Denník N

Nobelovu cenu za fyziku si odniesol výskum exotických foriem hmoty

Tohtoročná Nobelova cena za fyziku bola udelená Davidovi J. Thoulessovi, F. Duncanovi M. Haldanovi a J. Michaelovi Kosterlitzovi. Foto -Ap
Tohtoročná Nobelova cena za fyziku bola udelená Davidovi J. Thoulessovi, F. Duncanovi M. Haldanovi a J. Michaelovi Kosterlitzovi. Foto -Ap

Sformulované v bežnej reči, nobelovku za fyziku si odniesli traja laureáti za skúmanie (netriviálnych) usporiadaní hmoty pri nízkych teplotách (kde prevláda poriadok a usporiadanosť).

Keď do miestnosti vstúpili členovia Nobelovho výboru, aby oznámili, komu udelia najprestížnejšie vedecké ocenenie, jeden z nich si niesol papierové vrecko plné pečiva.

Nešlo o faux pas ani desiatu, ale o pedagogickú pomôcku. Všímavým expertom hneď odhalila, že tohtoročná Nobelova cena bude udelená za objav topologických fázových prechodov a topologických fáz hmoty.

Polovicu z nej si odniesol David Thouless, druhú si rozdelili Duncan Haldane a Michael Kosterlitz, všetci traja pôsobiaci USA.

Tohtoročná cena bude prerozdelená medzi troch laureátov. Foto - N. Elmehed, nobelprize.org
Tohtoročná cena bude prerozdelená medzi troch laureátov. Foto – N. Elmehed, nobelprize.org

Exotické skupenstvo

Hmotu okolo seba bežne pozorujeme v troch skupenstvách: tuhom, kvapalnom a plynnom. Okrem toho poznáme aj plazmu, čiže horúci a ionizovaný plyn – napríklad blesky.

Kým napríklad ľad je symetrický kryštál, v tekutej vode dochádza k chaotickému a neusporiadanému pohybu. Fyzici si dlho mysleli, že na opis stavových prechodov, teda napríklad topenia ľadu, sa stačí sústrediť na zmeny v symetriách daného systému.

Keď sme vďaka technológiám začali prenikať do sveta atómov, ukázalo sa, že takýto pohľad je nedostatočný. Skúste si predstaviť nasledujúci príklad. Za úlohu máte nakresliť vedľa seba desať šípok, pričom môžu ľubovoľne smerovať hore alebo dole. Je jedno, ako ich nakreslíte, no ak budú vedľa seba šípky protichodne, zaplatíte pokutu 1 euro. Ako sa vyhnúť jej plateniu?

Stačí nakresliť všetky šípky smerujúce rovnako, napríklad hore. Ak takúto úlohu dostane miliardár, malá pokuta ho nezaujíma a šípky si namixuje, ako len chce, niektoré hore, niektoré dole.

14522369_10209137900499277_1006315973_o
Hmota sa v závislosti od teploty môže nachádzať v rôznych skupenstvách. V bežnej hmote sa pri opise stačí sústrediť na symetrickosť, či jej absencia na úrovni atómov, v kvantovom svete je situácia zložitejšia. Foto – nobelprize.org

Topologické pečivo

Takto sa správa príroda na úrovni atómov – platidlom je energia a podľa toho, či je teplota systému vysoká, alebo nízka, si s ňou môže, alebo nemôže dovoliť plytvať. Ak máme systém spinov – ako sa odborne hovorí šípkam – pri nízkej teplote, všetky sa zarovnajú do rovnakého smeru, napríklad hore, alebo dole.

Keď už však je systém v jednom stave, je nemožné prejsť do toho druhého, prechodné stavy (pol na pol) sú veľmi drahé. Ak chceme spiny preklopiť, musíme systém najprv zahriať.

Ocenení výskumníci skúmali šípky kreslené v dvoch rozmeroch, napríklad na štvorčekovom papieri. Ako kľúčová sa v ich výskume ukázala topológia. Vráťme sa teda konečne k vrecúšku s pečivom, ktoré si priniesol jeden z oznamovateľov ceny. Mal v ňom pagáč, šišku (anglicky donut) a praclík. Aký je v nich rozdiel?

Každý z nich má rôzny počet dier (nula, jednu, dve). Topológia sa pozerá na objekty tak, že ich považuje za rovnaké, ak sa na seba dajú previesť postupnými malými deformáciami, a rôzne, ak nie. Rožok je to isté ako pagáč, stačí chvíľu vaľkať, ale niečo iné ako praclík – majú rôzny počet dier.

14599802_10209137900379274_1600384671_o
Z pohľadu topológie sú objekty identické, ak majú rovnaký počet dier – a dajú sa ako plastelína pretvarovať jeden na druhý. Počet dier je celé číslo a rovnaké celočíselné skoky si fyzici všimli pri vlastnostiach niektorých látok. Foto – nobelprize.org

Šípky na papieri sa správajú podľa spomínaných pravidiel. Môžu byť natočené hocijako, no susedné šípky sa snažia byť čo najzarovnanejšie, ináč to stojí veľa energie. Najjednoduchšie riešenie je nakresliť všetky šípky rovnakým smerom, no existujú aj prepracovanejšie možnosti, napríklad víry, teda šípky idúce dokola.

Ak je teplota nízka, tak je ťažké vír vyrobiť alebo zničiť, a tak sa ich počet nemení. Rovnako sa nemení počet dier v pečive pri malých deformáciách. A práve toto si fyzici všimli a uvedomili si, že na opis kvantových (teda na atomárnej úrovni) systémov pri nízkych teplotách je vhodná práve topológia.

14550636_10209137900979289_1041885169_o
Existencia vírov, teda topologických defektov, v dvojrozmernom materiáli pri rôznych teplotách. Foto – nobelprize.org

Gravitačné vlny asi nestihli nomináciu

Za výskum takéhoto opisu hmoty a možných fázových prechodov v nej bola udelená tohtoročná Nobelova cena. Sformulované v bežnej reči si ju laureáti odniesli za skúmanie (netriviálnych) usporiadaní hmoty pri nízkych teplotách (kde prevláda poriadok a usporiadanosť).

Pre viacerých bola prekvapením, favoritom boli gravitačné vlny, no je možné, že ich objav buď nestihol uzávierku Kráľovskej Švédskej akadémie vied, alebo sa ešte čaká na ďalšie potvrdenie objavu.

Skúmanie topologických vlastností hmoty netreba považovať len za kadejakú drobnosť či kuriozitu. Ocenený objav pred 30 rokmi naštartoval výskum veľkej časti fyziky tuhých látok, ktorá skúma, hľadá (a nachádza) nové materiály a má obrovský technologický potenciál.

Nobelova cena sa udeľuje od roku 1901. Do minulého roku sa ich udelilo 573, ceny boli prerozdelené medzi 900 laureátov. Udeľujú sa v kategóriách: medicína alebo fyziológia, fyzika, chémia, ekonómia, literatúra a mier.

Týždeň udeľovania Nobelových cien dnes pokračoval cenou za fyziku. Tohto roku si ju odniesol David Thouless, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz.

Do roku 2014 bolo udelených 109 Nobelových cien za fyziku, 47 z nich dostal iba jeden laureát a neboli zdieľané. John Bardeen dostal za svoj život dve Nobelove ceny za fyziku – v roku 1965 za objav tranzistora a v roku 1972 za teóriu supravodivosti.

Najmladším laureátom bol Lawrence Bragg (cena za röntgenovú spektroskopiu v roku 1915), ktorý dostal cenu vo veku 25 rokov. Priemerný vek laureáta ceny za fyziku je 55 rokov. Žena ju dostala zatiaľ dvakrát – Maria Curie a Maria Goeppert-Mayer.

Minulý rok ocenili výskum Takaakiho Kadžitu a Arthura B. McDonalda za zistenie, že neutrína sa menia z jedného stavu na druhý a majú nenulovú hmotnosť.

Nobelove ceny

Teraz najčítanejšie