και το pretzel έχει δύο τρύπες. "Ο αριθμός των τρυπών είναι αυτό που ο τοπολόγος θα ονομάσει τοπολογική αναλλοίωτη", εξήγησε ο Hansson στη συνέντευξη Τύπου. "Δεν μπορείτε να έχετε μισή τρύπα, ή δύο και δύο τρίτα μιας τρύπας. Μια τοπολογική αμετάβλητη μπορεί να έχει μόνο ακέραιους αριθμούς. "
Αποδεικνύεται ότι πολλές πτυχές της εξωτικής ύλης, επίσης, τηρούν αυτή την έννοια μιας τρύπας, δύο οπών.
Το 1982, ο Thouless χρησιμοποίησε αυτή την ιδέα για να εξηγήσει το μυστηριώδες κβαντικό φαινόμενο Hall της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Μέσα σε ένα λεπτό στρώμα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και σε ένα υψηλό μαγνητικό πεδίο, η ηλεκτρική αγωγιμότητα βρέθηκε να κατασκευάζει μονάδες που θα μπορούσαν να μετρηθούν με ακρίβεια: πρώτα τίποτα, τότε μία μονάδα και δύο μονάδες. Ο Thouless απέδειξε ότι τα βήματα αυτού του αποτελέσματος μπορούν να εξηγηθούν από μια τοπολογική αμετάβλητη. Λειτουργούσε με πολλαπλάσια ενός ακέραιου αριθμού, όπως και οι αδιαίρετοι αριθμοί τρυπών στο παράδειγμα φαγητού πρωινού.
Το 1988, ο Duncan Haldane έσπρωξε αυτή τη γραμμή έρευνας σε ένα νέο σύνορο, ανακαλύπτοντας ότι τα λεπτά στρώματα ημιαγωγών μπορούν να φιλοξενήσουν το φαινόμενο της κβαντικής Hall ακόμη και χωρίς μαγνητικό πεδίο.
Οι έρευνες των ερευνητών αποκάλυψαν επίσης νέες φάσεις της ύλης που μπορούν να παρατηρηθούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 ° C). Το 1983, ο Haldane αποκάλυψε ένα σύνολο μαγνητικών ατόμων σε μια αλυσίδα - τον πρώτο τύπο νέας τοπολογικής ύλης που ανακαλύφθηκε ποτέ. Αυτό το κατόρθωμα ξεκίνησε μια τρέχουσα κούρσα για να ανακαλύψει νέες τοπολογικές φάσεις της ύλης που είναι κρυμμένες μέσα σε στρώματα, αλυσίδες και συνηθισμένα τρισδιάστατα υλικά.
Αυτές οι ανακαλύψεις μπορεί σήμερα να θεωρηθούν αφηρημένες ή εξωτικές, αλλά θα μπορούσαν μια μέρα να ανοίξουν το δρόμο για την ανακάλυψη απαραίτητων, κοινών υλικών, λέει ο Hansson. "Αυτό που είναι εξωτικό για εμάς τώρα δεν μπορεί να είναι τόσο εξωτικό σε 20 ή 30 χρόνια", δήλωσε στην δημοσιογράφο Joanna Rose στιγμές μετά την ανακοίνωση. "Η ηλεκτρική ενέργεια ήταν πολύ εξωτική όταν πρωτοεμφανίστηκε και δεν είναι πλέον τόσο εξωτική".
Η τοπολογία έχει ανανεώσει την παραδοσιακή μας κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι αλλαγές της ύλης δηλώνουν. Γενικά, μια αλλαγή φάσης συμβαίνει όταν αλλάζει η θερμοκρασία, δηλαδή όταν το νερό παγώσει. Αλλά σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, οι γνωστές καταστάσεις της ύλης-αέρια, υγρά και στερεά - δίνουν τη θέση τους σε παράξενες νέες φάσεις και συμπεριφορές. Τα ηλεκτρικά ρεύματα μπορούν να ρεύσουν χωρίς αντίσταση, επιτρέποντας τον υπεραγωγό. Νέες φάσεις του υλικού όπως οι υπερρευστοί (για τους οποίους η ρωσική Πιότρ Καπίτσα κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1978) μπορούν να γυρίσουν σε δίνες που ποτέ δεν επιβραδύνουν.
Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970, οι Thouless και Kosterlitz ανακάλυψαν έναν εντελώς νέο τρόπο με τον οποίο η ύλη μπορεί να μετακινηθεί από το ένα κράτος στο άλλο σε αυτή την παράξενη περιοχή - μια τοπολογική μετάβαση που οδηγείται από μικρές στροβίλους, όπως οι μικροσκοπικοί ανεμοστρόβιλοι μέσα στο επίπεδο υλικό. Σε χαμηλές θερμοκρασίες οι δίνες σχηματίζουν ζεύγη, τα οποία στη συνέχεια ξεχωρίζουν ξαφνικά το ένα από το άλλο για να σπινάρουν μόνοι τους όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει σε ένα σημείο μετάβασης.
Αυτή η μετάβαση, που ονομάστηκε "μετάβαση του KT", έγινε ένα επαναστατικό εργαλείο που επέτρεψε στους επιστήμονες να μελετήσουν τη συμπυκνωμένη ύλη, την ατομική φυσική και τη στατιστική μηχανική.
Όταν τηλεφώνησε από την Ακαδημία, ο Haldane δήλωσε έκπληκτος και ικανοποιημένος από την τιμή. "Αυτή η δουλειά ήταν πολύ καιρό πριν, αλλά τώρα είναι ότι πολλές τεράστιες νέες ανακαλύψεις που βασίζονται σε αυτό το πρωτότυπο έργο ... συμβαίνουν τώρα", είπε. Ο Hansson επανέλαβε αυτές τις σκέψεις, σημειώνοντας ότι οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν τώρα αυτά τα εργαλεία για να εργαστούν για πρακτικές εφαρμογές σε ηλεκτρονικά, νέα υλικά και ακόμη και εξαρτήματα σε έναν νέο κβαντικό υπολογιστή.
Αλλά πρώτα απ 'όλα, τόνισε ο Χάνσον, το βραβείο προοριζόταν να τιμήσει την εξαιρετική επιστήμη. "Συνδύασαν όμορφα μαθηματικά και βαθιά γνώματα στη φυσική, επιτυγχάνοντας απρόσμενα αποτελέσματα. Αυτό είναι το βραβείο ", πρόσθεσε. "Είναι πραγματικά όμορφο και είναι βαθύ."
