Профессор Артем Юров объясняет, кому и за что в 2016 году дали Нобелевскую премию по физике, почему среди награжденных нет русского ученого, и предполагает, кто получит ее следующим
Авторская колонка
Хочу поздравить ученый мир с очередной Нобелевской премией по физике, которую получили Дункан Хэлдейн, Дэвид Таулесс и Майкл Костерлитц «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества». Полагаю, стоит немного поговорить об этом в широком контексте, тем более что часто приходится слышать, мол, эти премии политически ангажированы. Все это чушь!
Но сначала я расскажу немного о том, что сделали физики. Цитирую справку: «Уроженцы Шотландии и работающие в США физики Дэвид Таулесс и Майкл Костерлитц трудятся в области конденсированного состояния вещества, над одномерной и двумерной материей: в своих работах в 70‑х годах они доказали, что сверхпроводимость может появляться в двумерных материалах. Физики также совместно объяснили механизм фазового перехода от сверхпроводящего состояния при низких температурах к обычному (при высоких) — этот переход получил название перехода Березинского-Костерлитца-Таулесса. Советский физик-теоретик Вадим Березинский, участвовавший в разработке теории, не дожил до получения Нобелевской премии».
Наверное, надо кое-что сказать про физику низких температур, сверхпроводимость и фазовые переходы, чтобы вы поняли всю эту тарабарщину.
Существует абсолютный нуль. То есть самая низкая температура, где-то —273 градуса по Цельсию. Абсолютный нуль в принципе не достижим. Почему? Проиллюстрирую на примере. Вот у вас есть холодильник, и вы хотите заморозить колбасу до абсолютного нуля. Температуру 0 по Цельсию вы за час понижаете до минус 100 и говорите: вот, еще 173 шажка — и все, нобелевка в кармане! Следующие 100 градусов даются вам за час и полминуты. Но вы не обращаете внимания, хотя следующие 50 градусов морозятся уже подозрительно долго — не полчаса, а почти час. Странно. Спуск еще на 20 шажков занял почти два с половиной часа. ОК! Осталось всего три, но тут начинается по полной! Спуск на 1 градус потребовал 17 часов, спуск на второй потребовал месяца, и если холодильник еще не расплавился, то он расплавится, ибо теперь за каждую десятую долю градуса потребуется времени и энергии, как за все, что было до сих пор, а потом за каждую сотую долю… Сколько же энергии, времени и денег (по счетчику за электричество) надо, чтобы дойти до абсолютного нуля? Ответ — бесконечность!
Итак, вы поняли, что можно сколь угодно близко подойти к абсолютному нулю, но достичь его нельзя. Но около этого нуля могут происходить удивительные вещи. Яркий пример — сверхпроводимость.
Если ток идет по проводнику, то он теряет энергию и вследствие этого — нагревается. Потерянная энергия уходит в окружающую среду, — обидно. Почему это происходит?
Электрический ток — это поток электронов, которые радостно несутся по проводу и при этом непременно сталкиваются со встречным потоком ионов, со всякими штуками, которые тоже есть в проводнике. А поскольку эти столкновения неизбежны, значит, ток неизбежно слабеет. Мы обычно говорим, что у проводника есть электрическое сопротивление. Чем оно больше, тем больше столкновений, нагревания проводника и потерь, поэтому все, кто занимается электропередачей, мечтают уменьшить проклятое сопротивление. Это можно делать по-разному, но вот отцы-физики-экспериментаторы (скажем, великий Камерлинг-Оннес) морозили разные вещи и обнаружили, что у некоторых проводников вблизи абсолютного нуля сопротивление скачком падает ДО НУЛЯ!!
Объяснение этого феномена — его назвали сверхпроводимостью — появляется только в квантовой физике. Дело в том, что на очень малых масштабах и при низких температурах царствует совсем-совсем другая физика — квантовая. Ее открытие было, по-моему, самым великим интеллектуальным достижением человечества во веки веков. Квантовая физика выглядит абсурдно с точки зрения здравого смысла. Например, согласно квантовой физике электрон может одновременно быть в нескольких местах! Вообразить это невозможно, — а никто и не пытается! Помните, в школе на уроке химии говорили про электронные облака? Я, когда учился, вообще не понимал, как это электрон превращается в какое-то облако! Понять это можно только через квантовую механику: электрон не вращается вокруг ядра, а сразу находится во всех местах, и мы называем это дело электронным облаком. Не мудрено, что школьники вообще этого не понимают! Но именно шальная квантовая физика объясняет, почему вблизи лютого мороза абсолютного нуля сопротивление падает в точности (не приближенно, а точно!) до нуля.
Однако заморозить и поддерживать такую температуру безумно сложно и безумно дорого. Так что с точки зрения энергетики игра не стоит свеч. Тем не менее в 80‑е годы прошлого века начался бум высокотемпературной сверхпроводимости. Оказалось, что сверхпроводимость может случиться не только вблизи абсолютного нуля, а при низких, но уже не экзотических температурах. Главная цель физиков, которые над этим работают, — научиться получать сверхпроводимость при комнатной температуре — вот тогда и начнется бум в энергетике.
Кстати, делали опыт: пустили ток по кольцевому проводнику, находящемуся в сверхпроводящем состоянии, и стали ждать, когда ток затухнет. Если не ошибаюсь, ток крутился, не затухая, два года и крутился бы до сих пор, если бы местные рабочие не устроили забастовку, не обесточили район и не выключили установку. Вот ведь…
Или возьмем такую необходимую вещь, как МРТ. Томографы сейчас установлены во всех крупных больницах, и суть их работы в том, что, скажем, голову человека помещают в мощное магнитное поле, а потом используют так называемый метод ядерного магнитного резонанса. Для генерации поля применяются сверхпроводящие магниты: диво‑дивное — сверхпроводимость вовсю используется в медицинских высокотехнологичных устройствах.
Но я увлекся. Итак, Нобелевская премия по физике присуждена трем теоретикам: Дэвиду Таулессу, Дункану Хэлдейну и Майклу Костерлитцу. Активно работающим в настоящее время остается только Хэлдейн, к слову. Самым известным результатом Костерлитца и Таулесса является предсказание ими особого рода фазового перехода, носящего их имена, а также имя Березинского, пришедшего к тем же идеям независимо. Эти результаты были получены в 70‑х годах XX века.
Тут надо сказать пару слов о фазовых переходах. Понятие «фазы» является одним из фундаментальнейших понятий физики. Оно сводится к тому, что вещества одного и того же состава могут принимать весьма разные формы в зависимости от внешних обстоятельств (температуры и давления). Например, вода может принимать форму твердого тела (лед), жидкости и газа (водяной пар). Но понятие фазовых переходов куда шире. Вот возьмем обычный магнитный железняк. Если его нагреть, то при достижении определенной температуры (несколько сот градусов), которая называется температурой Кюри, он перестанет магнитить. А ежели охладить, то магнитные свойства восстановятся. Это другой пример фазового перехода. Интересно, в чем тут фокус? Намагниченность кусочка железняка создается огромным множеством крошечных магнитиков (спинов) внутри этого кусочка. И вот при температуре ниже точки Кюри все эти магнитики-спины расположены так, что их северный конец смотрит в одну и ту же сторону. Говорят: они образуют упорядоченную структуру. А выше точки Кюри порядок полностью рушится и магнитики-спины располагаются совершенно хаотично, так, что гасят поля друг друга, ну и в итоге большой магнит уже не магнитит. Почему? Любая система стремится минимизировать энергию. И вот оказывается, что при температуре выше точки Кюри энергетически более выгодно для магнитиков располагаться хаотично, а если эта температура ниже — то выгоднее построиться параллельно вдоль одной оси. Вообще-то теоретическое описание этой штуки довольно хитрое. Там появляются такие таинственные слова, как спонтанное нарушение симметрии…
Есть интересная иллюстрирующая картинка. Представьте себе, что внутри нашего магнита живут крошечные человечки. Поскольку наш магнит находится при комнатной температуре, то все спины-магнитики выстроены параллельно одной оси. Маленькие человечки, живущие в магните, заметили бы это и стали писать философские и научные трактаты про Великую Ось, вдоль которой ориентированы все спины (ось намагниченности). И невдомек им, что если их вселенную-магнит нагреть, то эта ось пропадет! Я хочу ввести понятие симметрии. Не бойтесь. Симметрия чего-нибудь — это преобразование, которое не меняет это что-то. Например, в холодной магнитной вселенной наших человечков можно повернуть магнит вокруг оси намагниченности, и ничего не изменится. Если же нагреть магнит, то все спины будут хаотично ориентированы. Теперь можно вращать магнит вокруг ЛЮБОЙ оси, и ничего не произойдет. То есть у нагретого выше точки Кюри магнита симметрий больше, чем у охлажденного ниже этой точки. Переход в сверхпроводящее состояние — тоже фазовый переход.
Надеюсь, вы хоть чуть-чуть поняли, что с этими симметриями связаны фазовые переходы. Реальная наука об этом — настоящая теоретическая физика. И до работ наших нобелевских лауреатов считалось, что фазовые переходы и возникновение сверхпроводимости в тонких пленках (говорят, в двумерных материалах) — невозможно. На пленках просто нет места, чтобы спрятать все эти симметрии. Но ученые (вместе с Березинским) показали, что это возможно, используя еще более хитрые объекты, так называемые топологические вихри.
Про топологию я точно не буду рассказывать, это один из самых крутых разделов математики, который начинается с вопроса «чем отличается бублик от шарика?». Очень просто — бублик невозможно превратить в шарик, не разрывая его. А вот чашку с ручкой, сделанную из растягивающегося материала, можно, не разрывая, превратить в бублик. А без ручки — в шарик. На таком уровне, фактически с тривиальности, и начинается топология и очень быстро улетает в такие дебри, что только подготовленный человек может осилить даже начальный курс. Скажу еще, что если учесть топологические дефекты, то оказывается, что в двумерных пленках может происходить фазовый переход и возникать сверхпроводимость.
Почему это важно? Из этих тонких пленок можно собирать всякие микросхемы, а микросхема с управляемыми фазовыми переходами или сверхпроводимостью — это, братцы, невероятно круто! Это может позволить такие вещи делать в электронике, что нам и не снились. Это не инновация от Schwarzkopf, которая мгновенно закрывает кутикулу только что окрашенных волос.
Ну, а Хэлдэйн что? А Хэлдейн тем временем изучал топологию цепочек намагниченных атомов. В 1982 году он показал, что определенные цепочки атомов с учетом квантовой теории демонстрируют топологические свойства, которые зависят от коллективных свойств этой цепочки — как целого, а не от свойств отдельных атомов. Хэлдейн тогда не знал, но мы-то теперь понимаем, что это может иметь колоссальную пользу в задачах кодирования информации в квантовых компьютерах!
Квантовые компьютеры — одна из самых, на мой взгляд, безумных и интересных тем науки XXI века. Задача построения квантового компьютера — одна из самых важных задач современности, научный и технологический скачок на тысячу лет вперед. И работы наших нобелевцев приблизили эту мечту.
Надо теперь напомнить фамилию блестящего физика Березинского. Фазовый переход, о котором я рассказывал выше, так и называется — БКТ-переход. Назван в честь Березинского, Таулесса и Костерлитца. Но наш соотечественник Вадим Львович Березинский премию не получил, просто потому, что умер тридцать шесть лет назад. И вот это мне крайне обидно!
Судите сами — Таулессу 80 лет, а Вадим Львович Березинский умер в 45. И перед тем, как умереть, он вовсе не как сыр в масле катался. Окончил физфак МГУ, в аспирантуру пришлось поступать в МИФИ, а потом работать… в текстильном институте. И то ясно — как же было ему разрешить заниматься физикой конденсированного состояния?! Он же со своим отчеством и уехать мог. После текстильного института работал девять лет в НИИ «Теплоприбор» — нормальный советский «ящик», то есть закрытый институт. Я сам после школы проработал один год в таком закрытом ящике и могу вам сказать — это был банальный НИИ, связанный, конечно, с электроникой, но мы просто отмечались с утра (опаздывать было нельзя) и больше фактически ничего не делали. Меня, к слову, интересовали романы с местными девчонками, ну и подготовка к поступлению на физфак. Не сомневаюсь, что работа в «ящике» у Вадима Березинского тоже не была особо интеллектуальной. В ИТФ им. Ландау Березинский перешел только за три года до смерти, уже больным. В 1980 году он скончался.
И вот в 2016 году теория, которой он занимался, удостоилась Нобелевской премии! Был бы жив — не сомневаюсь — именно он был бы третьим, а не Дункан Хэлдейн. Нет, Хэлдейн — молодчага и заслужил нобелевку, но Березинский заслужил ее больше. Вот, кстати, (как верно отметили в одном из едких комментариев в интернете) одна из причин, почему в России сильно меньше нобелевских лауреатов, чем в США: наши не доживают. И я не шучу! Покойный Гинзбург (наш нобелевский лауреат) как-то сказал: чтобы получить нобеля, надо жить долго!
Нобелевские премии даются не под влиянием или по решению правительств и так далее, тут главную роль играют эксперты-ученые. Кстати, я не говорю про Нобелевскую премию мира — по-моему, это как раз чисто политическая дребедень. Да и нобелевская по литературе у меня лично вызывает сомнения (хотя я рад за Боба Дилана!). Я говорю только о реальных науках: физике, химии, биологии, медицине, ну и, пожалуй, об экономике.
И в заключение. Вы могли слышать про открытие гравитационных волн в феврале этого года. Вдумайтесь: 1,3 миллиарда лет назад две огромные черные дыры слились. Эта катастрофа породила гравитационный всплеск, который мы поймали спустя 1,3 миллиарда лет, в 2016 году! Я был уверен, что нобелевскую дадут за это, но, наверное, прошло мало времени. Однако готов поспорить, что в течение ближайших трех лет нобелевку получат те, кто сумел поймать этот чудовищный всплеск на ткани мироздания.
иллюстрации: Маргарита Миронова
