Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 37 – vyšlo 8. října, ročník 14 (2016) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

37/2016

Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2016

Petr Kulhánek

Letošní držitelé Nobelovy cenyNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku byli oznámeni v úterý 4. října. Cenu získají David Thouless, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz za teoretický objev topologických fázových přechodů a topologických fází látky. David Thouless získá první polovinu ceny, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz obdrží polovinu druhou. Všichni ocenění pocházejí z Velké Británie a v současnosti pracují ve Spojených státech. Nobelova cena dnes činí 8 milionů švédských korun, tj. přibližně 23 milionů korun českých. Její hodnota byla snížena v roce 2012 z deseti milionů na 8 milionů švédských korun. Cena je udělována každoročně dne 10. prosince, v den výročí Nobelovy smrti, kandidáti jsou ale vybráni o dva měsíce dříve. Od roku 1901, kdy byla Nobelova cena udělena poprvé, ji získalo 110 fyziků, z toho pouze dvě ženy (Marie Curie Skłodowska a Maria Goeppert Mayerová). Celkem 47 cen bylo uděleno jedinému laureátu. Častější je dvojice nebo trojice oceněných. Maximálně může získat cenu trojice osob. Veřejnost pravděpodobně očekávala udělení Nobelovy ceny za objev gravitačních vln, ale to by bylo technicky obtížné, neboť jedno z pravidel pro udílení cen říká, že k nominaci laureátů musí dojít do konce ledna daného roku, což se v tomto případě nemohlo stát, neboť zachycení gravitačních vln detektorem LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva velké detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Oba velké přístroje doplňuje dvoukilometrový interferometr v Hanfordu. Uvažuje se o stavbě dalšího stroje v Indii. Frekvenční rozsah detektoru je od 10 Hz do 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. Od roku 2010 do roku 2015 probíhala kompletní rekonstrukce, jejímž cílem bylo výrazné zvýšení citlivosti přístroje. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015. Do konce roku 2021 bylo zachyceno 90 průkazných signálů. bylo oznámeno až 11. února 2016 (viz AB 6/2016).

Umělecké vyobrazení trojice oceněných  vědců, zleva jsou David Thouless,
Duncan Haldane a Michael Kosterlitz, Zdroj: Nobel Media 2016.

Medaile udělovaná oceněným

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. Fázový přechod – změna chování systému v závislosti na nějakém vnějším parametru, například teplotě nebo magnetickém poli. Rozlišujeme fázové přechody prvního druhu, při nichž se skokem mění vnitřní energie, hustota a další parametry (například tání ledu), a fázové přechody druhého druhu, u nichž se energie mění spojitě, ale skokem se mění až první derivace energie, například měrné teplo, susceptibilita atd. Typickým příkladem fázového přechodu druhého druhu je změna nemagnetického materiálu na feromagnetikum při Curieově teplotě, kdy se chaotická fáze mění na fázi s orientovanými Weissovými doménami. Topologie – nauka o globálních vlastnostech a struktuře množin. Za topologicky ekvivalentní považujeme množiny, které lze spojitě deformovat jednu na druhou. Topologicky ekvivalentní nejsou množiny, lišící se přítomností „díry“, „slepením“ některých hraničních částí atd. Topologie vesmíru jako celku není známa. Rovnice obecné relativity nám umožňují jen sledování lokálních geometrických vlastností.

Topologie

Fyzikální zákony jsou většinou lokální, tj. usuzují na změny systému z vlastností jeho bezprostředního okolí. Opačně postupuje topologie, tu zajímá chování množin jako celku. Dvě množiny považujeme za topologicky ekvivalentní, pokud lze spojitou deformací změnit jednu na druhou. Jako byste měli modelínu a směli ji libovolně stlačovat či natahovat. Například člověk je topologicky ekvivalentní s válcem, v jehož ose je válcová díra. Ta odpovídá trávícímu ústrojí (jeden konec průduchu koresponduje s ústy, druhý s konečníkem). Obyčejný hrneček z keramiky je ekvivalentní pneumatice, americké koblize nebo české bábovce (otvoru v oušku se spojitou deformací nikdy nezbavíte).

Obyčejný šálek je topologicky ekvivalentní s toroidem či s americkou koblihou.
Zdroj: Dpt of Computer Science, University of North Carolina

Zkusme experimentovat s obdélníkem z papíru, nebo raději z gumy či jiného snadno deformovatelného materiálu. Pokud v našem archu bydlí nějaké placaté bytosti, zjistí snadno, že jejich svět není neomezený, ale v každém směru má určitou hranici. Arch můžeme zdeformovat například na úzký pásek a z hlediska topologie jde stále o tutéž množinu, jejíž vlastnosti se nezměnily. Zcela jiný svět ale dostaneme, pokud do papíru vystřihneme kruhový otvor. Tady již nejde o spojitou deformaci, ale o brutální penetraci, která změní topologii naší množiny. Stejně tak, stočíme-li papír a slepíme jeho okraje, dostaneme útvar, který už není topologicky ekvivalentní s původním. Naše bytosti bydlící v takovém slepenci v jednom směru na žádnou hranici nenarazí a po určité době cestování se vrátí do původního místa. Dokonce můžeme papír nejprve zdeformovat na úzký pásek a při lepení jeho okraje otočit. Vznikne tak Möbiův pásek se zajímavými vlastnostmi. Zkrátka stříhání a lepení nepatří mezi spojité deformace a pomocí těchto operací vyrobíte nové objekty (množiny), které se od původních z hlediska topologie liší. Bytostem bydlícím v archu papíru pěkně zamotáte hlavu, pokud arch stočíte a protilehlé okraje slepíte. Budete-li pokračovat a arch zdeformujete dále tak, že slepíte i zbývající dvě hrany, dostanete útvar podobný povrchu pneumatiky (tzv. toroid). Od původního archu se liší jednak tím, že nemá žádné hrany, a jednak tím, že lepením vznikl uvnitř „pneumatiky“ otvor, který případným inteligentním obyvatelům přináší zcela nové a nebývalé možnosti.

Topologicky neekvivalentní operace. Zdroj: Ivan Havlíček/Astropis.

Topologie a fázové přechody

Při fázových přechodech dochází ke změně chování látky. S tím jsou často spojeny změny symetrie a někdy i topologické změny. Představme si obyčejnou vodu. Ta má všesměrovou symetrii, žádný směr není preferovaný. Pokud budeme vodu ochlazovat, dojde při teplotě tuhnutí k jejímu fázovému přechodu na led. Krystalky ledu mají určitou preferovanou orientaci – při ochlazování došlo při fázovém přechodu k náhlé změně symetrie systému. Dobře patrné je to i u feromagnetikFeromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO₂.. Za vysoké teploty jsou jednotlivé spiny (elementární magnety) orientovány náhodně a systém má vysoký stupeň symetrie. Při ochlazení pod Curieovu teplotu dojde k vytvoření tzv. Weissových domén. V každé z nich jsou spiny orientovány stejně, ale sousední domény mají orientaci spinů odlišnou. V tomto případě došlo nejenom k degradaci symetrie původního systému, ale i ke vzniku domén oddělených tzv. doménovými stěnami. Z hlediska topologie jsou tyto doménové stěny topologické defekty, které vznikly při fázovém přechodu. V periodicky uspořádaných látkách se mohou vyskytovat stavy, které nejsou topologicky převeditelné na jiné stavy (nazýváme je topologické stavy). Takové uspořádání může být velmi stabilní. V sedmdesátých letech 20. století za pomoci topologických stavů Kosterlitz a Thouless předpověděli existenci povrchové supravodivosti, při níž se po povrchu téměř beze ztrát přemisťuje elektrický náboj a spin.

Někteří vědci uvažují o tom, že při prudkém ochlazování raného vesmíru docházelo k řadě fázových přechodů, při nichž byla jednak narušována původní symetrie a jednak vznikaly topologické defekty. K nejznámějším defektům by měly patřit magnetické monopóly a kosmické struny. To, že nepozorujeme magnetické monopóly se zpravidla zdůvodňuje inflační fází expanze, při které měly být monopóly natolik od sebe vzdáleny, že v námi pozorovatelném vesmíru jich mohlo zůstat jen několik. Kosmické struny (nezaměňujte se strunami v teorii elementárních částic) by měly být lineární gravitační útvary, jakési hmotné nitě (cca deset kilometrů kosmické struny by mělo mít hmotnost jako Země), které se postupně rozpadají a přitom vznikají gravitační vlny. V dnešním pozorovatelném vesmíru by podle odhadů mohlo ještě přetrvávat asi 40 kosmických strun. Doposud ale nebyly nalezeny – buď jsou představy o jejich vzniku mylné, nebo je pozorovací technika zatím nedostačující.

Magnetické domény v neodymovém magnetu zobrazené Kerrovým mikroskopem.
Jednotlivé domény jsou malé proužky v zrnech magnetické látky. Zdroj: Gorchy.

David Thouless

David James Thouless (*1934)

James Thouless se narodil v Anglii a vystudoval Cambridžskou univerzitu. Doktorské studium absolvoval ve Spojených státech na Cornellově univerzitě pod vedením Hanse Betheho. Jako čerstvý doktorand získal tzv. „postdoc“ pozici na Kalifornské univerzitě v BerkeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873.. V letech 1965 až 1978 se vrátil do rodné Anglie a stal se profesorem na Birminghamské univerzitě. Poté se znovu vrací do Spojených států, kde získává profesorské místo na Washingtonské univerzitě v Seattlu. Profesně se zabývá statistickými vlastnostmi dvourozměrných systémů, mřížovými modely, feromagnetiky, supravodivostí a fázovými přechody. Spolu s Michaelem Kosterlitzem v roce 1972 zjistil, že u některých typů feromagnetik existuje mezi vysokoteplotní neuspořádanou fází a nízkoteplotní doménovou fází ještě jedna fáze, v níž se směr spinů mění jen velmi pomalu a spiny vytvářejí spinové vlny a víry (viz AB 47/2009). Přechod z vysokoteplotní fáze do této tzv. „soft “ fáze se dnes nazývá Kosterlitzův-Thoulessův přechod. Thouless spolu s Kosterlitzem v 70. letech předpověděl existenci povrchové supravopdivosti jako důsledek topologického stavu plošné periodické struktury. Thouless získal za svého bohatého vědeckého života řadu ocenění: Wolfovu cenu (1990), Diracovu medaili (1993), Onsagerovu cenu (2000) a Nobelovu cenu za fyziku (2016). Je členem britské Královské společnosti, Americké fyzikální společnosti a Americké akademie umění a věd.

Duncan Haldane

Frederick Duncan Michael Haldane (*1951)

Duncan Haldane se narodil v Anglii a vystudoval Cambridžskou univerzitu. Nejprve pracoval v Institutu Lueho a Langevina ve francouzském Grenoblu, poté získal místo na Jihokalifornské univerzitě ve Spojených státech. Zabývá se fyzikou kondenzovaných stavů, zejména jednodimenzionálními a dvojdimenzionálními spinovými systémy a jejich fázovými přechody. V osmdesátých letech 20. století vyvinul spolu s Michalem Kosterlitzem metody popisu fázových přechodů, při nichž není narušení symetrie určující charakteristikou. Velké úsilí věnoval kvantovému Hallovu jevuKvantový Hallův jev – pozorujeme ve dvoudimenzionálních strukturách, kdy za nízkých teplot a silných magnetických polí elektrická vodivost materiálu nabývá celočíselných násobků e²/h s velmi vysokou přesností. V tomto stavu vodivost nezávisí na jiných vlastnostech materiálu. v tenké rovinné vrstvě a teoreticky vysvětlil situaci, kdy se elektrony prováží s kvanty magnetického indukčního toku a vytvoří kvazičásticeKvazičástice – z místa na místo se přesouvající rozruch neboli excitace budící dojem pohybu skutečné částice. Příkladem mohou být postupně padající kostky domina, překlápějící se elementární spiny, šířící se vibrační kvantum v krystalu nebo excitace hustotní vlny elektronů., které se navenek chovají, jakoby měly neceločíselný elektrický náboj (tzv. zlomkový nebo neceločíselný kvantový Hallův jev). Anglická zkratka jevu je FQHE (Fractional Quantum Hall Effect). V roce 2011 Haldane vyvinul zcela nový popis zlomkového Hallova jevu, při němž v kvantové fyzice využil topologické metody. Haldane obdržel celou řadu cen, k nejvýznamnějším patří Buckleyho cena (1993), Diracova medaile (2012) a Nobelova cena (2016), jejíž polovinu sdílí s Michalem Kosterlitzem. Druhou polovinu ceny získal David Thouless. Je členem britské Královské společnosti, Americké fyzikální společnosti a Americké akademie umění a věd.

Michael Kosterlitz

John Michael Kosterlitz (*1942)

Narodil se ve skotském Aberdeenu německým židovským emigrantům. Vystudoval Cambridžskou univerzitu, doktorát získal na Oxfordu. Po studiích vystřídal několik míst na univerzitách v různých částech světa. Pracoval například na Birminghamské univerzitě, kde se setkal s Davidem Thoulessem, na Cornellově univerzitě i jinde. Profesorské místo získal na Brownově univerzitě ve Spojených státech. V současnosti je výzkumným pracovníkem na univerzitě Aalto-yliopisto ve finských Helsinkách. Celý život se zabýval fyzikou kondenzovaných stavů, jednorozměrnými a dvojrozměrnými spinovými systémy, mřížovými modely a spinovými skly (feromagnetiky, jejichž vazební konstanta se mění od místa k místu). Společně s Davidem Toulessem v roce 1972 zjistil, že u některých typů feromagnetik existuje mezi vysokoteplotní neuspořádanou fází a nízkoteplotní doménovou fází ještě jedna fáze, v níž se směr spinů mění jen velmi pomalu a spiny vytvářejí spinové vlny a víry (viz AB 47/2009). Přechod z vysokoteplotní fáze do této tzv. „soft “ fáze se dnes nazývá Kosterlitzův-Thoulessův přechod. V osmdesátých letech 20. století vyvinul spolu s Duncanem Haldanem metody popisu fázových přechodů, při nichž není narušení symetrie určující charakteristikou. Za svou práci získal řadu ocenění, k nejvýznamnějším patří Maxwellova medaile (1981), Onsagerova cena (2000) a Nobelova cena (2016), jejíž polovinu sdílí s Duncanem Haldanem. Druhou polovinu ceny získal David Thouless. Kosterlitz je členem Americké fyzikální společnosti.

Kosterliztův-Thoulessův přechod od neuspořádané vysokoteplotní fáze (nalevo)
k „soft“ fázi (napravo). Výsledek numerické 2D simulace. Zdroj: autor.

Odkazy