Bronnadh an Duais Nobel san fhisic do 2016 ar David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane agus J. Michael Kosterlitz, “as fionnachtana teoiriciúla ar aistrithe céime topolaíochta agus céimeanna ábhar topolaíochta”. Creidmheas íomhá: N. Elmehed. © Nobel Media 2016.

Shocker: Téann Duais Nobel san Fhisic go topology in ábhair, ní tonnta imtharraingthe!

Má bhí tú geallta ar LIGO, chuirfeá geall mícheart. Cosúil le gach duine eile.

“‘ Tá an topology i ndán, ”a dúirt sé, agus chuir sí na tarraiceáin ar siúl. Cos amháin ag an am. " -Neal Stephenson

Seachtain ó shin inniu, fógraíodh Duais Nobel na Fisice 2016: leath do David J. Thouless, ceathrú an ceann do F. Duncan M. Haldane agus J. Michael Kosterlitz, as fionnachtana teoiriciúla ar aistrithe céime topolaíochta agus céimeanna ábhar topolaíochta. Ba mhór an t-údar imní é seo, toisc go raibh gach duine ag súil go rachadh an Duais Nobel le baill éagsúla de chomhoibriú LIGO, a d’fhógair níos luaithe i mbliana na chéad dtonnta imtharraingthe a fuarthas ó phoill dhubha a chumasc. I mbliana, chuaigh an coiste Nobel leis an taobh níos praiticiúla, chuig na heolaithe a bhunaigh an cumas “poill” nó lochtanna rialaithe a chruthú i staid ábhair mheicniúil chandamach ar a dtugtar comhdhlútháin. Mar thoradh ar a gcuid taighde tá dul chun cinn déanta in eolaíocht ábhair agus i bhfisic ábhair chomhdhlúite, agus tá gealltanas ann go ndéanfar leictreonaic a réabhlóidiú. Is é seo an 24ú bliain as a chéile gur bronnadh an duais ar iliomad daoine, agus an 53ú bliain as a chéile gur dúnadh mná as an duais.

Is iad domhantarraingt, arna rialú ag Einstein, agus gach rud eile (idirghníomhaíochtaí láidre, laga agus leictreamaighnéadacha), arna rialú ag fisic chandamach, an dá riail neamhspleácha ar eol dóibh gach rud inár Cruinne a rialú. Creidmheas íomhá: Saotharlann Luasaire Náisiúnta SLAC.

Tá dhá thaobh le ciall a bhaint as na Cruinne: Gaolmhaireacht Ghinearálta Einstein, a rialaíonn an fórsa imtharraingthe agus éabhlóid an ama spáis, agus meicnic chandamach, a rialaíonn na trí fhórsa bunúsacha eile agus na hidirghníomhaíochtaí, céimeanna agus airíonna ábhair eile go léir. Cé go raibh pobal na fisice ar fad abuzz leis an gcéad bhrath dhíreach ar thonnta imtharraingthe, tuar fadbhunaithe ar theoiric Einstein a dearbhaíodh níos luaithe i mbliana, rinneadh fionnachtana, briseadh síos agus feidhmchláir shuntasacha maidir leis na stáit ábhair nua is féidir a chruthú - agus cad iad na rudaí is féidir a chruthú in ann a chur i gcrích don chine daonna - ag tarlú go leanúnach. Cé go smaoiníonn an chuid is mó dínn ar thrí chéim d’ábhar, soladach, leachtach agus gás, tá an ceathrú stát ann a tharlaíonn má théiteann tú gás ró-throm: plasma. Os a choinne sin, i gcás roinnt cineálacha ábhair, tá céimeanna ann a tharlaíonn sa nádúr nuair a fhuaraíonn tú ábhar ró-mhór: comhdhlúthán. Murab ionann agus na stáit ábhair eile go léir, taispeánann comhdhlútháin airíonna uathúla nach bhfeictear in áit ar bith eile sa nádúr.

Cé go bhféadfadh solaid, leachtanna agus gáis a bheith ar na hábhair is coitianta, ag teochtaí an-íseal, is féidir comhdhlútháin teacht chun cinn, a bhfuil airíonna fisiciúla uathúla acu. Creidmheas íomhá: © Johan Jarnestad / Acadamh Eolaíochtaí Ríoga na Sualainne.

Réabhlóid dochreidte ab ea an fhisic chandamach maidir leis an gcaoi a mbreathnaímid ar an domhan, ag múineadh dúinn:

  • Tá an dúlra scoite, ní leanúnach, comhdhéanta de cháithníní bunúsacha aonair ar a dtugtar quanta.
  • Go bhfuil cúpla cineál éagsúil réadmhaoine ag na quanta seo nach féidir a athrú go deo: casadh, muirear leictreach, muirear datha, blas, srl.
  • Agus nuair a dhéanann tú cáithníní nó córais ilchodacha astu, tá airíonna nua chandamach ann a thagann chun cinn freisin: rudaí cosúil le móiminteam uilleach fithiseach, isospin agus méideanna fisiciúla neamh-nialasacha, mar shampla.

Ach ceann de na rudaí is suimiúla ná go bhféadfadh airíonna na gcáithníní seo agus a n-idirghníomhaíochtaí a bheith le feiceáil thar a bheith difriúil má chuireann tú srian ar an méid is féidir leo a dhéanamh go dtí dhá thoise - dromchla cothrom - seachas trí na trí cinn is gnách.

Is réimse taighde thar a bheith gníomhach agus torthúil anois airíonna na gcóras déthoiseach faoi dhálaí foircneacha. Creidmheas íomhá: VS Pribiag et al., Nanaitheicneolaíocht an Dúlra 10, 593-597 (2015), “Sár-seoltacht mód imeall in inslitheoir topology déthoiseach”.

Ceapadh ar feadh i bhfad go raibh ábhar tríthoiseach iomlán ag teastáil chun sár-seoltacht agus ró-shlaodacht, dhá airí ag teocht íseal de chineálacha áirithe ábhair le friotaíocht nialasach nó slaodacht nialasach, faoi seach. Ach sna 1970idí, fuair Michael Kosterlitz agus David Thouless amach ní amháin go bhféadfaidís tarlú i sraitheanna tanaí 2D, ach fuair siad amach an mheicníocht aistrithe céime trína n-imeodh sár-seoltacht ag teochtaí arda go leor. Le níos lú céimeanna saoirse, agus níos lú toisí do cháithníní, fórsaí agus idirghníomhaíochtaí taisteal tríd, is fusa i ndáiríre staidéar a dhéanamh ar chórais mheicniúla chandamach. Is minic a bhíonn sé i bhfad níos éasca cothromóidí atá deacair a réiteach i dtrí thoise ach in dhá ghné amháin; i ndáiríre tá réitigh in dhá chothromóid eile nach féidir a réiteach i dtrí thoise.

Cumraíocht allamuigh de spins a léiríonn locht topolaíoch. Tabhair faoi deara nach féidir le haon athrú leanúnach ar na treoracha casadh é seo a athrú go cumraíocht ina ndéanann na spins go léir pointe suas. Creidmheas íomhá: Karin Everschor-Sitte agus Matthias Sitte.

Is eol go n-iompraíonn go leor cáithníní, quasiparticles agus córais cáithníní go analógach le “lochtanna topolaíochta,” atá cosúil le “poill” (le haghaidh locht 0-thoiseach) nó le “teaghráin” (le haghaidh locht 1-thoiseach) a théann trí cheachtar 2D nó spás 3D. Trí mhatamaitic na topology a chur i bhfeidhm ar na córais teocht íseal seo, d’fhéadfaí céimeanna ábhar topolaíochta nua a thuar.

Ag teochtaí an-íseal, is minic a bhíonn lochtanna topolaíochta i gcórais ábhair chomhdhlúthaithe déthoiseacha ag péireáil le chéile ag teochtaí ísle, feiniméan nach bhfeictear ag teochtaí níos airde. Creidmheas íomhá: © Johan Jarnestad / Acadamh Eolaíochtaí Ríoga na Sualainne.

Cloíonn nádúr an aistrithe ó stáit teocht íseal (i gcás ina bhfoirmíonn péirí vortex) go stáit ardteochta (nuair a bhíonn na péirí neamhspleách) rialacha aistrithe chéim Kosterlitz-Thouless. Mar thoradh ar fhisic chandamach a chomhcheangal le topology tá roinnt rudaí suimiúla go fisiciúil ag tarlú i gcéimeanna scoite, slánuimhir. Tarlaíonn seoltacht ábhair tanaí, seoltaí leictreach sna céimeanna seo. Iompraíonn slabhraí maighnéid bheaga go topologach. Baineann na rialacha um aistriú céime go huilíoch le gach cineál ábhair in dhá ghné. Sna 1980idí, d'aimsigh Kosterlitz féin an gaol seoltachta, agus d'aimsigh Duncan Haldane airíonna topology slabhraí beaga maighnéad. Cé go leathnaíonn na feidhmchláir anois go réimsí eile fisice - meicnic staidrimh, fisic adamhach, agus tá súil againn go luath i ríomhairí leictreonaice agus chandamach - tá an fhisic atá mar bhunús leis an iompar scoite ábhair seo i toisí níos ísle faoi rialú na rialacha topolaíochta céanna le haon chóras matamaiticiúil.

Is í an topology an brainse den mhatamaitic a bhfuil suim aici in airíonna a athraíonn céim-ciallmhar, cosúil le líon na bpoll sna rudaí thuas. Ba í an topology an eochair d’fhionnachtana Nobel Laureates, agus míníonn sí cén fáth a n-athraíonn seoltacht leictreach taobh istigh de shraitheanna tanaí i gcéimeanna slánuimhir. Creidmheas íomhá: © Johan Jarnestad / Acadamh Eolaíochtaí Ríoga na Sualainne.

Ní fhéadfaidh na hairíonna nua seo iad féin a thaispeáint ach ag teochtaí an-fhuar agus i láthair réimsí maighnéadacha an-ard, ach ní fhágann sin go bhfuil siad níos bunúsaí don nádúr ná na hairíonna a mbímid ag breathnú orthu go traidisiúnta. Is é an éifeacht a bhí ag halla chandamach, toisc go bhfuil maighnéid chandamach “slánuimhir” topolaíoch cé nach bhfuil cinn “leath-shlánuimhir” ann, agus gur féidir leat carachtar maighnéad chandamach a chinneadh trí staidéar a dhéanamh ar a imill, gach dul chun cinn a rinne duais na bliana seo triúr. Thángthas ar chineálacha nua agus rudaí nach rabhthas ag súil leo trí thógáil ar a gcuid taighde, lena n-áirítear airíonna topolaíochta a shíneann isteach in ábhair atá go hiomlán 3D. Tá taighde gníomhach á dhéanamh ar inslitheoirí topolaíochta, sár-stiúrthóirí topolaíochta agus miotail thoipeolaíochta inniu, agus tá an fhéidearthacht ann leictreonaic agus ríomh a réabhlóidiú má dhéantar agus nuair a bhaintear leas rathúil astu.

Is é Alfred Nobel, aireagóir dinimite agus sealbhóir 355 paitinn, a bunaíodh ina 1895, a mhianta bunús Dhuais Nobel a fhorbairt agus na rialacha faoinar cheart í a rialú. Tar éis a bháis i 1896, bronnadh an Duais gach bliain ó 1901, agus ní thagann na heisceachtaí ach nuair a bhí an Iorua áitithe le linn an Dara Cogadh Domhanda. Creidmheas íomhá: © Nobel Media AB 2016.

Dúirt Alfred Nobel, nuair a d’fhorbair sé an Duais Nobel, gur cheart dó dul chuig an bhfionnachtain atá freagrach “as an leas is mó don chine daonna.” Ní amháin go bhfuil an eolaíocht anseo cruthaithe, tá sí ar a bealach chun an bealach a mhaireann muidne mar dhaoine inár saol laethúil a athrú. Cé gur cinnte go bhfuil líon an-mhór d’fhoirne tuillte, daoine aonair agus fionnachtana, meabhraíonn Duais Nobel na bliana seo dúinn an dá phríomhchúis go léir a infheistímid san eolaíocht bhunúsach chomh mór sin: as an eolas agus na buntáistí sochaíocha is féidir linn a bhaint as an gcine daonna go léir. I mbliana, nuair a bhreathnaíonn muid siar ar na rudaí iontais a d’fhoghlaimíomar faoi ábhar faoi dhálaí foircneacha, taispeántar dúinn cé chomh fada agus a tháinig ár n-eolas, agus súil againn ar na feidhmchláir a d’fhéadfadh a bheith ina chúis leis seo chun an chéad ghlúin eile de theicneolaíochtaí chandamach a shaothrú. Is é an todhchaí neamhchinntithe atá romhainn.

Bhí an post seo le feiceáil den chéad uair ag Forbes, agus tugann ár lucht tacaíochta Patreon saor in aisce duit é. Déan trácht ar ár bhfóram, & ceannaigh ár gcéad leabhar: Beyond The Galaxy!