Ого: Нобелевскую Премию Присудили За Топологию Вместо Гравитационных Волн

«Топология — это судьба», — сказал он и натянул брюки.
Сначала на одной ноге, потом на другой.
— Нил Стивенсон В начале октября в Стокгольме, Швеция, были объявлены Нобелевские лауреаты по физике.
За вклад в развитие этой науки премию получили трое британских ученых: Дэвид Таулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц за «теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи».
Физики были расстроены, потому что все думали, что премия достанется различным членам коллаборации LIGO, которая в этом году объявила о первом обнаружении гравитационных волн, вызванных слиянием черных дыр.
В этом году Нобелевский комитет занялся практической стороной и наградил ученых, разработавших метод создания управляемых «дырок» или дефектов в квантово-механических состояниях материи, известных как конденсаты.
Их исследования привели к прорывам в материаловедении и физике конденсированного состояния и обещают революцию в электронике.
Это 24-й год подряд награда вручается группе людей, а 53-й год подряд награду получают исключительно мужчины.

Вселенную можно изучать с двух сторон: существует общая теория относительности Эйнштейна, которая управляет гравитацией и эволюцией пространства-времени, и есть квантовая механика, которая управляет тремя другими фундаментальными силами и всеми взаимодействиями, фазами и свойствами иметь значение.
Физическое сообщество радостно обсуждало первое обнаружение гравитационных волн, давно предсказанных теорией Эйнштейна, обнаруженное в этом году – в то время как другие удивительные открытия, прорывы и практические работы были сделаны в области создания новых состояний материи.
Большинству людей знакомы три состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное, — но есть четвертое состояние, которое возникает, когда газ становится очень горячим: плазма.
И наоборот, в природе в некоторых видах материи существует другое состояние, возникающее при сильном охлаждении: конденсация.
В отличие от других состояний, конденсаты обладают уникальными свойствами, не встречающимися больше нигде в природе.

Квантовая физика произвела революцию в нашем взгляде на мир и научила нас следующему: • Природа дискретна, а не непрерывна и состоит из отдельных фундаментальных частиц, квантов.
• Квантам присущи свойства, которые невозможно изменить: вращение, электрический заряд, цветовой заряд, аромат и т. д. • При создании составных систем появляются новые свойства – например, орбитальный угловой момент, изоспин и ненулевые физические размеры.
Но одна из интересных вещей заключается в том, что эти свойства частиц и их взаимодействия могут вести себя совсем по-другому, если они ограничены двумя измерениями — плоской поверхностью — вместо трёх.

Долгое время считалось, что сверхпроводимость и сверхтекучесть — два свойства некоторых веществ, проявляющиеся при низких температурах и выражающиеся в нулевом сопротивлении и нулевой вязкости соответственно, — работают только в трёхмерных материалах.
Но в 1970-х годах Майкл Костерлиц и Дэвид Таулесс обнаружили не только то, что эти свойства могут проявляться в двумерных слоях, но и механизм фазового перехода, который приводит к исчезновению сверхпроводимости при достаточно высоких температурах.
По мере уменьшения числа степеней свободы и размеров, сил и взаимодействий квантово-механические системы становятся легче изучать.
Уравнения, сложные в трех измерениях, упрощаются в двух.
Уравнения, для которых не найдено решение в трех измерениях, имеют решение и в двух.

Многие частицы, квазичастицы и системы частиц ведут себя как «топологические дефекты», похожие либо на «дыры» (для 0-мерного дефекта), либо на «струны» (для 1-мерного дефекта), когда они проходят через 2D или 3D пространство.
.
Применяя топологию к этим низкотемпературным системам, можно предсказать новые топологические состояния материи.

При сверхнизких температурах топологические дефекты в двумерных конденсированных системах часто спариваются, чего не наблюдается при высоких температурах.
Характер перехода от низкотемпературных состояний (где образуются вихревые пары) к высокотемпературным состояниям (когда пары становятся независимыми) подчиняется правилам перехода Костерлица-Таулесса.
Сочетание квантовой физики с топологией приводит к тому, что многие интересные физические процессы происходят дискретно, ступенчато.
Проводимость тонкого материала происходит ступенчато.
Цепочки маленьких магнитов ведут себя топологически.
Правила фазовых переходов одинаково применимы ко всем материалам в двух измерениях.
В 1980-х годах Костерлиц открыл связи в проводимости, а Дункан Холдейн открыл топологические свойства цепочек небольших магнитов.
И хотя применение этих свойств распространяется и на другие области физики — статистическую механику, атомную физику и, как мы надеемся, вскоре распространится на электронику и квантовые компьютеры — физика, объясняющая дискретное поведение материи в низших измерениях, работает по принципу те же топологические правила, что и в любой математической системе.

Топология изучает свойства, которые изменяются поэтапно, например количество отверстий в этих объектах.
Эти новые свойства могут проявляться только при низких температурах или в очень сильных магнитных полях, но это не делает их менее фундаментальными, чем обычно наблюдаемые свойства.
Квантовый эффект Холла, тот факт, что «целые» квантовые магниты являются топологическими, а «полуцелые» — нет, и что вы можете определить свойства квантового магнита, изучая его грани, стал причиной того, что наше трио выиграло премию.
На основе их исследований были открыты новые, неожиданные типы материи, в том числе топологические свойства, которые также проявляются в трехмерных материалах.
Топологические изоляторы, топологические сверхпроводники и топологические металлы сегодня активно изучаются и могут произвести революцию в электронике и вычислительной технике, как только ими можно будет управлять.

Альфред Нобель, создавая Нобелевскую премию, постановил, что она должна вручаться за открытия, несущие «величайшую пользу человечеству».
И эта наука не только доказана, но и находится на пути к изменению нашей жизни.
И хотя существует множество достойных команд, людей и открытий, Нобелевская премия этого года напоминает нам о двух основных причинах, по которым мы занимаемся фундаментальной наукой: знания и социальная польза для человечества.
В этом году обзор того, какие удивительные вещи были открыты о материи в экстремальных условиях, показывает, как далеко продвинулись наши знания.
И перспектива применения этих открытий вдохновляет нас на поиск новых поколений квантовых технологий.
Неопределенное будущее зависит от нас.