Немецкий ученый первый лауреат нобелевской премии. Нобелевскую премию по физике вручат за гравитационные волны. Шолохов Михаил Александрович

С формулировкой «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи ». За этой несколько размытой и малопонятной широкой публике фразой стоит целый мир нетривиальных и удивительных даже для самих физиков эффектов, в теоретическом открытии которых лауреаты сыграли ключевую роль в 1970–1980-е годы. Они, конечно, были не единственными, кто осознал тогда важность топологии в физике. Так, советский физик Вадим Березинский за год до Костерлица и Таулесса сделал, по сути, первый важный шаг к топологическим фазовым переходам. Рядом с именем Холдейна тоже можно поставить много других имен. Но как бы то ни было, все три лауреата безусловно являются знаковыми фигурами в этом разделе физики.

Лирическое введение в физику конденсированных сред

Объяснить доступными словами суть и важность работ, за которые был присужден физический Нобель-2016, - задача не из простых. Мало того, что сами явления сложные и вдобавок квантовые, так они еще и разнообразные. Премия была присуждена не за одно конкретное открытие, а за целый список пионерских работ, которые в 1970–1980-е годы стимулировали развитие нового направления в физике конденсированных сред. В этой новости я попробую достичь более скромной цели: объяснить на паре примеров суть того, что такое топологический фазовый переход, и передать ощущение, что это действительно красивый и важный физический эффект. Рассказ будет лишь про одну половину премии, ту, в которой проявили себя Костерлиц и Таулесс. Работы Холдейна столь же завораживающие, но они еще менее наглядные, и для их объяснения потребовался бы совсем уж длинный рассказ.

Начнем с блиц-введения в самый богатый на явления раздел физики - физику конденсированных сред.

Конденсированная среда - это, на житейском языке, когда много однотипных частиц собрались вместе и сильно воздействуют друг на друга. Почти каждое слово здесь - ключевое. Сами частицы и закон взаимодействия между ними - должны быть однотипными. Можно взять несколько разных атомов, пожалуйста, но главное, что дальше этот фиксированный набор повторяется снова и снова. Частиц должно быть очень много; десяток-другой - это еще не конденсированная среда. И, наконец, влиять они друг на друга должны сильно: толкать, тянуть, мешать друг другу, может быть обмениваться друг с другом чем-то. Разреженный газ конденсированной средой не считается.

Главное откровение физики конденсированных сред: при таких очень простых «правилах игры» в ней обнаружилось нескончаемое богатство явлений и эффектов. Такое многообразие явлений возникает вовсе не из-за пестрого состава - частицы-то однотипные, - а самопроизвольно, динамически, как результат коллективных эффектов . В самом деле, раз взаимодействие сильное, нет смысла смотреть на движение каждого отдельного атома или электрона, ведь оно тут же сказывается на поведении всех ближайших соседей, а может быть, даже и далеких частиц. Когда вы читаете книгу, она «говорит» с вами не россыпью отдельных букв, а набором связанных друг с другом слов, она передает вам мысль в форме «коллективного эффекта» букв. Так же и конденсированная среда «говорит» на языке синхронных коллективных движений, а вовсе не отдельных частиц. И вот этих коллективных движений, оказывается, огромное разнообразие.

Нынешняя Нобелевская премия отмечает работы теоретиков по расшифровке еще одного «языка», на котором могут «разговаривать» конденсированные среды, - языка топологически нетривиальных возбуждений (что это такое - чуть ниже). Конкретных физических систем, в которых возникают такие возбуждения, найдено уже немало, и ко многим из них приложили руку лауреаты. Но самое существенное здесь - не конкретные примеры, а сам факт того, что такое в природе тоже бывает.

Многие топологические явления в конденсированных средах были вначале выдуманы теоретиками и казались просто математической шалостью, не относящейся к нашему миру. Но потом экспериментаторы обнаруживали реальные среды, в которых эти явления наблюдаются, - и математическая шалость вдруг порождала новый класс материалов с экзотическими свойствами. Экспериментальная сторона этого раздела физики сейчас на подъеме, и это бурное развитие будет продолжаться и в будущем, обещая нам новые материалы с запрограммированными свойствами и устройства на их основе.

Топологические возбуждения

Сначала поясним слово «топологический». Не пугайтесь, что объяснение будет звучать как голая математика; связь с физикой проявится по ходу дела.

Есть такой раздел математики - геометрия, наука о фигурах. Если форму фигуры плавно деформировать, то, с точки зрения обычной геометрии, сама фигура меняется. Но у фигур бывают общие характеристики, которые при плавной деформации, без разрывов и склеек, остаются неизменными. Это и есть топологическая характеристика фигуры. Самый известный пример топологической характеристики - это количество дырок у трехмерного тела. Чайная кружка и бублик - топологически эквивалентны, они оба имеют ровно одну дырку, и потому плавной деформацией одну фигуру можно превратить в другую. Кружка и стакан - топологически различаются, потому что у стакана дырок нет. Для закрепления материала предлагаю ознакомиться с прекрасной топологической классификацией женских купальников .

Итак, вывод: всё то, что можно свести друг к другу плавной деформацией, считается топологически эквивалентным. Две фигуры, которые никакими плавными изменениями друг в друга не превратишь, считаются топологически разными.

Второе слово для объяснение - «возбуждение». В физике конденсированных сред возбуждение - это любое коллективное отклонение от «мертвого» неподвижного состояния, то есть от состояния с наименьшей энергией. Например, по кристаллу ударили, по нему побежала звуковая волна - это колебательное возбуждение кристаллической решетки. Возбуждения не обязательно вызывать насильно, они могут спонтанно возникать из-за ненулевой температуры. Обычное тепловое дрожание кристаллической решетки - это, по сути, много наложившихся друг на друга колебательных возбуждений (фононов) с разными длинами волн. Когда концентрация фононов велика, происходит фазовый переход, кристалл плавится. В общем, как только мы поймем, в терминах каких возбуждений следует описывать данную конденсированную среду, мы получим ключ к ее термодинамическим и прочим свойствам.

Теперь соединим два слова. Звуковая волна - это пример топологически тривиального возбуждения. Это звучит умно, но по своей физической сути это просто означает, что звук можно сделать сколь угодно тихим, вплоть до полного исчезновения. Громкий звук - колебания атомов сильные, тихий звук - слабые. Амплитуду колебаний можно плавно уменьшать до нуля (точнее, до квантового предела, но это тут несущественно), и это всё еще будет звуковое возбуждение, фонон. Обратите внимание на ключевой математический факт: существует операция плавного изменения колебаний до нуля - это просто уменьшение амплитуды. Именно это и означает, что фонон - топологически тривиальное возмущение.

А сейчас включается богатство конденсированных сред. В некоторых системах бывают возбуждения, которые нельзя плавно уменьшить до нуля . Не физически нельзя, а принципиально - форма не позволяет. Просто не существует такой повсюду плавной операции, которая переводит систему с возбуждением в систему с наименьшей энергией. Возбуждение по своей форме топологически отличается от тех же фононов.

Смотрите, как это получается. Рассмотрим простую систему (она называется XY-модель) - обычную квадратную решетку, в узлах которой есть частицы со своим спином, который может быть ориентирован как угодно в этой плоскости. Мы будем изображать спины стрелочками; ориентация стрелочки произвольная, но длина фиксирована. Мы будем также считать, что спины соседних частиц взаимодействуют друг с другом таким образом, что наиболее энергетически выгодная конфигурация - это когда все спины во всех узлах смотрят в одну сторону, как в ферромагнетике. Эта конфигурация показа на рис. 2, слева. По ней могут бежать спиновые волны - небольшие волнообразные отклонения спинов от строгой упорядоченности (рис. 2, справа). Но это всё обычные, топологически тривиальные возбуждения.

А вот теперь взгляните на рис. 3. Здесь показаны два возмущения необычной формы: вихрь и антивихрь. Выберите мысленно точку на картинке и пройдите взглядом по круговому пути против часовой стрелки вокруг центра, обращая внимание на то, что происходит со стрелочками. Вы увидите, что у вихря стрелочка поворачивается в ту же сторону, против часовой стрелки, а у антивихря - в противоположную, по часовой стрелке. Проделайте теперь тоже в основном состоянии системы (стрелочка вообще неподвижна) и в состоянии со спиновой волной (там стрелочка слегка колышется около среднего значения). Вы можете также представить себе и деформированные варианты этих картинок, скажем спиновая волна в нагрузку к вихрю: там стрелочка тоже будет делать полный оборот, слегка вихляя.

После этих упражнений становится ясно, что все возможные возбуждения разбиваются на принципиально различающиеся классы : делает ли стрелочка полный оборот при обходе вокруг центра или нет, и если делает, то в какую сторону. Эти ситуации имеют разную топологию. Никакие плавные изменения не могут превратить вихрь в обычную волну: если уж поворачивать стрелочки, то скачком, сразу на всей решетке и сразу на большой угол. Вихрь, равно как и антивихрь, топологически защищены : они, в отличие от звуковой волны, не могут просто так рассосаться.

Последний важный момент. Вихрь топологически отличается от простой волны и от антивихря только в том случае, если стрелочки лежат строго в плоскости рисунка. Если же нам разрешается выводить их в третье измерение, то тогда вихрь можно плавно устранить. Топологическая классификация возбуждений кардинально зависит от размерности системы!

Топологические фазовые переходы

Эти чисто геометрические рассуждения имеют вполне осязаемое физическое следствие. Энергия обычного колебания, того же фонона, может быть сколь угодно малой. Поэтому при любой сколь угодно низкой температуре эти колебания спонтанно возникают и влияют на термодинамические свойства среды. Энергия же топологически защищенного возбуждения, вихря, не может быть ниже некоторого предела. Поэтому при низких температурах отдельные вихри не возникают, а значит, не влияют на термодинамические свойства системы - по крайней мере, так считалось до начала 1970-х годов.

Между тем, в 1960-е годы усилиями многих теоретиков вскрылась проблема с пониманием того, что происходит в XY-модели с физической точки зрения. В обычном трехмерном случае всё просто и интуитивно понятно. При низких температурах система выглядит упорядоченно, как на рис. 2. Если взять два произвольных узла решетки, пусть даже и очень далеких, то спины в них будут слегка колебаться около одинакового направления. Это, условно говоря, спиновый кристалл. При высоких температурах происходит «плавление» спинов: два далеких узла решетки уже никак друг с другом не скоррелированы. Есть четкая температура фазового перехода между двумя состояниями. Если установить температуру ровно на это значение, то система будет находиться в особом критическом состоянии, когда корреляции еще есть, но плавно, степенным образом уменьшаются с расстоянием.

В двумерной решетке при высоких температурах тоже есть неупорядоченное состояние. А вот при низких температурах всё выглядело очень и очень странно. Была доказана строгая теорема (см. Теорема Мермина - Вагнера) о том, что в двухмерном варианте кристаллической упорядоченности нет. Аккуратные расчеты показали, что ее не то чтобы совсем нет, она просто уменьшается с расстоянием по степенному закону - ровно как в критическом состоянии. Но если в трехмерном случае критическое состояние было только при одной температуре, то тут критическое состояние занимает всю низкотемпературную область. Получается, в двумерном случае в игру вступают какие-то другие возбуждения, которых не существует в трехмерном варианте (рис. 4)!

Сопроводительные материалы Нобелевского комитета рассказывают о нескольких примерах топологических явлений в различных квантовых системах, а также о недавних экспериментальных работах по их реализации и о перспективах на будущее. Заканчивается этот рассказ цитатой из статьи Холдейна 1988 года. В ней он, словно оправдываясь, говорит: «Хотя представленная здесь конкретная модель вряд ли физически реализуема, тем не менее ...». 25 лет спустя журнал Nature публикует , в которой сообщается об экспериментальной реализации модели Холдейна. Пожалуй, топологически нетривиальные явления в конденсированных средах - это одно из самых ярких подтверждений негласного девиза физики конденсированных сред: в подходящей системе мы воплотим любую самосогласованную теоретическую идею, какой бы экзотической она ни казалась.

Нобелевская премия была в первый раз вручена в 1901 году. С начала века комиссия ежегодно выбирает лучшего специалиста, сделавшего важное открытие или создавшего изобретение, чтобы удостоить его почетной награды. Список лауреатов Нобелевской премии несколько превышает количество лет проведения церемонии вручения, так как иногда были отмечены одновременно два или три человека. Тем не менее, некоторых стоит отметить отдельно.

Игорь Тамм

Русский физик, родился в городе Владивостоке в семье инженера-строителя. В 1901 году семья переехала на Украину, именно там Игорь Евгеньевич Тамм окончил гимназию, после чего ездил учиться в Эдинбург. В 1918-м он получил диплом физфака МГУ.

После этого он стал преподавать, сначала в Симферополе, затем в Одессе, а потом и в Москве. В 1934 году получил пост заведующего сектором теоретической физики в институте имени Лебедева, где проработал до конца жизни. Игорь Евгеньевич Тамм изучал электродинамику твердых тел, а также оптические свойства кристаллов. В своих работах он впервые высказал идею о квантах звуковых волн. Релятивистская механика в те времена была крайне актуальна, и Тамму удалось экспериментальным образом подтвердить идеи, которые не были доказаны прежде. Его открытия оказались весьма значимыми. В 1958 году работы были признаны на мировом уровне: вместе с коллегами Черенковым и Франком он получил Нобелевскую премию.

Стоит отметить еще одного теоретика, проявившего незаурядные способности и к экспериментам. Немецко-американский физик, лауреат Нобелевской премии Отто Штерн появился на свет в феврале 1888 года в Сорау (теперь это польский город Зори). Школу Штерн окончил в Бреслау, а затем несколько лет занимался естественными науками в немецких университетах. В 1912 году он защитил докторскую диссертацию, руководителем его аспирантской работы стал Эйнштейн.

Во время Первой мировой Отто Штерн был мобилизован в армию, но и там продолжил теоретические исследования в сфере квантовой теории. С 1914 по 1921 год он работал во Франкфуртском университете, где занимался экспериментальным подтверждением молекулярного движения. Именно тогда ему удалось разработать метод атомных пучков, так называемый опыт Штерна. В 1923-м он получил должность профессора Гамбургского университета. В 1933-м выступил против антисемитизма и вынужден был переехать из Германии в США, где получил гражданство. В 1943 году пополнил список лауреатов Нобелевской премии за серьезный вклад в развитие молекулярно-лучевого метода и открытие магнитного момента протона. С 1945 года - член Национальной академии наук. С 1946 года проживал в Беркли, где и закончил свои дни в 1969 году.

О. Чемберлен

Американский физик Оуэн Чемберлен появился на свет 10 июля 1920 года в Сан-Франциско. Совместно с Эмилио Сегре он трудился в сфере Коллегам удалось добиться значительных успехов и совершить открытие: они обнаружили антипротоны. В 1959 году они были замечены на международном уровне и награждены как лауреаты Нобелевской премии по физике. С 1960-го Чемберлен был принят в Национальную академию наук Соединенных Штатов Америки. Трудился в Гарварде в качестве профессора, закончил свои дни в Беркли в феврале 2006 года.

Нильс Бор

Немногие лауреаты Нобелевской премии по физике так известны, как этот датский ученый. В каком-то смысле его можно назвать создателем современной науки. Кроме того, Нильс Бор основал институт теоретической физики в Копенгагене. Ему принадлежит теория атома, основанная на планетарной модели, а также постулаты. Им были созданы важнейшие работы о теории атомного ядра и ядерных реакций, по философии естествознания. Несмотря на интерес к строению частиц, выступал против использования их в военных целях. Образование будущий физик получал в грамматической школе, где прославился как заядлый футболист. Репутацию одаренного исследователя получил в двадцать три года, окончив Копенгагенский университет. Его был отмечен золотой медалью. Нильс Бор предложил определять поверхностное натяжение воды по вибрациям струи. С 1908 по 1911 год трудился в родном университете. Затем переехал в Англию, где работал с Джозефом Джоном Томсоном, а затем и с Эрнестом Резерфордом. Здесь провел свои важнейшие опыты, которые и привели его к получению награды в 1922-м. После этого вернулся в Копенгаген, где прожил до самой своей смерти в 1962 году.

Лев Ландау

Советский физик, лауреат Нобелевской премии, родился в 1908 году. Ландау создал потрясающие работы во многих сферах: он изучал магнетизм, сверхпроводимость, атомные ядра, элементарные частицы, электродинамику и многое другое. Совместно с Евгением Лифшицем создал классический курс теоретической физики. Его биография интересна необычайно быстрым развитием: уже в тринадцать лет Ландау поступил в университет. Какое-то время он обучался химии, но впоследствии решил заниматься физикой. С 1927 года являлся аспирантом Ленинградского института имени Иоффе. Современники запомнили его как увлеченного, резкого человека, склонного к критичным оценкам. Строжайшая самодисциплина позволили Ландау добиться успеха. Он работал над формулами так много, что видел их даже ночью во сне. Сильно повлияли на него и научные поездки за границу. Особенно важным стало посещение Института теоретической физики Нильса Бора, когда ученый смог обсудить интересующие его проблемы на высочайшем уровне. Ландау считал себя учеником известного датчанина.

В конце тридцатых годов ученому пришлось столкнуться со сталинскими репрессиями. Физику довелось бежать из Харькова, где он жил с семьей. Это не помогло, и в 1938 году его арестовали. Ведущие ученые мира обратились к Сталину, и в 1939 году Ландау был освобожден. После этого долгие годы он занимался научной работой. В 1962-м был зачислен в лауреаты Нобелевской премии по физике. Комитет выбрал его за новаторский подход к изучению конденсированных сред, особенно жидкого гелия. В том же году пострадал в трагической аварии, столкнувшись с грузовиком. После этого он прожил шесть лет. Российские физики, лауреаты Нобелевской премии редко достигали такого признания, какое было у Льва Ландау. Несмотря на тяжелую судьбу, он воплотил все свои мечты и сформулировал совершенно новый подход к науке.

Макс Борн

Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии, теоретик и создатель квантовой механики родился в 1882 году. Будущий автор важнейших работ по теории относительности, электродинамике, философским вопросам, кинетике жидкости и многим другим трудился в Британии и на родине. Первое обучение получил в гимназии с языковым уклоном. После школы поступил в Бреславский университет. В процессе учебы посещал лекции известнейших математиков того времени - Феликса Клейна, и Германа Минковского. В 1912 году получил в Геттингене место приват-доцента, а в 1914-м отправился в Берлин. С 1919 года трудился во Франкфурте в качестве профессора. В числе его коллег был и Отто Штерн, будущий лауреат Нобелевской премии, о котором мы уже рассказали. В своих работах Борн описывал твердые тела и квантовую теорию. Пришел к необходимости особенного истолкования корпускулярно-волновой природы материи. Он доказал, что законы физики микромира можно назвать статистическими и что волновую функцию необходимо толковать как комплексную величину. После прихода к власти фашистов переехал в Кембридж. Вернулся в Германию только в 1953 году, а премию Нобеля получил в 1954-м. Навсегда остался в как один из самых влиятельных теоретиков двадцатого века.

Энрико Ферми

Не многие лауреаты Нобелевской премии по физике были родом из Италии. Однако именно там появился на свет Энрико Ферми, важнейший специалист двадцатого века. Он стал создателем ядерной и нейтронной физики, основал несколько научных школ и являлся членом-корреспондентом Академии наук Советского Союза. Кроме того, Ферми принадлежит большое количество теоретических работ в сфере элементарных частиц. В 1938-м он переехал в США, где открыл искусственную радиоактивность и построил первый в истории человечества ядерный реактор. В том же году получил Нобелевскую премию. Интересно, что Ферми отличала благодаря которой он не только оказался невероятно способным физиком, но и быстро изучал иностранные языки при помощи самостоятельных занятий, к которым подходил дисциплинированно, согласно собственной системе. Такие способности выделили его еще в университете.

Сразу же после обучения он начал читать лекции по квантовой теории, которую на тот момент в Италии практически не изучали. Его первые исследования в области электродинамики тоже заслужили всеобщее внимание. На пути Ферми к успеху стоит отметить профессора Марио Корбино, который оценил таланты ученого и стал его покровителем в Римском университете, обеспечив юноше прекрасную карьеру. После переезда в Америку работал в Лас-Аламосе и в Чикаго, где и умер в 1954-м.

Эрвин Шредингер

Австрийский физик-теоретик родился в 1887 году в Вене, в семье фабриканта. Состоятельный отец был вице-президентом местного ботанико-зоологического общества и с ранних лет привил сыну интерес к науке. До одиннадцати лет Эрвин обучался дома, а в 1898 году он поступил в академическую гимназию. Блестяще окончив ее, поступил в Венский университет. Несмотря на то что выбрана была физическая специальность, Шредингер проявил и гуманитарные таланты: он знал шесть иностранных языков, писал стихи и разбирался в литературе. Достижения в точных науках были вдохновлены Фрицем Газенролем, талантливым учителем Эрвина. Именно он помог студенту понять, что физика является его главным интересом. Для докторской диссертации Шредингер выбрал экспериментальную работу, которую ему удалось блестяще защитить. Началась работа в университете, в процессе которой ученый занимался атмосферным электричеством, оптикой, акустикой, теорией цветов и квантовой физикой. Уже в 1914 году его утвердили доцентом, что позволило ему читать лекции. После войны, в 1918-м, начал работать в Йенском физическом институте, где трудился с Максом Планком и Эйнштейном. В 1921 году начал преподавать в Штутгарте, но после одного семестра переехал в Бреслау. Через какое-то время получил приглашение от политехникума в Цюрихе. В период с 1925 по 1926 год выполнил несколько революционных экспериментов, опубликовав работу под названием «Квантование как задача о собственных значениях». Создал важнейшее уравнение, актуальное и для современной науки. В 1933 году получил Нобелевскую премию, после чего вынужден был покинуть страну: к власти пришли нацисты. После войны вернулся в Австрию, где прожил все оставшиеся годы и умер в 1961-м в родной Вене.

Вильгельм Конрад Рентген

Известный немецкий физик-экспериментатор родился в Леннепе, что под Дюссельдорфом, в 1845 году. Получив образование в Цюрихском политехникуме, планировал стать инженером, но понял, что заинтересован в теоретической физике. Стал ассистентом кафедры в родном университете, потом переехал в Гиссен. С 1871 по 1873 год работал в Вюрцбурге. В 1895 году открыл рентгеновские лучи и тщательно изучил их свойства. Был автором важнейших трудов по пиро- и пьезоэлектрическим свойствам кристаллов и по магнетизму. Стал первым в мире лауреатом Нобелевской премии по физике, получив ее в 1901 году за выдающийся вклад в науку. Кроме того, именно Рентген работал в школе Кундта, став своего рода основателем целого научного течения, сотрудничая с современниками - Гельмгольцем, Кирхгофомом, Лоренцом. Несмотря на славу успешного экспериментатора, вел достаточно замкнутый образ жизни и общался исключительно с ассистентами. Поэтому воздействие его идей на тех физиков, что не были его учениками, оказалось не слишком значимым. Скромный ученый отказывался от названия лучей в свою честь, всю жизнь называя их X-лучами. Свои доходы он отдал государству и жил в весьма стесненных обстоятельствах. Скончался 10 февраля 1923 года в Мюнхене.

Всемирно известный физик родился в Германии. Он стал создателем теории относительности и написал важнейшие труды по квантовой теории, являлся иностранным членом-корреспондентом Российской академии наук. С 1893 года жил в Швейцарии, а в 1933-м переехал в Соединенные Штаты. Именно Эйнштейн ввел понятие фотона, установил законы фотоэффекта и предсказал открытие индуцированного излучения. Он развил теорию и флуктуаций, а также создал квантовую статистику. Трудился над проблемами космологии. В 1921 году получил Нобелевскую премию за открытие законов фотоэффекта. Кроме того, Альберт Эйнштейн входит в число основных инициаторов основания государства Израиль. В тридцатые годы выступал против фашистской Германии и старался удержать политиков от безумных действий. Его мнение насчет атомной проблемы не было услышано, что стало главной трагедией жизни ученого. В 1955 году он умер в Принстоне от аневризмы аорты.

Британский физик Девид Джеймс Тоулесс (David James Thouless) родился в 1934 году в городе Берсден, Шотландия (Великобритания).
В 1955 году получил степень бакалавра в Кембриджском университете (Великобритания). В 1958 году получил степень доктора философии в Корнельском университете (США).

После защиты докторской диссертации работал в университетах в Беркли и в Бирмингеме.

С 1965 года по 1978 год - профессор математической физики в университете Бирмингема, где сотрудничал с физиком Майклом Костерлитцем .

Тоулесс и Костерлитц в начале 1970-х годов перевернули существующие теории, предполагавшие, что явление сверхпроводимости и сверхтекучести не могут наблюдаться в тонких слоях. Они продемонстрировали, что сверхпроводимость может наблюдаться при низких температурах и объяснили фазовые переходы, которые заставляют сверхпроводимость исчезать при более высоких температурах.

С 1980 года Тоулесс был профессором физики в Университете штата Вашингтон в Сиэтле (США). В настоящее время - почетный профессор в Университете штата Вашингтон .

Доктор Тоулесс является действительным членом Королевского общества, членом Американского физического общества, действительным членом Американской академии искусств и наук, а также членом американской Национальной академии наук.

Обладатель медали Максвелла (Maxwell Medal) и медали Поля Дирака (Paul Dirac Medal), присуждаемых Британским институтом физики; медали Хольвека (Holweck Medal) от Французского физического общества и Института физики. Лауреат премии имени Фрица Лондона (Fritz London Award), которая вручается ученым, внесшим выдающийся вклад в области физики низких температур; премии Ларса Онзагера (Lars Onsager Prize) от Американского физического общества и премии Вольфа (Wolf Prize).

4 октября 2016 года Девиду Тоулессу была за открытие топологических переходов и топологических фаз материи.

Костерлитц Майкл

Британский физик Джон Майкл Костерлитц (John Michael Kosterlitz) родился в 1942 году в Абердине , Шотландия (Великобритания).

В 1965 году получил степень бакалавра, в 1966 году — степень магистра в Кембриджском университете (Великобритания), в 1969 году - докторскую степень в области физики высоких энергий в Оксфордском университете (Великобритания).

Майкл Костерлитц награжден медалью Максвелла (Maxwell Medal) британского Института физики (1981), является лауреатом премии Ларса Онзагера (Lars Onsager Prize) Американского физического общества (2000).

Халдейн Данкан

Британский физик Данкан Халдейн (Duncan Haldane) родился 14 сентября 1951 года в Лондоне (Великобритания).

В 1973 году получил степень бакалавра, в 1978 года - доктора физических наук в Кембриджском университете (Великобритания).

В 1977-1981 годах работал в Международном институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция.

В 1981-1985 годах - доцент физики Университета Южной Калифорнии, США.

В 1985-1987 годах работал во франко-американском исследовательском центре Bell Laboratories.

В 1987-1990 годах - профессор кафедры физики имени Юджина Хиггинса в Университете Калифорнии в Сан-Диего, США.

С 1990 года — профессор кафедры физики имени Юджина Хиггинса в Принстонском университете США.

Занимался разработкой нового геометрического описания дробного квантового эффекта Холла. В сферу исследований Халдейна входил эффект квантовой запутанности , топологические изоляторы.

С 1986 года - член Американского физического общества.

С 1992 года - член Американской академии искусств и наук (Бостон).

С 1996 года - член Королевского общества Лондона.

С 2001 года - член Американской ассоциации содействия и развития науки.

В 1993 году Данкан стал лауреатом премии Оливера Бакли (Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize) Американского физического общества. В 2012 году был удостоен медали Дирака (Dirac Medal) Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама.

В 2016 году Данкану Халдейну (совместно с Девидом Тоулессом и Майклом Костерлитцем) была по физике за открытие топологических переходов и топологических фаз материи. Как отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета, нынешние лауреаты "открыли двери в неизвестный мир", в котором материя может находиться в необычном состоянии. Речь, прежде всего, идет о сверхпроводниках и тонких магнитных пленках.

Сегодня, 2 октября 2018 года, в Стокгольме прошла церемония объявления лауреатов Нобелевской премии по физике. Премию вручили «за прорывные открытия в области лазерной физики». В формулировке отмечено, что половина приза уходит Артуру Эшкину (Arthur Ashkin) за «оптические пинцеты и их использование в биологических системах» и другая половина - Жерару Муру (Gérard Mourou) и Донне Стрикленд (Donna Strickland) «за их метод генерирования высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов».

BREAKING NEWS⁰The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Physics 2018 “for groundbreaking inventions in the field of laser physics” with one half to Arthur Ashkin and the other half jointly to Gérard Mourou and Donna Strickland. pic.twitter.com/PK08SnUslK

2 октября 2018 г.

Артур Эшкин изобрел оптический пинцет, способный захватывать и перемещать отдельные атомы, вирусы и живые клетки, причем не повреждая их. Делает он это за счет фокусировки лазерного излучения и использования градиентных сил, втягивающих частицы в область с более высокой интенсивностью электромагнитного поля. Впервые захватить живую клетку таким образом удалось в 1987 году как раз группе Эшкина. В настоящий момент этот метод широко используется для изучения вирусов, бактерий, клеток человеческих тканей, а также в манипуляциях отдельными атомами (для создания наноразмерных систем).

Жерару Муру и Донне Стрикленд впервые удалось создать источник ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности без уничтожения рабочей среды лазера в 1985 году. До их исследований значительное усиление короткоимпульсных лазеров было невозможно: однократный проход импульса через усилитель приводил к разрушению системы из-за слишком большой интенсивности.

Разработанный Муром и Стрикленд метод генерации импульсов сегодня называют усилением чирпированных импульсов: чем короче лазерный импульс, тем шире его спектр, и все спектральные компоненты распространяются вместе. Однако с помощью пары призм (или дифракционных решеток) спектральные компоненты импульса можно задержать относительно друг друга перед попаданием в усилитель и тем самым уменьшить интенсивность излучения в каждый момент времени. После этого такой чирпированный импульс усиливают оптической системой, а затем снова сжимают до короткого импульса - с помощью оптической системы с обратной дисперсией (как правило, дифракционных решеток).

Ultra-sharp laser beams make it possible to cut or drill holes in various materials extremely precisely – even in living matter. Millions of eye operations are performed every year with the sharpest of laser beams.#NobelPrize pic.twitter.com/MiYb4i8AHw

The Nobel Prize (@NobelPrize) October 2, 2018

Усиление чирпированных импульсов позволило добиться создания работоспособных фемтосекундных лазеров заметной мощности. Они способны давать мощные импульсы, длительностью в квадрилионные доли секунды. На их основе сегодня создан целый ряд перспективных систем как в электронике, так и в лабораторных установках, важных для целого ряда областей физики. При этом они постоянно находят себе новые, часто неожиданные области практического применения.

Например, метод фемтосекундной лазерной коррекции зрения (SMall Incision Lenticula Extraction) позволяет удалять часть роговицы глаза человека и тем самым корректировать близорукость. Хотя сам подход лазерной коррекции был предложен еще в 1960-х, до появления фемтосекундных лазеров мощности и краткости импульсов не хватало для эффективной и безопасной работы с глазом: длительные импульсы перегревали ткани глаз и повреждали их, а короткие были слишком слабыми для получения нужного надреза в роговице. Сегодня миллионы людей по всему миру прооперированы с использованием подобных лазеров.

Кроме этого, фемтосекундные лазеры благодаря малой длительности своих импульсов позволили создать приборы, отслеживающие и контролирующие сверхбыстрые процессы как в физике твердого тела, так и в оптических системах. Это чрезвычайно важно, потому что до получения средства фиксации процессов, идущих на таких скоростях, было практически невозможно изучать поведение целого ряда систем, на основе которых, как предполагается, можно будет создать перспективную электронику будущего.

Алексей Щербаков , старший научный сотрудник Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, дал комментарий «Чердаку»: «Нобелевская премия для Жерара Муру за вклад в разработку фемтосекундных лазеров назревала очень давно, десять лет или, может быть, больше. Роль соответствующих работ поистине фундаментальная, и лазеры такого рода находят все больше применений по всему миру. Сегодня уже трудно даже перечислить все области, где их используют. Правда, я затрудняюсь сказать, чем вызвано решение Нобелевского комитета объединить в одной премии и Муру, и Ашкина, разработки которых напрямую не связаны. Это, действительно, не самое очевидное решение со стороны комитета. Может быть, решили, что дать премию только Муру или только Ашкину нельзя, а вот если за одно направление дать половину премии, а за другое - другую половину, то это будет выглядеть достаточно обосновано» .

Нобелевская премия по физике - высшая награда за научные достижения в соответствующей науке - ежегодно присуждается Шведской королевской академией наук в Стокгольме. Она была учреждена по завещанию шведского химика и предпринимателя Альфреда Нобеля. Премия может быть присуждена максимум троим ученым одновременно. Денежное вознаграждение могут распределить между ними поровну либо разделить на половину и две четверти. В 2017 году денежная премия была повышена сразу на одну восьмую - с восьми до девяти миллионов крон (примерно 1,12 миллиона долларов).

Каждый лауреат получает медаль, диплом и денежное вознаграждение. Медали и денежные призы лауреатам традиционно вручат на ежегодной церемонии в Стокгольме 10 декабря - в годовщину смерти Нобеля.

Первую Нобелевскую премию по физике вручили в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену за открытие и изучение свойств лучей, которые позднее назвали в его честь. Интересно, что ученый принял премию, но отказался приехать на церемонию вручения, сказав, что очень занят. Поэтому награду ему переслали почтой. Когда правительство Германии во время Первой мировой войны обратилось к населению с просьбой помочь государству деньгами и ценностями, Рентген отдал все свои сбережения, включая Нобелевскую премию.

В прошлом - 2017 году - Нобелевскую премию по физике получили Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн. Эти три физика внесли решающий вклад в детектор LIGO, обнаруживший гравитационные волны. Теперь с их помощью стало возможно отслеживать слияния невидимых для телескопов нейтронных звезд и черных дыр.

Интересно, что со следующего года ситуация с выдачей Нобелевских премий может заметно измениться. Нобелевский комитет будет рекомендовать экспертам, принимающим решения по премиям, подбирать кандидатов с учетом пола, чтобы среди них было больше женщин, а также по этнической принадлежности, для увеличения количества представителей не западных народов). Впрочем, вероятно, это не коснется физики - до сих пор всего двое лауреатов этой премии были женщинами. И только в этом году Донна Стрикленд стала третьей.

Нобелевская премия по физике ( Nobelpriset i fysik ) присуждается один раз в год . Это одна из пяти , созданных по воле в 1895 году, которая вручается с 1901 года. Другие премии: , и . Первая Нобелевская премия по физике была присуждена немецкому физику «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии , названных впоследствии в его честь». Эта награда находится в ведении Нобелевского фонда и по праву считается самой престижной наградой, которую может получить физик. Она вручается в на ежегодной церемонии 10 декабря, в годовщину смерти Нобеля.

Назначение и выбор

На Нобелевскую премию по физике можно выбрать не более трех лауреатов. По сравнению с некоторыми другими Нобелевскими премиями, выдвижение и отбор на премию по физике — процесс длинный и строгий. Именно поэтому премия становилась всё авторитетнее на протяжении многих лет и в итоге стала важнейшей премией по физике в мире.

Нобелевские лауреаты выбираются , который состоит из пяти членов, избираемых . На первом этапе несколько тысяч людей предлагают кандидатов. Эти имена изучаются и обсуждаются экспертами до окончательного выбора.

Формы направляются приблизительно трём тысячам человек с предложением представить свои кандидатуры. Имена номинаторов не объявляются публично в течение пятидесяти лет, и также не сообщаются номинантам. Списки номинантов и представивших их номинаторов хранятся в запечатанном виде в течение пятидесяти лет. Впрочем, на практике некоторые кандидаты становятся известными ранее.

Заявки проверяются комиссией, и список, содержащий около двухсот предварительных кандидатов, направляется к выбранным экспертами в этих областях. Они урезают список до примерно пятнадцати имен. Комитет представляет доклад с рекомендациями соответствующим учреждениям. В то время как посмертная номинация не допускается, награду можно получить, если человек умер в течение нескольких месяцев между решением комитета премии (обычно в октябре) и церемонией в декабре. До 1974 года посмертные награды были разрешены, если получатель умер после того, как они были назначены.

Правила Нобелевской премии по физике требуют, чтобы значение достижения было «проверено временем». На практике это означает, что разрыв между открытием и премией, как правило, порядка 20 лет, а может быть гораздо больше. Например, половина Нобелевской премии по физике в 1983 году была присуждена за его работу по строению и эволюции звезд, что была сделана в 1930 году. Недостаток этого подхода в том, что не все ученые живут достаточно долго, чтобы их работы были признаны. За некоторые важные научные открытия эта премия никогда не присуждалась, так как первооткрыватели умерли к тому времени, когда влияние их работ оценили .

Награды

Лауреат Нобелевской премии по физике получает золотую медаль, диплом с формулировкой награждения и денежную сумму. Денежная сумма зависит от доходов Нобелевского фонда в текущем году. Если премия присуждается более чем одному лауреату, деньги делятся поровну между ними; в случае трёх лауреатов деньги также могут разделить на половину и две четверти.

Медали

Медали Нобелевской премии, отчеканенные в Швеции и Монетным двором Норвегии с 1902 года, являются зарегистрированными торговыми марками Нобелевского фонда. Каждая медаль имеет изображение левого профиля Альфреда Нобеля на лицевой стороне. Медаль Нобелевской премии по физике, химии, физиологии или медицины, литературе имеют одинаковую лицевую сторону, показывающую изображение Альфреда Нобеля и годы его рождения и смерти (1833—1896). Портрет Нобеля также появляется на лицевой стороне медали Нобелевской премии мира и медали премии в области экономики, но с несколько иным дизайном. Изображение на оборотной стороне медали варьируется в зависимости от учреждения, присуждающего награду. На оборотной стороне медали Нобелевской премии по химии и физике один и тот же дизайн.

Дипломы

Нобелевские лауреаты получают диплом из рук короля Швеции. Каждый диплом имеет уникальный дизайн, разработанный награждающим учреждением для лауреата. Диплом содержит изображение и текст, в котором содержится имя лауреата и, как правило, цитата о том, почему они получили премию.

Премиальные

Лауреатам также дается денежная сумма, когда они получают Нобелевскую премию в виде документа, подтверждающего сумму награды; в 2009 году денежная премия составляла 10 миллионов шведских крон (1,4 млн долл. США). Суммы могут отличаться в зависимости от того, сколько денег Нобелевский фонд может присудить в этом году. Если есть два победителя в той или иной категории, грант делится поровну между получателями. Если есть три лауреата, то награждающий комитет имеет возможность поделить грант на равные части или вручить половину суммы одному получателю и по одной четверти двум другим.

Церемония

Комитет и учреждения, выступающие в качестве отборочной комиссии для премии, обычно объявляют имена лауреатов в октябре. Премия вручается затем на официальной церемонии, которая проводится ежегодно в мэрии Стокгольма 10 декабря, в годовщину смерти Нобеля. Лауреаты получают диплом, медаль и документ, подтверждающий денежный приз.

Лауреаты

Примечания

1. . Retrieved November 1, 2007. Архивная копия от 30 октября 2007 на
2. «The Nobel Prize Selection Process» , , accessed November 5, 2007 ().
3. FAQ nobelprize.org
4. Finn Kydland and Edward Prescott’s Contribution to Dynamic Macroeconomics: The Time Consistency of Economic Policy and the Driving Forces Behind Business Cycles (неопр.) (PDF). Официальный сайт Нобелевской премии (11 октября 2004). Дата обращения 17 декабря 2012. Архивировано 28 декабря 2012 года.
5. . Wallace, Matthew L. Why it has become more difficult to predict Nobel Prize winners: A bibliometric analysis of nominees and winners of the chemistry and physics prizes (1901-2007) // Scientometrics. — 2009. — № 2 . — С. 401 . — :10.1007/s11192-009-0035-9 .
6. A noble prize (англ.) // : journal. — :10.1038/nchem.372 . — : 2009NatCh...1..509. .
7. Tom Rivers. 2009 Nobel Laureates Receive Their Honors | Europe| English (неопр.) . .voanews.com (10 декабря 2009). Дата обращения 15 января 2010. Архивировано 14 декабря 2012 года.
8. The Nobel Prize Amounts (неопр.) Архивировано 3 июля 2006 года.
9. «Nobel Prize — Prizes» (2007), in , accessed 15 January 2009, from Encyclopædia Britannica Online :
10. Medalj - ett traditionellt hantverk (швед.) . Myntverket. Дата обращения 15 декабря 2007. Архивировано 18 декабря 2007 года.
11. «The Nobel Prize for Peace» Архивная копия от 16 сентября 2009 на , «Linus Pauling: Awards, Honors, and Medals»,
12. The Nobel Medals (неопр.) (недоступная ссылка) . Ceptualinstitute.com. Дата обращения 15 января 2010. Архивировано 14 декабря 2012 года.
13. «Nobel Prize for Chemistry. Front and back images of the medal. 1954» , «Source: Photo by Eric Arnold. Ava Helen and Papers. Honors and Awards, 1954h2.1», «All Documents and Media: Pictures and Illustrations», Linus Pauling and The Nature of the Chemical Bond: A Documentary History , the , . Retrieved 7 December 2007.
14. The Nobel Prize Diplomas (неопр.) . Nobelprize.org. Дата обращения 15 января 2010. Архивировано 1 июля 2006 года.
15. Sample, Ian . Nobel prize for medicine shared by scientists for work on ageing and cancer | Science | guardian.co.uk , London: Guardian (5 октября 2009). Дата обращения 15 января 2010.
16. Ian Sample, Science correspondent . Three share Nobel prize for physics | Science | guardian.co.uk , London: Guardian (7 октября 2008). Дата обращения 10 февраля 2010.
17. David Landes. Americans claim Nobel economics prize - The Local (неопр.) . Thelocal.se. Дата обращения 15 января 2010. Архивировано 14 декабря 2012 года.
18. The 2009 Nobel Prize in Physics - Press Release (неопр.) . Nobelprize.org (6 октября 2009). Дата обращения 10 февраля 2010. Архивировано 14 декабря 2012 года.
19. Nobel Prize Foundation Website

Литература

• Friedman, Robert Marc (2001). The Politics of Excellence: Behind the Nobel Prize in Science . New York & Stuttgart: (). , .
• Gill, Mohammad (March 10, 2005). «Prize and Prejudice» . magazine.
• Hillebrand, Claus D. (June 2002). «Nobel century: a biographical analysis of physics laureates» . 27.2: 87-93.
• (2010). Evolution of National Nobel Prize Shares in the 20th Century at arXiv:1009.2634v1 with graphics: National Physics Nobel Prize shares 1901—2009 by citizenship at the time of the award and by country of birth .
• Lemmel, Birgitta. «The Nobel Prize Medals and the Medal for the Prize in Economics» . nobelprize.org . Copyright The Nobel Foundation 2006. (An article on the history of the design of the medals.)
• «What the Nobel Laureates Receive» . nobelprize.org . Copyright Nobel Web AB 2007.

Ссылки